CN102016658A - 光操纵装置 - Google Patents

Abstract

本发明的光操纵装置(1)包括光源(2)和透射型衍射光栅(3)，所述光源布置成产生指向衍射光栅的光束(i)，所述光束的入射角(θ)和光栅几何结构被调节成将入射光功率聚集到与入射光束的方向相反的R反射衍射级并通过所述衍射光栅将入射光功率聚集到T透射衍射级。根据本发明，所述衍射光栅(3)是倾斜型。

Description

光操纵装置

发明领域

本发明涉及用于在与入射方向相反的反射光束和透射光束之间分配入射光束的光功率的装置。更详细地，本发明集中于利用衍射光栅作为光功率分配元件的装置。这种装置已知例如用于透射型外腔二极管激光器。

发明背景

基于外腔二极管激光器(External Cavity Diode Laser ECDL)的可调谐波长激光源现在广泛用在例如光学和原子物理学的领域中的不同类型的实验中。形成外腔的标准装置是所谓的利特罗配置，其中激光二极管的输出指向衍射光栅，其提供进入R_-1衍射级(diffraction order)的与入射方向相反，即，回到二极管的光的部分反射，而系统的实际输出转到零衍射级。当满足利特罗条件的波长改变时，一般通过稍微旋转光栅来执行输出的波长调谐。

按照惯例，利特罗配置基于反射型光栅。稍后，由于例如在对系统进行调谐时输出光束的不必要的调谐，引入了利用透射型光栅的利特罗配置。例如，Merimaa等人报导了基于在SiO₂基底上形成的二进制表面浮雕光栅的透射型利特罗配置(″Compact external-cavity diode laser with a novel transmission geometry″，Optics Communications 174(2000)，175-180)。作为另一例子，Bertani等人介绍了涉及弹性光栅的透射型利特罗配置，弹性光栅的调谐通过拉伸光栅而不是旋转来执行(″Stretching-tunable external-cavity laser locked by an elastic silicone grating″，Optics Express，Vol.14，No.25，11982-11986)。

利特罗配置中的已知电介质透射型光栅的一个共同的问题是对R_-1衍射级的低反射率。例如，对于在SiO₂中形成的二进制光栅，在这个方向上的反射率的最大值是大约5-10％。然而，在ECDL应用中需要的反射率实际上至少为15％，且在具体应用中甚至为100％。Merimaa等人通过在SiO₂光栅的表面上使用TiO₂涂层实现了几乎20％。然而，额外的TiO₂层复杂化了制造过程，且实际上精确地控制涂覆过程是非常有挑战性的。此外，一次只对一个偏振状态获得这样的光栅的最佳输出。到目前为止对透射型利特罗配置提出的光栅没有解决进入R_-0和T_-1衍射级的不实际地高水平的杂散光导致系统的总效率肯定低于100％的问题。

发明目的

本发明的目的是公开提供缓解现有技术的问题的改进的利特罗型光操纵装置。

发明概述

本发明集中于包括光源和透射型衍射光栅的光操纵装置，该光源布置成产生指向衍射光栅的光束，光束的入射角和光栅几何结构被调节成将入射光功率聚集到与入射光束的方向相反的R_-1反射衍射级并通过衍射光栅将入射光功率聚集到T₀透射衍射级。

根据光源的性质，该装置可包括透镜、反射镜和用于将光束引导到衍射光栅的其它光导元件。所谓入射角指的是在入射光束和衍射光栅所位于的平面的法线之间的角。衍射光栅可为表面浮雕光栅或体积光栅。

当从分开距离为d的相邻光栅线反射到所述方向的光束之间的相移等于设计波长的倍数以实现所述光束之间的建设性干涉时，与入射方向相反的R_-1衍射级的所述方向被获得。满足这个条件的配置常常称为所谓的利特罗配置。

将入射光功率聚集到那两个衍射级意味着大部分功率分配在所述级之间。通常，在其它地方的所有输出需要被最小化。然而，有时为了监控的目的，希望也产生例如到T^-1衍射级的低功率输出。

设计提供上面确定的性能的衍射光栅可根据衍射理论由已知的优化例程执行。

根据本发明，衍射光栅是倾斜型。倾斜型光栅几何结构意指一种光栅几何结构，其中代替具有形成垂直于光栅面的平面的光栅线的脊和凹槽的常规光栅结构，光栅线相对于光栅面的法线是倾斜的。倾斜光栅早些时候被发现例如在光导管的光耦合应用中提供很多有利的特征。

因此，本发明的关键原理可被确定为例如倾斜光栅几何结构在利特罗型配置中的衍射光栅中的使用。从方法观点看，本发明涉及在透射型利特罗配置中将入射光功率聚集到与入射光束的方向相反的R_-1反射衍射级并通过倾斜型光栅将入射光功率聚集到T₀透射衍射级。

本发明的关键原理基于本发明人的观察：借助于倾斜光栅，可在很大程度上避免现有技术解决方案的缺点。首先，通过适当地选择装置参数，可获得非常高的衍射效率，即，在R_-1和T₀衍射级之外的非常低的杂散光。理论上，也可对在那两个有用的衍射级的衍射效率0％和100％之间的任何期望值，设计根据本发明的装置。而且，使用电介质光栅材料获得甚至最高的反射衍射效率，而没有任何额外的涂层，这使光栅的制造简单和可精确地控制。作为本发明的最重要的优点之一，该装置的最佳操作不只限于一个特定的偏振状态，而是如在一个优选实施方式中的情况，该装置也可被优化以用于具有非偏振光的非常高的衍射效率的操作。

优选地，例如通过旋转或拉伸光栅可调节该装置的操作波长。通过旋转光栅，改变了入射角，接着也就改变了满足利特罗条件的波长。旋转光栅是可调谐ECDL中的标准调节原理。不是改变入射角，拉伸改变了光栅周期。最后的结果是相同的，即，满足利特罗条件的波长改变，因而提供了与入射方向相反的R_-1衍射级。

优选地，所设计的入射角为大约45度，光栅可能在该入射角附近是可旋转的。使用这种角，期望性能——包括例如将衍射只限制到最低衍射级中——最容易获得。由于对称性，45度也提供制造装置的结构的最简单的方法。然而，其它角也是可能的，最方便的范围位于35和55度之间。

本发明目标在于其中期望R_-1和T₀衍射级的衍射与高的总衍射效率成预定比例的所有应用。在一个优选的实施方式中，光源是激光二极管。在这个实施方式中，装置可形成外腔二极管激光器(External Cavity Diode Laser ECDL)。倾斜光栅几何结构的使用实现了进入R_-1衍射级的足够高的反射，因而与现有技术解决方案比较，明显提高了EDCL的性能。本发明可提供优点的应用的另一例子是用于在毫微微秒光纤激光系统中再压缩放大的脉冲的透射型衍射光栅压缩器。

原则上，以用于衍射光栅的任何材料可制造根据本发明的光栅。可利用标准制造过程步骤，包括光刻术、复制技术等。然而，倾斜几何结构自然对制造规定了一些特殊的要求。在本申请人的早些时候的专利申请WO 2007/057500中公开了特别设计成通过复制来大量生产倾斜光栅的一个非常好的可选方案。

附图的简要说明

在下文中，借助于附图更详细地描述了本发明。

图1示意性示出根据本发明的光操纵装置的一般原理。

图2-8和表1示出本发明的一个实施方式的所计算的结果。

图9和表2示出根据本发明的一个实施方式的真实测试装置的结果。

本发明的详细描述

在图1(未按比例)的装置1中，光源2例如激光二极管布置成产生光束i，其可能通过准直和导向光学器件被准直和引导，以倾斜的入射角θ指向倾斜型衍射光栅3。入射角θ和光栅几何结构根据第一级利特罗配置被调节，即，产生与入射光束的方向相反的进入R_-1衍射级的反射。光的一部分通过光栅在T₀衍射级中被透射。进入R₀和T_-1衍射级的衍射通常代表待最小化的杂散光。除了入射角θ以外，确定根据图1的光栅的操作的其它关键参数是：

光栅周期d

光栅深度h

光栅填充系数c

光栅倾斜角φ

环境折射率n₁

光栅折射率n₂。

如图1所示，光栅倾斜角φ意指在光栅线脊横截面的中心线与光栅基底的平面的法线之间的角。在图1的示例性光栅中，光栅线脊具有恒定的宽度。脊朝着其顶部变窄也是可能的，且从制造观点看非常有用，其极端情况是三角形光栅。

设计了包括被制造成折射率n₂＝1.5的透射型二进制倾斜光栅的测试装置，周围环境是具有折射率n₁＝1.0的空气，且满足利特罗配置条件的光栅参数：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{{2n}_{1}d},$

其中，λ是照明波长。

选择了θ＝45°的入射角。通过优化来执行设计过程，目标是通过改变光栅参数并通过使用停止优化的优值函数来找到对R_-1衍射级的给定目标衍射效率η^T的适当的光栅参数。在优化过程中，使用如Turunen在″Diffraction theory of mi-crorelief gratings″(在Micro-optics中，H.P.Herzig(Ed).，Taylor & Francis Inc.，1997)中描述的严格电磁理论。对TE、TM和非偏振光执行优化。在这里，非偏振光被确定为η_UP＝(η_TE+η_TM)/2。所使用的优值函数是

且目的是最小化优值函数。

在表1中示出了在η^T＝10…100％的范围内的几个目标效率的优化结果。基底的背面反射率并不从透射级值被补偿。表1的结果清楚地表明，

可被自由地选择，且几乎所有的其余能量都被透射到T₀衍射级中。进入R₀和T_-1衍射级中的损耗是最小的。与现有技术解决方案比较，在没有任何额外的涂层的情况下，由光栅获得的且也用于非偏振光的这些结果是较好的。

表1

为了进一步的研究选择非偏振光的

的反射率值，因为这种反射在大部分外腔激光应用中给出良好的模锁定。在进一步的研究中，执行光栅制造误差分析。模拟了作为光栅深度h和倾斜角φ的函数的光栅效率和

结果显示在图2-4中。如可在那些图中看到的，装置非常容忍在光栅制造中的可能的不精确性。趋向是倾斜角的增加使

效率增加。此外，也执行对作为光栅深度h和填充系数c的函数的那些光栅效率的公差分析，结果显示在图5-7中。再次，附图示出装置容忍在所实现的光栅结构中的相当大的误差，因而为制造过程提供了良好的工作窗口。

在外腔应用中，光栅的可调谐性是最重要的问题之一。为了这个目的，模拟了倾斜光栅，其中对三个波长给出η^T＝0.3的目标效率，且优值函数被选择为作为来自优化的结果，获得了光栅参数h/λ＝0.56、

和c＝0.61，效率

和

作为图8所示的照明波长λ的函数。在这种情况下，获得了进入R₀和T_-1衍射级中的非常平坦的效率，这使激光器的调谐是非常稳定和可预测的，并在光栅被旋转时保持激光器锁定。在优化中使用的波长范围呈现在5°调谐区域上，该区域比大部分应用所需的大得多。

除了上述理论计算以外，也制造了用于根据本发明确认装置的预测操作的测试光栅。对波长λ＝633nm的

的反射率值被选择为测试装置的目标。所述波长是对外腔二极管激光器应用最适合的波长之一。其部分的15％的反射率值对良好的激光稳定性足够高，同时提供最大输出。

通过使用干涉测量记录、氯蚀刻和反应离子光束蚀刻来制造测试光栅。制造过程的主要细节由Lebola等人在″Replicated slanted gratings with a high refractive index material for in and outcoupling of light″(Opt.express，15，2067-2074(2007))中描述。与该文的过程比较的主要差异是，现在目标光栅周期是d＝460nm。光栅材料是具有折射率n＝1.49的SiO₂。在图9中示出了所实现的光栅的SEM图像。光栅深度是h＝390nm。如在附图中看到的，光栅线脊的横截面朝着脊的顶部变窄，脊的两个面的倾斜角为45°和38°。在完成光栅之后，非偏振光的衍射效率由具有θ＝43.47°的照明角的简单激光系统测量。

除了测量测试装置性能以外，测试光栅外形轮廓也被测量，且根据这个测量的外形轮廓，也计算测试装置的理论性能。在表2中集合了实验和理论衍射效率。在测试光栅的背面上没有抗反射涂层。因此，在该表的实验值中考虑透射光束的菲涅耳反射损耗。如可在表2中看到的，所测量的性能与目标非常一致。其次，在测量值和根据测试光栅外形轮廓计算的理论值之间有非常好的一致。这些结果清楚地确认本发明的可行性。

表2

对于本领域技术人员很明显，本发明的基本理念可用各种方法实现。本发明及其实施方式因此不限于上面所述的例子，而是它们可在权利要求的范围内变化。例如，可用任何材料制造光栅。光栅材料也可不同于光栅基底的材料。一个可能性是将光栅形成为一组薄膜。与上面的例子相反，光栅可以可选地在基底的背面上形成。也可在基底表面上使用抗反射涂层，以进一步增强装置性能。

Claims (5)

1.一种包括光源(2)和透射型衍射光栅(3)的光操纵装置(1)，所述光源布置成产生指向所述衍射光栅的光束(i)，所述光束的入射角(θ)和所述光栅的几何结构被调节成将入射光功率聚集到与入射光束的方向相反的R_-1反射衍射级并将入射光功率通过所述衍射光栅聚集到T₀透射衍射级，特征在于，所述衍射光栅(3)是倾斜型。

2.如权利要求1所述的装置(1)，其中所述衍射光栅(3)对非偏振光被最优化。

3.如权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述装置(1)的操作波长是可调节的，例如通过旋转或拉伸所述衍射光栅(3)来调节。

4.如权利要求1到3中任一项所述的装置(1)，其中所述入射角θ在35-55度的范围内，优选地为大约45度。

5.如权利要求1到4中任一项所述的装置(1)，其中所述光源(2)是激光二极管。

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