CN102096204A - 宽带角度选择激光滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带角度选择激光滤波器，其中包括用于对入射激光进行第一次衍射的第一面光栅以及对从所述面光栅出射的衍射光进行第二次衍射的布拉格体光栅，所述面光栅的光栅周期为所述布拉格体光栅的光栅周期的两倍。本发明的宽带角度选择激光滤波器根本不同于使用透镜和针孔的传统空间滤波器，结构紧凑；滤波器衍射光谱较宽，同时兼具对各光谱成分优秀的低通滤波能力，能满足短脉冲和超短脉冲激光空间滤波的要求；可承载的激光功率较高，消除了聚焦激光造成堵孔效应和烧毁滤波元器件的可能。

Description

宽带角度选择激光滤波器

技术领域

本发明涉及光学滤波领域，更具体地说，涉及一种兼具角度选择滤波能力和宽带输出能力的宽带角度选择激光滤波器。

背景技术

高功率激光对各种空间干扰很敏感，各类干扰所导致的衍射会降低激光的空间均匀性，提高激光的近场均匀性有助于提高高功率激光装置的负载能力。

在高功率激光装置中，空间滤波器是必不可少的关键器件。传统的针孔滤波器(“4f”系统)是最常用的空间滤波器之一。它首先使光束聚焦，利用透镜的傅里叶变换作用分开激光中不同的空间频率成分，空间频率高的发散角大，然后利用针孔(或单模光纤)选取所需的角谱分量，去除有害光噪音。孔径决定光斑的大小，针孔直径控制滤波的程度，实现低通空间滤波。但是，针孔滤波器在高功率激光系统中的应用有局限：除了准直困难，造价高昂外，高功率激光聚焦可能会损坏针孔或使空气离子化，在外光路中亦可使空气电离，影响光束质量，甚至破坏激光系统；还有聚焦后非线性效应的增长等。

现已建成的高功率激光驱动器中，采用的是独立的空间滤波器，其占地面积大，造价高昂。下一代高功率激光驱动器计划中，拟采用全新的光束传输控制技术取代独立的空间滤波技术。布拉格体光栅由于其具有优秀的角度和光谱选择性，对光束传输和空间滤波技术具有革命性的意义。

近年来，超短脉冲技术取得了长足进步，可以获得脉宽窄、带宽大、峰值功率高、波长可调的超短光脉冲(脉宽量级为10^-12～10^-15秒)，超高强度激光脉冲的传输与控制问题也是强激光科学技术领域的重要内容。为了全面提升高功率激光脉冲的综合控制能力，需要研究和发展基于新原理、新技术和新材料的“全域”控制技术与功能器件。基于布拉格体光栅的近场滤波技术可以有效地消除中高频的影响、抑制光束旁瓣，有效控制放大自发辐射的传输以及激光的近场光束分布，极大地提高系统的可靠性，降低驱动器的体积和成本，是当今激光技术发展的主要单元技术之一，对于促进高功率激光技术的发展具有重要的意义。

国内可见一种体全息光栅整形装置，其用途是对超短脉冲激光束进行整形(中国专利200610024096.0)；可见一种窄带光滤波器，由一块透射式体布拉格光栅和一块反射式体布拉格光栅组合而成的公开专利报道(中国专利200910089834.3)，获得皮米量级激光输出；可见一种高功率激光衍射型空间滤波器，使用了分离式体积布拉格光栅或双片集成式光栅的公开专利报道(中国专利200910312157.7)。可见一种超短脉冲激光滤波装置，由同光轴依次设置的第一1/4波片、第一正透镜、小孔光阑、非线性正色散透明固体材料、第二正透镜、第二1/4波片和检偏器构成，所述非线性正色散透明固体材料为BK7玻璃的公开专利报道(中国专利200710038661.3)。可见国防科技大学光电科学与工程学院郑光威等人发表的公开文献报道(郑光威，何焰蓝等，“透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波”，《光学学报》，2009年29卷第4期；郑光威，刘莉等，“透射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性研究”，《光学学报》，2009年29卷第1期；郑光威，谭吉春等，“反射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性分析”，《光学学报》，2009年第12期)研究了体相位光栅对激光的衍射特性，这与应用体光栅制作成滤波器有关联性；可见用于实现空间滤波的体布拉格光栅的制备，用全息法在光致聚合物中记录了体布拉格光栅，完成了激光光束二维空间低通滤波的实验的公开文献报道(郑浩斌，何焰蓝等，“用于实现空间滤波的体布拉格光栅的制备”，《光电工程》，2009年第1期)。上述所报道的滤波器构型满足窄带滤波的需要，不支持宽带激光输出。空间滤波器大多用于信息通讯领域，在激光技术领域有见于报道的滤波器多是窄带滤波器，而可用于高功率脉冲激光系统的宽带空间滤波器(可支持100nm输出带宽)尚未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术的上述空间滤波器仅满足窄带滤波的需要、不支持宽带激光输出的缺陷，提供一种兼具角度选择滤波能力和宽带输出能力的宽带角度选择激光滤波器。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：构造一种宽带角度选择激光滤波器，其中包括用于对入射激光进行第一次衍射的第一面光栅以及对从所述第一面光栅出射的衍射光进行第二次衍射的布拉格体光栅，所述第一面光栅的光栅周期为所述布拉格体光栅的光栅周期的两倍。

进一步的技术方案，所述宽带角度选择激光滤波器还包括对从所述布拉格体光栅出射的衍射光进行第三次衍射的第二面光栅。

在本发明所述的宽带角度选择激光滤波器中，所述第一面光栅、所述第二面光栅以及所述布拉格体光栅均为透射型光栅，所述布拉格体光栅为位相型布拉格体光栅。

上述技术方案中，所述布拉格体光栅可由光致热敏折射率玻璃制备而成。

所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的多组分硅酸盐玻璃。

在本发明所述的宽带角度选择激光滤波器中，所述布拉格体光栅为匀周期体光栅。

优选的技术方案，所述布拉格体光栅为双块组合式透射型位相布拉格体光栅。

所述布拉格体光栅可以由两块光栅栅纹相互垂直的子体光栅组合而成；也可以由两块光栅栅纹平行的子体光栅组合而成。

优选的技术方案，组成所述布拉格体光栅的两个子体光栅的光栅厚度不同。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明结合了面光栅的良好的色散能力和体光栅的良好的角度选择性，使空间滤波器兼具良好的角度选择滤波能力和良好的宽带输出能力。

2、在本发明的优选技术方案中，第二面光栅的设置使正入射光束以正出射方式输出。透射型布拉格体光栅可以很好地实现角度选择滤波并且位相型的布拉格体光栅可以实现位相的调制。采用光致热敏折射率玻璃制备的布拉格体光栅热稳定性好，可承载的激光功率较高。采用匀周期体光栅和组合式体光栅可以达到更好的滤波效果。子体光栅采用栅纹相垂直的结构实现对入射光的二维空间滤波。子体光栅采用栅纹平行的结构消除经单块体光栅滤波后残留的空间频率成分，获得无旁瓣的滤波效果。

附图说明

图1是本发明的宽带角度选择激光滤波器的第一优选实施例的结构示意图；

图2是本发明的宽带角度选择激光滤波器的第二优选实施例的结构示意图；

图3是布拉格体光栅的角度选择模拟图；

图4是布拉格体光栅的光谱选择模拟图；

图5是本发明的宽带角度选择激光滤波器的优选实施例的光谱选择模拟图；

图6是本发明的宽带角度选择激光滤波器的优选实施例的角度选择模拟图；

图7是由两块光栅栅纹相互垂直的子体光栅组合而成的布拉格体光栅的结构示意图；

图8是由两块光栅栅纹平行的子体光栅组合而成的布拉格体光栅的结构示意图；

图9是采用图8所示的布拉格体光栅的旁瓣抑制滤波模拟图；

图10是布拉格体光栅内的光波矢量关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种不用透镜和针孔的、承载激光功率较高的衍射型宽带角度选择激光滤波器；本宽带角度选择激光滤波器突破了窄带滤波器的带宽限制，可获得宽带激光输出(输出带宽和中心波长可调谐)，满足短脉冲和超短脉冲激光空间滤波的需求，结构简单，效率高。

在图1所示的本发明的宽带角度选择光滤波器的第一优选实施例的结构示意图中，所述宽带角度选择光滤波器包括第一面光栅1和布拉格体光栅2，第一面光栅1用于对入射光进行第一次衍射，布拉格体光栅2用于对从第一面光栅1出射的衍射光进行第二次衍射，第一面光栅1的光栅周期与布拉格体光栅2的光栅周期相匹配，如第一面光栅1的光栅周期为布拉格体光栅2的光栅周期的两倍。

布拉格体光栅2用作角度选择滤波元件具有优秀的角度、波长选择特性以及较高的衍射效率，被认为是理想的光谱和角度选择器件，具有很高的可调性。入射角、衍射角、中心波长、角度(光谱)选择性等参数，可以通过改变光栅厚度、折射率调制度、光栅周期、栅线倾斜角等光栅结构参数来调节。布拉格体光栅2优秀的光学性能主要表现在：

(1)角度选择达0.1～10mrad(透射型)，或10～100mrad(反射型)；

(2)光谱选择性达0.3～20nm(透射型)，或0.01～10nm(反射型)；

(3)衍射效率高，633nm到1550nm范围可达99％(透射型)或97％(反射型)；

(4)损伤阈值高，对于1ns的YAG激光，损伤阈值可以达到7～10J/cm²，对于8～10ns的激光可达30～40J/cm²；

(5)损耗小，光栅损耗小于2.5％。

传统空间滤波器通过透镜将入射光在远场聚焦，布拉格体光栅2则是在光束近场直接进行空间滤波，成功克服了广泛使用的针孔滤波方式在焦平面处光强过高，易导致击穿周边材料甚至“堵孔效应”等不利因素。

布拉格体光栅角度滤波的原理：对透射型布拉格体光栅，当入射光偏离布拉格角时，一部分光直接透射，另一部分光束则被衍射。根据傅里叶光学原理，任意分布的光束可展开为无数个平面波的叠加，平面波传播方向与光束中的空间频率成分一一对应。布拉格体光栅具有良好的角度敏感性和选择性，光束中不同的空间频率成分经体光栅衍射后，中高频成分发散角偏离布拉格角大，几乎不能被体光栅衍射，因此在衍射光束中中高频成分基本被滤除。

但是，为了提高高功率激光的近场均匀性，抑制非线性效应的增长，空间滤波器需要有很好的角度选择性，则需要增加布拉格体光栅2的厚度，后果是布拉格体光栅2的光谱选择性也非常好，即衍射光光谱带宽很小，无法获得宽带激光输出。因此布拉格体光栅2广泛应用在窄带空间滤波器中，具有很好的角度选择性，但是仅对固定波长或者窄带宽有用。透射型面光栅用作色散元件，没有角度选择性，但具有很好的色散能力，且不论入射光束的角度和光谱成分如何，总有对应方向的衍射光，并且衍射角对应于波长。本发明的宽带光滤波器，它是由第一面光栅1和布拉格体光栅2组合而成，结合第一面光栅1的色散能力和布拉格体光栅2的角度选择性，其效果是兼具宽带输出能力及角度选择滤波能力。

第一面光栅1和布拉格体光栅2的光栅周期需要匹配，具体说二者的光栅周期必须满足：第一面光栅1的光栅周期为布拉格体光栅2的光栅周期的两倍。这样正入射光束经第一面光栅1衍射后入射到布拉格体光栅2时其光谱成分完全满足布拉格体光栅2的布拉格条件。

详细分析如下：

由Kogelnik的耦合波理论，有吸收的位相型体光栅的衍射效率为

其中负指数项为吸收因子，C_R、C_I为倾斜因子。

布拉格入射，所以参量Γ＝0；栅线倾斜，有C_R≠C_I。公式(1)中，

Y＝0

${\ℵ}_r=\frac{1}{2}{D}_0(1-\frac{C_R}{C_I}),$

衍射效率公式化简为：

在吸收系数α₀很小的情况下，假设

则有

设

则

$=\exp \left(\mathrm{ja}\right)-\exp (-\mathrm{ja})$

$=(\cos a+j\sin a)-(\cos a-j\sin a)=2j\sin a$

所以，

衍射效率：

$\mathrm{\η}=\frac{C_R}{C_I}{I}_0\left(\mathrm{\δ}\right){I_0}^{*}\left(\mathrm{\δ}\right)$

其中，

C_R＝cosΨ，

各矢量关系如图10所示。

Ψ为照明光波在介质中的入射角，φ为光栅矢量与z轴的夹角，光栅倾斜角为θ₁，布拉格角θ_b＝Ψ_b+θ₁。

因为， $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_1,$ 故

$\cos \mathrm{\φ}=\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_1)=\sin {\mathrm{\θ}}_1$

$C_I=\frac{K_D\cos \mathrm{\ψ}-k_F\sin {\mathrm{\θ}}_1}{k_D}$

考虑到实际光栅倾斜角很小，以532nm体光栅为例，其倾斜角为0.03°，若取近似：

sinθ₁≈0

则，

$\left\{\begin{array}{c}{C}_R=\cos \mathrm{\ψ}\\ C_I=\cos \mathrm{\ψ}=C_R\end{array}\right.,$

衍射效率公式(3)简化为

其中，Ψ＝θ_b-θ₁(定义布拉格入射时照明光波矢与光栅峰值强度面的夹角为布拉格角)。

公式(4)的约束条件：

由于入射体光栅的光束始终满足其布拉格条件，所以参量

$\mathrm{\Γ}=k_F\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})-\frac{{k_F}^2\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\πn}}_0}=0$

即

$\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})=\frac{k_F\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\πn}}_0}$

$\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})\≈\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ψ})=\sin \mathrm{\ψ}=\frac{k_F\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\πn}}_0}$

$\⇒\sin \mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{\λ}}{{2\mathrm{\Λn}}_0}$

若不取近似，衍射效率公式即为公式(3)，公式中各参量的表达式在上文中陆续已有交代，现归纳如下：

$D_0=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{\δ}}{C_R}=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\ψ}}$

$\left\{\begin{array}{c}{C}_R=\cos \mathrm{\ψ}\\ C_I=\cos \mathrm{\ψ}-\frac{k_F\sin {\mathrm{\θ}}_1}{k_D}=\cos \mathrm{\ψ}-\frac{\mathrm{\λ}\sin {\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{\Λn}}_0}\end{array}\right.$

${\ℵ}_r=\frac{1}{2}{D}_0(1-\frac{C_R}{C_I}),$

其中，α₀为吸收常数；δ为光栅厚度，n₁为折射率调制度，λ为空气中的波长，Ψ为光波在介质中的入射角，Λ为光栅周期，θ₁为光栅倾斜角(相对于z轴)。

由推导所得的衍射效率公式可以指导体光栅结构参数的设计，以实现所需的衍射带宽。

图3和图4为一透射型布拉格体光栅的角度选择模拟图和光谱选择模拟图。图3是在入射光波长为1064nm时布拉格体光栅的角度选择模拟图，在入射角为8.97°时衍射效率峰值为97％，角度选择性的FWFZ(Full Width First Zero：第一零值全宽)为0.15°；图4是在入射角为8.97°时布拉格体光栅的光谱选择模拟图，在入射波长为1064nm时衍射效率峰值为97％，光谱选择性的FWFZ为18nm。此布拉格体光栅的参数为：布拉格波长1064nm，光栅厚度3.54mm，光栅周期为3.49μm，光栅栅线倾斜角为0.14°。

本发明的宽带角度选择激光滤波器可实现宽带滤波，如支持带宽30nm的激光输出；带宽范围内各光谱成分衍射效率的变化低于一定比例，如10％；在宽带输出的同时，对带宽范围内各光谱成分具有较好的角度选择性，空间滤波能力至少接近同等条件下的窄带滤波器。

本实施例采用的布拉格体光栅2的光栅周期为0.59μm，平均折射率为1.49，折射率调制度为560ppm，光栅厚度为0.85mm，栅线倾斜角为0.14°。图5所示为本实施例的宽带角度选择光滤波器的光谱选择模拟图，完全满足30nm的宽带输出，在带宽范围内，衍射效率的变化小于1％。图6所示为本实施例的宽带角度选择光滤波器的角度选择模拟图，以带宽范围内1060nm单色光谱为例，角度选择性的FWFZ约为0.8mrad。

因此本发明结合了面光栅的良好的色散能力和体光栅良好的角度选择性，使空间滤波器兼具良好的角度选择滤波能力和宽带输出能力。

在图2所示的本发明的宽带角度选择光滤波器的第二优选实施例的结构示意图中，所述宽带角度选择光滤波器还包括第二面光栅3，第二面光栅3用于对从布拉格体光栅2出射的衍射光进行第三次衍射。本实施例为优化输出的宽带角度选择光滤波器，本实施例中使用了第二面光栅3，目的是使正入射光束以正出射方式输出。布拉格体光栅2的结构参数的设计方法与第一优选实施例相同。

作为本发明的宽带角度选择光滤波器的优选实施例，第一面光栅1、第二面光栅3以及布拉格体光栅2均为透射型光栅，布拉格体光栅2为位相型布拉格体光栅。透射型光栅可以很好的实现宽带角度选择光滤波器并且位相型布拉格体光栅可以实现位相的调制。

作为本发明的宽带角度选择光滤波器的优选实施例，布拉格体光栅2长度和宽度为5～40mm，单块厚度为1～10mm。布拉格体光栅2不是用普通全息材料(卤化物银感光乳液、二色性凝胶、感光性树脂等)制备的，这些材料在热处理过程中会收缩，对于湿度也很敏感，不能承受高功率激光辐照。本发明所用的布拉格体光栅2是以光致热敏折射率(Photo-Thermo-Refractive：PTR)玻璃为材料制备而成。PTR玻璃是目前制备体布拉格光栅的理想材料，其独特的光学特性主要表现在：(1)工作波长范围400～2700nm，适合近紫外到近红外的各种应用；(2)折射率调制度可达1200ppm；(3)空间频率0～10000mm^-1；(4)热稳定性好，可达400℃，空间畸变小于10^-4；(5)表面激光破坏阈值高，达32～40J/cm²(脉宽8ns)，或8～10J/cm²(脉宽1ns)。

作为本发明的宽带角度选择光滤波器的优选实施例，布拉格体光栅2为一块或双块组合式透射型匀周期位相布拉格体光栅。当采用双块组合式时，组成布拉格体光栅2的子体光栅的光栅栅纹相互垂直或者相互平行。组成布拉格体光栅2的两个子体光栅的光栅厚度不同。如图7所示，组合式布拉格体光栅由两块匀周期子体光栅构成，均为透射型；两块体光栅的结构参数有所不同，如第二块的厚度大于第一块；两块光栅栅纹相互垂直，并置于两个面光栅之间。此设计可以实现对入射光束的二维空间滤波。如图8所示，组合式布拉格体光栅仍由两块投射型匀周期子体光栅构成，所不同的是两块体光栅栅纹相平行，并置于两个面光栅之间。此设计可以消除宽带角度选择光滤波器中经单块体光栅滤波后残留的空间频率成分，如图9所示，采用两块光栅栅纹平行的子体光栅后获得基本无旁瓣的滤波效果。

综上所述，本发明的宽带角度选择激光滤波器具有以下有益效果：

(1)采用布拉格体光栅2作为角度选择元件，滤波效果好；

(2)支持宽带光源(10nm量级)，满足超短脉冲激光空间滤波的需求；

(3)采用PTR玻璃作为制备体光栅的材料，可承载的激光功率较高；

(4)不改变入射光的偏振态；

(5)插入损耗低，衍射效率高；

(6)结构简单，容易实现；

(7)稳定性好，抗干扰能力强。

Claims (10)

1. 一种宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：包括用于对入射光进行第一次衍射的第一面光栅（1）以及对从所述第一面光栅（1）出射的衍射光进行第二次衍射的布拉格体光栅（2），所述第一面光栅（1）的光栅周期为所述布拉格体光栅（2）的光栅周期的两倍。

2. 根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述宽带角度选择激光滤波器包括对从所述布拉格体光栅（2）出射的衍射光进行第三次衍射的第二面光栅（3）。

3. 根据权利要求2所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述第一面光栅（1）、所述第二面光栅（3）以及所述布拉格体光栅（2）均为透射型光栅，所述布拉格体光栅（2）为位相型布拉格体光栅。

4. 根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述布拉格体光栅（2）由光致热敏折射率玻璃制备而成。

5. 根据权利要求4所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的多组分硅酸盐玻璃。

6. 根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述布拉格体光栅（2）为匀周期体光栅。

7. 根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述布拉格体光栅（2）为双块组合式透射型位相布拉格体光栅。

8. 根据权利要求7所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述布拉格体光栅（2）由两块光栅栅纹相互垂直的子体光栅组合而成。

9. 根据权利要求7所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：所述布拉格体光栅（2）由两块光栅栅纹平行的子体光栅组合而成。

10. 根据权利要求8或9所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于：组成所述布拉格体光栅（2）的两块子体光栅的光栅厚度不同。

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