CN101866141B - 大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法，由高衍射DCG斜条纹全息光栅和玻璃板组成。以重铬酸盐明胶(DCG)为记录介质，利用柱面镜的单向聚焦特点，设计倾斜条纹DCG的制作光路。采用NOA61光学匹配粘胶覆盖在DCG斜条纹光栅表面，再封上一片和透明基质相同的玻璃片。大折射率调控DCG波导全息衍射元件不仅具有衍射效率高，波长选择性带宽和角度选择性带宽宽等光学性质，还能够从侧面耦合入射光，实现同光纤或者其它光学耦合器件的直接耦合。同时在制作斜条纹光栅方法上采用在一路激光中加入柱面透镜解决了倾斜条纹全息光栅的曝光制作问题，可满足全息制作等光强等光程的要求，获得折射率调控程度高的器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种全息波导器件，特别涉及一种大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法。
背景技术
目前大部分的斜条纹光纤光栅器件都是基于光学光刻技术，倾斜光纤布拉格光栅的制作过程通常采用波长为242nm的准分子泵浦双频燃料激光，在25HZ频率下，曝光5分钟，用掩膜曝光方法记录，制作过程十分精密，曝光时间、强度、掩膜等诸多因素都能影响光栅的质量，而且光纤内部在紫外光作用下产生折射率调制的机理并不很清楚，光纤内部所能达到的最大折射率调控幅度最大不超过10-3数量级，这就意味着入射光必须经过长的传输距离才能达到足够高的衍射效率。光纤耦合器的另外一个制作方法是在预先设计好的硅波导器件上直接刻蚀光栅，离子刻蚀法通常需要两步完成，通常耦合效率较低，约为24％。因此光刻方法和离子刻蚀方法制作倾斜条纹体光栅均存在一定的局限性，不仅制作方法工艺要求苛刻，而且衍射效率较低，在实现宽带滤波，稳定高效的衍射效率等功能方面还存在不足。
发明内容
本发明是针对光纤耦合器件及制作方法存在的问题，提出了一种斜条纹全息波导器件制作方法，在全息记录中采用加入柱面透镜实现光栅条纹的偏折角度从0°到90°的自由改变，满足全息光栅制作等光强等光程的要求，从而获得折射率调制程度高的全息器件。
本发明的技术方案为：一种大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法，包括如下具体步骤：
1)首先是重铬酸盐明胶(DCG)倾斜条纹全息光栅的制作，将DCG平板置于全息光路曝光，采用柱面透镜在其中一束光路中，将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接从侧面以平行于DCG材料层的方向入射，通过调节另外一束激光与DCG的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射式光栅，曝光时间为240s，相应的曝光能量为1200mJ/cm2；
2)再将裸露的DCG斜条纹光栅放在柯达固定剂中固化20s，之后用20℃流动自来水反复冲洗3分钟，接着使用浓度分别为50％、75％和100％的异丙醇各清洗2分钟，再将样品放在70℃的纯度为100％的异丙醇中浸泡半分钟；
3)最后用热吹风机产生干燥热气使DCG斜条纹光栅脱水干燥，定型后采用NOA61光学匹配胶覆盖在光栅表面，再封上和记录基质玻璃同等性质的玻璃片，形成中间折射率高基质折射率低的波导内置全息元件。
所述全息光路为二极管泵浦固体激光器产生的波长为532nm的激光束首先经过半波片和偏振分光棱镜以及第二个半波片，再经过物镜和空间针孔滤波后，通过反射镜和准直透镜，接着只让其中一束激光通过柱面聚焦透镜，将圆形光斑聚焦成线状激光再直接从侧面以平行于DCG材料层的方式入射，通过调节另外一束激光与DCG的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射式光栅。
本发明的有益效果在于：本发明大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法，大折射率调控DCG波导全息衍射元件不仅具有衍射效率高，波长选择性带宽和角度选择性带宽宽等光学性质，还能够从侧面耦合入射光，实现同光纤或者其它光学耦合器件的直接耦合。同时在制作斜条纹光栅方法上采用在一路激光中加入柱面透镜解决了倾斜条纹全息光栅的曝光制作问题，可满足全息制作等光强等光程的要求，获得折射率调控程度高的器件。
附图说明
图1为透射式DCG全息光栅示意图；
图2为反射式DCG全息光栅示意图；
图3为本发明大折射率调制度的斜条纹全息波导器件斜条纹DCG全息光栅示意图；
图4为本发明大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作斜条纹全息光栅的光路图；
图5为本发明大折射率调制度的斜条纹全息波导器件剖面示意图；
图6为本发明大折射率调制度的斜条纹全息波导器件在折射率调制深度不同时，波长与衍射效率关系示意图；
图7为本发明大折射率调制度的斜条纹全息波导器件实验与理论情况下波长与衍射效率的关系示意图；
图8为本发明斜条纹全息光栅衍射超连续白光激光产生七彩分光现象图。
具体实施方式
一种大折射率调制幅度的斜条纹全息波导器件由高衍射DCG斜条纹全息光栅和玻璃板组成。以重铬酸盐明胶(DCG)为记录介质，利用柱面镜的单向聚焦特点，设计倾斜条纹DCG的制作光路。在全息光栅定型后，采用NOA61光学匹配粘胶覆盖在DCG斜条纹光栅表面，再封上一片和透明基质相同的玻璃片。
重铬酸盐明胶材料是性质比较理想的全息材料，如果制作方法得当可实现0.08-0.1的折射率调控幅度，很容易制作出高衍射效率的光学器件。所以基于DCG材料的全息光学元件已经广泛地应用于成像系统，光学大容量存储和头盔显示器件。通常透射或反射式的DCG全息光栅在制作时，都采用对称曝光光路产生无倾斜的条纹结构，如附图1、2，附图1光栅平行于基质面，称为透射式DCG光栅，附图2光栅垂直于基质面，称为反射式DCG光栅。
实际应用中需要斜条纹结构的全息器件。例如在光通信系统中对多信道信息进行分光，过滤，耦合的光学耦合器件如滤波器，衰减器等一系列光通信器件，通常需要有一定倾斜角度的布拉格光栅器件，尤其是将光纤中传播的导模模式耦合到辐射模式。如附图3所示情形。一束激光以平行于DCG材料层的方式入射，通过调节另外一束激光与DCG的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射式光栅。
基于DCG斜条纹全息光栅的全息波导器件制作步骤如下：
1、首先是DCG倾斜条纹全息光栅的制作过程，将DCG平板置于全息光路曝光。体全息光路如附图4所示，功率为200mW的二极管泵浦激光器1产生的532nm的激光束首先经过半波片2改变偏振方向，通过与偏振分光棱镜3配合使用，调节分光光强制比，偏振分光棱镜产生两束光强相等夹角为90°的线偏光，偏振方向分别为S偏振和P偏振，其中一束线偏光再通过半波片4使其偏振方向与另一束的偏振方向相同，两束偏振方向相同，光强相等的激光分别通过10X物镜5放大，和直径25μm小孔6滤波，反射镜7反射和焦距为209mm的准直透镜8准直后获得直径为20mm的圆形平行激光束，让其中一束再通过单方向焦距为200mm的柱面透镜9，将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接从侧面，以平行于DCG材料层的方式入射，通过调节另外一束激光与DCG的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射光栅。用柱面镜聚焦的最大好处是解决了倾斜条纹全息光栅的曝光制作问题，可以满足全息制作等光强等光程的要求，获得折射率调控高的器件。曝光时间为240s，相应的曝光能量为1200mJ/cm2。
2、再将裸露的DCG斜条纹光栅放在柯达快速固化剂中固化20s，形成更加稳定的结构，之后用20℃流动自来水反复冲洗3分钟，将固化剂清洗干净，接着使用浓度分别为50％、75％和100％的异丙醇各清洗2分钟，再将样品放在70℃的纯度为100％的异丙醇中浸泡半分钟。
3、用电吹风机产生干燥热气使DCG斜条纹光栅脱水干燥，定型后采用NOA61光学匹配胶12覆盖在光栅11表面，再封上和记录基质玻璃10同等性质的玻璃片，形成中间折射率高(DCG全息材料的折射率为1.56)基质折射率低(通常BK7玻璃的折射率为1.49)的波导内置全息元件，如附图5所示。
基于耦合波理论，在三种不同的折射率调制深度0.015，0.05，0.1情况下，倾斜为45°的全息波导器件衍射效率与衍射波长的模拟关系如附图6所示，可看出当折射率调制深度为0.015时衍射效率可达到80％，另外折射率调制深度越大，波长选择带宽就越宽。在实验中，用准直钨灯所发出的光束作为宽带照明光束，柱面透镜将衍射光束聚焦在探测器。用海洋光学USB400分光光度仪测量得到如附图7所示的波长与衍射效率的关系，通过实验数据与理论数据的对比，能够看出实验曲线与理论曲线拟合得很好。附图8为斜条纹全息光栅衍射超连续白光激光产生七彩分光实验现象图，从光纤出来的超连续激光能够很方便的耦合到45°斜条纹全息光栅上，被DCG斜条纹光栅从侧面衍射成彩色条纹，说明波长不同衍射角度也不相同。
Claims (2)
1.一种大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
1)首先是重铬酸盐明胶DCG倾斜条纹全息光栅的制作，将DCG平板置于全息光路曝光，采用柱面透镜在其中一束光路中，将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接从侧面以平行于DCG平板的材料层的方向入射，通过调节另外一束激光与DCG平板的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射式光栅，曝光时间为240s，相应的曝光能量为1200mJ/cm2；
2)再将裸露的DCG倾斜条纹全息光栅放在柯达固定剂中固化20s，之后用20℃流动自来水反复冲洗3分钟，接着使用浓度分别为50％、75％和100％的异丙醇各清洗2分钟，再将样品放在70℃的纯度为100％的异丙醇中浸泡半分钟；
3)最后用热吹风机产生干燥热气使DCG倾斜条纹全息光栅脱水干燥，定型后采用NOA61光学匹配胶覆盖在光栅表面，再封上和记录基质玻璃同等性质的玻璃片，形成中间折射率高基质折射率低的波导内置全息元件。
2.根据权利要求1所述大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法，其特征在于，所述全息光路为二极管泵浦固体激光器产生的波长为532nm的激光束首先经过第一个半波片和偏振分光棱镜，其中让一束线偏光再通过第二个半波片使其偏振方向与另一束反射偏振光方向相同，然后两束偏振方向相同的激光均通过扩束镜扩束，小孔滤波，反射镜反射和准直透镜准直后获得准直激光，最后只让其中一束准直激光通过柱面透镜，将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接从侧面，以平行于DCG平板材料层的方式入射，通过调节另外一束准直激光与DCG平板的夹角获得不同倾斜角度从0°～90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射式光栅。
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