CN101251653A - 二维光学高阶衍射分束器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维光学高阶衍射分束器的制备方法，本发明的方法是：使四束具有相干性的光束相交后照射光致聚合材料，形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光致聚合效应制备分束器，然后使分束器产生高阶衍射即可实现分束，上述两光束的夹角需使这时发生的衍射为高阶衍射。本发明利用光致聚合材料的光致聚合效应实现了光分束，不仅可以对不带信息的光束进行分束，而且可以把不同波长的带有信息的入射光分束分成多束输出，方法简单、成本较低、应用灵活。

Description

二维光学高阶衍射分束器的制备方法

(一)技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种光学分束技术。

(二)背景技术

光学分束器是一种把输入光分成一维或二维阵列输出光束或光斑的光学器件，在光学互连、光计算、光盘存储、光电技术、图像处理及精密测量等现代科技的许多领域中广泛应用。

传统的光学分束器是利用光波经过不同折射率的介质时会发生反射和折射的性质制作而成的。这种分束器的缺点是一次只能分出两束出射光波。要想得到几十束出射光波，则需要进行多次分光，因此这种分束器的体积较大、能量损耗多、均匀性差、调试困难，并且当输入光功率很大，分束系统器上的镀膜容易被烧伤而损坏。

双折射光学分束器是利用光学材料的双折射性质制作而成的一种分束器，其利用了不同偏振状态的光波经过介质时因折射率不同而产生的分光效应把入射光分开，利用双折射效应人们已经制作了握拉斯顿棱镜、菲涅耳棱镜等偏振分光棱镜，并在实际中广泛应用。但这种偏振分束器一次只能把入射光分为两束，且具有偏振性，不能实现多路同时输出。

二元光学分束器是一种纯相位衍射的光学分束器，它能够将一束入射的激光束转换成强度均匀的光束列阵，还具有多重成像、光互连、光耦合以及光束复合等功能。二元光学分束器由于采用了计算机设计和超大规模集成电路制造工艺等新技术而格外引人注目。目前，人们提出了二元光学分束器的各种结构与算法，如以求解非线性方程组的方法设计的Dammann光栅、以模拟退火等非线性优化算法设计的相息光栅、基于Talbot自成像效应的Talbot分束光栅以及基于菲涅尔波带片近轴衍射理论的位相型菲涅尔透镜列阵等。根据实际应用中的分束要求，可以选择各种二元光学分束器的设计方法。在计算机技术迅速发展的今天，设计不同用途的二元光学分束器已不成困难，关键在于二元光学分束器的工艺制作，这种分束器在实际应用中受到加工工艺还不成熟的限制，同时还存在适用波长单一、不能用于对携带信息的光束进行分束、成本高等缺点的限制。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小，成本低，加工简单，能在二维空间内进行分束，使得分束数量得以提高，并且可以根据实际需要控制输出各光束光强分布的二维光学高阶衍射分束器的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤一、制备分束器12：使四束具有相干性的光束1、2、3、4相交并输入到光致聚合物5的光输入端，在光致聚合物5内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光致聚合效应在光致聚合物5中记录下体全息图，即二维相位体光栅，等待光栅稳定后光致聚合物5形成分束器12，所述四束具有相干性的光束1、2、3、4在相交时的夹角(θ)应使这时发生的衍射为高阶衍射；步骤二、分束过程：将步骤一制备的分束器12放在需要分束的光路中，使需要分束的光束输入到分束器12的光输入端，利用高阶衍射在分束器12的光输出端即可获得多束二维出射光束。

本发明还有这样一些技术特征：

1、步骤一中所述光致聚合物5选用能够产生光致聚合效应，且可以观察到清晰高阶衍射的有机光致聚合材料或无机光致聚合材料；

2、步骤一中所述四束具有相干性的光束1、2、3、4为四束具有相干性的可使光致聚合物发生光致聚合效应的光束，输入到光致聚合物的光输入端，照射到光致聚合物光输入端的同一位置，四束相干光1与2，2与3，3与4，4与1之间的夹角小于3度并且相等，它们各自与光致聚合物之间的夹角也相等，对称照射光致聚合物，步骤二中所述需要分束的光束的波长决定于步骤一中所述的四束具有相干性的光束1、2、3、4的波长；

3、步骤二中所述四束具有相干性的光束和需要分束的光束均是直接从激光器输出的激光；

4、步骤一中所述输出四束具有相干性光束1、2、3、4的激光器采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米，所述光致聚合物5选用菲醌-聚甲基丙烯酸甲酯(PQ-PMMA)有机光致聚合材料，其中菲醌摩尔浓度为3％，晶体尺寸为10.00×15.03×0.03mm³(立方毫米)，所述四束入射光1、2、3、4的光强均为50mW·cm^-2(毫瓦每平方厘米)，相交的四束入射光1与2，2与3，3与4，4与1的夹角θ为1.26°(度)，所述光致聚合物5被相交光束照射十五分钟后光栅达到稳定；

5、步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用He-Ne激光器，它输出光的波长为632.8纳米，所述第二傅里叶透镜11的焦距为505毫米，二维光学高阶衍射分束器12放置在第二傅里叶透镜11的傅里叶焦平面附近；

6、步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米；

7、步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用Ar⁺激光器，它输出光的波长为488.0纳米。

本发明的二维光学高阶衍射分束器按以下步骤进行：一、制备分束器：使四束具有相干性的可使光致聚合物发生光致聚合效应的光束输入到光致聚合物的光输入端，照射到光致聚合物光输入端的同一位置，四束相干光之间的夹角很小(一般在3度内)并且相等，它们各自与光致聚合物之间的夹角也相等，对称照射光致聚合物。由于四相干光束间相互干涉，可以在光致聚合物体内形成光强分布不均匀的稳定干涉条纹，在光致聚合效应作用下，光致聚合物的折射率随入射光强的分布发生相应的改变，最终达到稳定后，形成与入射光强度分布相对应的折射率分布，即记录下光束相干形成的相位体光栅，这样就制作完成了分束器。在记录过程中即有成二维矩阵分布的高阶衍射光(Raman-Nath衍射光)出现，可以通过探测各阶衍射光的强度来推导折射率的变化值；二、分束过程：将步骤一制备的分束器放在需要分束的光路中，使需要分束的光束输入到分束器的光输入端，利用高阶衍射在分束器的光输出端即可获得二维出射光束，并可以根据实际需要，选择合适的光致聚合物和步骤一中的曝光时间来调节分束器内的折射率变化，从而调节各个衍射光(即分束出的各个光束)的光强分布，以满足实际需要。

本发明涉及光学分束技术领域，它解决了现有的分束方法要么结构复杂、成本高、易损坏分束器，要么加工工艺不成熟、缺乏对带有信息的光束进行分束的能力，要么分出的光束具有偏振性的问题。由于分束原理的优势，它使得分束器的体积可以很小，并且其所用原料为有机光致聚合物，其成本很低，加工简单，能在二维空间内进行分束，使得分束数量得以提高，并且可以根据实际需要控制输出各光束的光强分布。

用本发明所制成的分束器在用于分束时，从分束器射出的光束成二维矩阵分布，并且各出射光束在距离出射处相等的位置上具有相似的波前形态。本发明把二维相位体光栅的高阶衍射与光致聚合效应相结合，利用光致聚合物在光致聚合效应上的各向同性的性质设计了一种新的分束元件，这种分束元件的制备方法相对简单、成本较低、结构简单。与二元光学分束器和偏振分束棱镜的分束方法相比，本发明利用了光致聚合材料的光致聚合效应实现了光分束，不仅可以对不带信息的光束进行分束，而且可以把不同波长的带有信息的入射光分束成多束输出，另外本发明还另有一个优点，即在分束时对分束条件要求宽松：1)对于需要分束的光束照射分束器的入射角并没有严格的要求；2)分束器可适用的谱带宽度较宽。制备分束器时使用的光波波长可以与需要分束的光波波长不一致，因此可以对一定波长范围内的光波进行分束，应用上很灵活。

(四)附图说明

图1为本发明分束方法的步骤一制备分束器12的光传输流程图；

图2为具体实施方式三的光传输流程图；

图3是具体实施方式四的实验结果图；

图4是具体实施方式五的实验结果图；

图5是具体实施方式六的实验结果图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：

结合图1，本实施例中，二维光学高阶衍射分束器按以下步骤进行制备和实现分束：一、制备分束器：使四束具有相干性的光束1、2、3、4相交并输入到光致聚合物5的光输入端，四束光1、2、3、4间相互干涉，于是在光致聚合物5内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光聚合效应在光致聚合物5中记录下体全息图，即二维相位体光栅。等待光栅稳定后，光致聚合物5就变成了分束器12。所述四束具有相干性的光束1、2、3、4在相交时的夹角θ应使这时发生的衍射存在高阶衍射，通过光致聚合物后的观察屏6即可观察到记录光的高阶衍射光束；二、分束过程：将步骤一制备的分束器12放在需要分束的光路中，使需要分束的光束输入到分束器12的光输入端，利用高阶衍射在分束器12的光输出端即可获得多束二维出射光束。

步骤一中所述光致聚合物5选用能够产生光致聚合效应的任意材料，且能产生清晰的高阶衍射光，它包括有机材料或无机材料，它的尺寸根据具体产品要求而定。当选定了光致聚合物5的材料后，光致聚合物的折射率n即可确定，然后根据其他条件即可判断光致聚合物5是否可以产生高阶衍射。

步骤二中所述需要分束的光束的波长决定于步骤一中所述的四束具有相干性的光束1、2、3、4的波长。四束具有相干性的光束1、2、3、4的波长等于所述需要分束的光束的波长、或在所述需要分束的光束的波长附近的一定范围内。

实施例2：

结合图2，本实施例与实施例1的不同点是：步骤二中所述需要分束的光束是直接从激光器输出的激光。其他步骤与实施例1相同。利用本发明的方法制备的分束器12可以直接对不含信息的光束进行分束，用法简单。

实施例3：

结合图2，本实施例与实施例2的不同点是：步骤二中所述需要分束的光束的产生装置由第二激光器7、空间光滤波器8、第一傅里叶透镜9、空间光调制器10、第二傅里叶透镜11构成。空间光调制器10位于第一傅里叶透镜9和第二傅里叶透镜11之间，空间光调制器10到第二傅里叶透镜11的距离是第二傅里叶透镜11的焦距，从而可以实现傅立叶变换。所述需要分束的光束的产生方法是：从第二激光器7输出的光束通过空间光滤波器8输入到第一傅里叶透镜9的光输入端并经过第一傅里叶透镜9传输，在第一傅里叶透镜9的光输出端获得平行光束，所述平行光束经过空间光调制器10传输后输入到第二傅里叶透镜11的光输入端，所述平行光束在经过空间光调制器10传输的过程中被加载上信息，所述被加载上信息的平行光经过第二傅里叶透镜11传输后在第二傅里叶透镜11的光输出端完成傅里叶变换，所述的从第二傅里叶透镜11的光输出端输出完成傅里叶变换的光束即是需要分束的光束。其他步骤与具体实施方式四相同。在本具体实施方式中，输入光在分束器12内形成傅里叶变换频谱，由于分束器12的分束作用，衍射出频谱分布相同的傅里叶变换频谱，但每个傅里叶变换频谱的方向不同，从而把入射光分成多束。在本实施例中，分束器12通常放在第二傅里叶透镜11的傅里叶焦平面附近，这样可以减小分束设备的体积。本实施例只是提供了一种产生带有信息的光束的方法和装置，如果遇到其他产生带有信息的光束的方法和装置只需将本发明制备的分束器12放在该装置的输出端即可实现分束。

实施例4：

结合图1和图2，本实施例与实施例3的不同点是：在步骤一中，所述第一激光器1采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米，所述光致聚合物5选用菲醌-聚甲基丙烯酸甲酯(PQ-PMMA)有机光致聚合材料，其中菲醌摩尔浓度为3％，，晶体尺寸为10.00×15.03×0.03mm³(立方毫米)，所述四束入射光1、2、3、4的光强均为50mW·cm^-2(毫瓦每平方厘米)，相交的四束入射光1与2，2与3，3与4，4与1的夹角θ为1.26°(度)，，所述光致聚合物5被相交光束照射十五分钟后光栅达到稳定；在步骤二中，所述第二激光器7采用He-Ne激光器，它输出光的波长为632.8纳米，所述第二傅里叶透镜11的焦距为505毫米，光致聚合高阶衍射分束器12放置在第二傅里叶透镜11的傅里叶焦平面附近。在光致聚合高阶衍射分束器12的输出端会看到夹角大小相等的多个二维衍射信号光出现，并且在距离出射处相同的距离上各衍射光的频谱分布情况是相同的，如图3所示。其他步骤与实施例3相同。在本具体实施方式中，对于光致聚合物材料来说，其是各向同性的，照射光致聚合物5的入射光的最佳入射方向是由光致聚合物5的材料性质决定的。

实施例5：

结合图1和图2，本实施例与实施例4的不同点是：在步骤二中，所述第二激光器7为半导体激光器，输出光的波长为532.0纳米。其他步骤与实施例4相同。在光致聚合高阶衍射分束器12的输出端会看到夹角大小相等的多个二维衍射信号光出现，并且在距离出射处相同的距离上各衍射光的频谱分布情况是相同的，如图4所示。

实施例6：

结合图1和图2，本实施例与实施例5的不同点是：在步骤二中，所述第二激光器7为Ar⁺激光器，输出光的波长为488.0纳米。其他步骤与实施例5相同，如图5所示。

实施例7：

结合图1和图2，本实施例与实施例4的不同点是：在步骤一中，可以根据实际需要改变入射激光束的数量和入射角度，从而使所记录的光栅发生改变，并进而改变高阶衍射光的位置，从而实现分束器分束结果的控制。

除上述具体实施方式外，利用光致聚合效应在光致聚合材料中形成折射率光栅并利用高阶衍射效应来达到二维分束目的技术方案均在本说明书的保护范围内。

Claims (8)

1、一种二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤一、制备分束器(12)：使四束具有相干性的光束相交并输入到光致聚合物(5)的光输入端，在光致聚合物(5)内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光致聚合效应在光致聚合物(5)中记录下体全息图，即二维相位体光栅，等待光栅稳定后光致聚合物(5)形成分束器(12)，所述四束具有相干性的光束在相交时的夹角应使这时发生的衍射为高阶衍射；步骤二、分束过程：将步骤一制备的分束器12放在需要分束的光路中，使需要分束的光束输入到分束器(12)的光输入端，利用高阶衍射在分束器(12)的光输出端即可获得多束二维出射光束。

2、根据权利要求1所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤一中所述光致聚合物(5)选用能够产生光致聚合效应，且可以观察到清晰高阶衍射的有机光致聚合材料或无机光致聚合材料。

3、根据权利要求1所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤一中所述四束具有相干性的光束为四束具有相干性的可使光致聚合物发生光致聚合效应的光束，输入到光致聚合物的光输入端，照射到光致聚合物光输入端的同一位置，四束相干光之间的夹角小于3度并且相等，它们各自与光致聚合物之间的夹角也相等，对称照射光致聚合物，步骤二中所述需要分束的光束的波长决定于步骤一中所述的四束具有相干性的光束的波长。

4、根据权利要求1所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤二中所述四束具有相干性的光束和需要分束的光束均是直接从激光器输出的激光。

5、根据权利要求4所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤一中所述输出四束具有相干性光束的激光器采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米，所述光致聚合物(5)选用菲醌-聚甲基丙烯酸甲酯有机光致聚合材料，其中菲醌摩尔浓度为3％，晶体尺寸为10.00×15.03×0.03立方毫米，所述四束入射光的光强均为50毫瓦每平方厘米，相交的四束入射光的夹角为1.26°，所述光致聚合物(5)被相交光束照射十五分钟后光栅达到稳定。

6、根据权利要求4所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用He-Ne激光器，它输出光的波长为632.8纳米，所述第二傅里叶透镜(11)的焦距为505毫米，二维光学高阶衍射分束器(12)放置在第二傅里叶透镜(11)的傅里叶焦平面附近。

7、根据权利要求4所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米。

8、根据权利要求4所述的二维光学高阶衍射分束器的制备方法，其特征在于：步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用Ar⁺激光器，它输出光的波长为488.0纳米。

Images