CN102305953B - 一种低频光栅及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种衍射光学元件及其制备方法，具体涉及一种低频高衍射效率全息光栅及其制备方法。本发明采用两块空间频率之差为低频的高频透射VPHG进行复合使用，在得到与单块低频透射VPHG相同的衍射光场分布的同时，其衍射效率性能得到很大提高，尤其是在0.42μm～1.00μm光谱范围内，峰值衍射效率可提高到97%以上，并且其平均衍射效率也得到了明显的提高。按本发明提供的技术方案，解决了低空间频率光栅的低衍射效率问题，为超分辨成像光谱仪的研制提供了一种高性能色散元件。

Description

一种低频光栅及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种衍射光学元件及其制备方法，具体涉及一种具有高衍射效率的低频全息光栅及其制备方法。
背景技术
透射体位相全息光栅（VPHG）具有衍射效率高、噪声低、分辨率高等优点，广泛应用于天文光谱学、超快激光以及波分复用等技术领域。采用重铬酸盐明胶（DCG）全息记录材料可制作体位相全息光栅、波分复用器件（WDMs）、偏振分束器、窄带滤光片以及全息透镜等全息光学元件。衍射效率是透射体位相全息光栅的重要性能指标之一，如何提高透射VPHG的衍射效率，对于全息光学元件的应用具有重要意义。一般情况下，空间频率为每毫米几个线对到一两百线对左右的光栅被称为低频光栅，相对而言，空间频率为1000lp/mm左右或者更高的光栅被称为高频光栅。在宽光谱范围光谱仪器中，可以使用低空间频率透射光栅作为色散元件，但当光栅空间频率较低时，全息记录介质DCG的体效应不明显，光栅的衍射效率低，大大降低了光能利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高衍射效率的低频光栅及其制备方法，通过采用复合双光栅结构实现单片低频全息光栅的衍射效果，达到大幅度提高低频光栅衍射效率的目的。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种低频光栅，它的空间频率为f0；所述的低频光栅包括两块空间频率不同的高频光栅，它的最高衍射效率达到95%以上；所述的高频光栅，它们的空间频率之差为f0；它们的介质面相邻胶合于一体，两块高频光栅的条纹倾角互补。
一种低频光栅的制备方法，包括如下步骤：
（1）在全息光学记录系统中分别记录两块高频光栅，它们的空间频率之差为f0，两块光栅的条纹倾角相同；
（2）按记录光栅所选用的全息记录介质，对两块高频光栅进行后处理；
（3）将两块高频光栅的介质面相邻胶合在一起，得到由两块空间频率不同的高频光栅构成的低频光栅。
在本发明中，所述的全息记录介质为重铬酸盐明胶。
下面从光栅的记录和光栅的再现两个方面对本发明的原理作进一步阐述：
1、光栅的记录
参见附图1，它是透射光栅记录的原理示意图；用于记录透射VPHG的物光、参考光均为波长为λ的相干平行光，入射到记录介质H上，入射角分别为                                               ，， 记录时物光O和参考光R在记录介质H表面上的复振幅分布为：
Figure 2011102656825100002DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2011102656825100002DEST_PATH_IMAGE008
 ；                                        （1）
式中，
Figure 2011102656825100002DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
分别为记录时物光和参考光的振幅，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
分别为记录时物光和参考光的位相，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；（k为波矢；x为光源在x轴上的坐标值）。
物光和参考光叠加以后的强度I分布可以表达为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE024
                           （2）
其峰值强度面由决定，（m为衍射级次）；间距Δx为 
Figure DEST_PATH_IMAGE028
  ；
对于位相型记录介质，在线性记录条件下，透射系数可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
                （3）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；用贝塞尔函数展开，可得到其正负一级衍射像：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
                                            （4）
2、光栅的再现
若照明光波C为：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，则照明光波通过光栅后的正、负一级衍射光波可以写为：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
                                       （5）
其中，正一级衍射光波的位相分布
Figure DEST_PATH_IMAGE042
则为：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
                                             （6）
对于单块低频光栅，若单块低频光栅的空频为
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，则由光栅方程得到
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，代入式（6）中，可得到其正一级衍射光波的位相分布
Figure 736554DEST_PATH_IMAGE042
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
                                   （7）
对于双高频复合光栅，若将空间频率分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
的两块高频光栅
Figure DEST_PATH_IMAGE060
叠加使用，照明光波经过光栅
Figure DEST_PATH_IMAGE062
之后正一级衍射光场分布为：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
                              （8）
取
Figure 130758DEST_PATH_IMAGE062
光栅的正一级衍射光作为光栅
Figure DEST_PATH_IMAGE066
的入射光，将式（8）代入式（5）中可以得到光栅
Figure 528241DEST_PATH_IMAGE066
的负一级衍射光场分布为：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
                                     （9）
此时，负一级衍射光场位相分布为：
Figure DEST_PATH_IMAGE070
                    
Figure DEST_PATH_IMAGE072
                    
Figure DEST_PATH_IMAGE074
                             （10）
比较式（7）和式（10）可以看出，当两个高频光栅的空间频率满足
Figure DEST_PATH_IMAGE076
时，并且取
Figure 696310DEST_PATH_IMAGE062
的正一级衍射光作为
Figure 775125DEST_PATH_IMAGE066
的再现光，
Figure 335419DEST_PATH_IMAGE066
的衍射光取负一级，可以得到与空间频率为
Figure 841487DEST_PATH_IMAGE046
的单片光栅完全相同的相位分布。同理，取
Figure 120021DEST_PATH_IMAGE062
的负一级衍射光作为
Figure 2527DEST_PATH_IMAGE066
的再现光，
Figure 417328DEST_PATH_IMAGE066
的衍射光取正一级，也可以得到相同的相位分布，此时，两光栅的空间频率应该满足
Figure DEST_PATH_IMAGE078
。因此，采用本发明技术方案，通过采用复合双光栅结构，能够实现单片低频全息光栅的衍射效果，达到大幅度提高低频光栅衍射效率的目的。
与现有技术相比，采用本发明所述的技术方案具有以下明显的进步和优点：
1、由于采用高频光栅的复合结构，不仅得到了与低频光栅相同的衍射效果，而且使衍射效率得到大幅度提高。
2、根据光栅方程可知，光栅的空间频率越高，记录时两束平行光夹角越大，本发明采用较高的光栅空间频率，可大大降低搭建全息光学记录系统的难度和误差，降低生产成本。
附图说明
图1是透射光栅的记录示意图；
图2是本发明技术方案提供的一种双高频复合光栅的结构示意图；
图3是采用普通的全息记录方法提供的单片低频光栅的衍射效率与波长关系的曲线图； 
图4是本发明一个实施例提供的一种双高频复合光栅的衍射效率与波长关系的曲线图；
图5是本发明另一个实施例提供的一种双高频复合光栅的衍射效率与波长关系的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
参见附图1，它是透射光栅的记录示意图；本实施例构建的光栅制作系统由全息光学系统和记录基底两部分构成，全息光学系统用于产生全息记录干涉光场，光栅记录系统，采用两束相干平行光 O光和R光将光栅记录到介质H上。
记录波长为488nm，分别对两高频光栅进行记录。光栅1空间频率为900lp/mm，记录介质DCG厚度为3.0μm，折射率调制度为0.1，条纹倾角（即峰值强度面法线与光栅表面法线之间的夹角）为80o；光栅2空间频率为704lp/mm，记录介质厚度为3.0μm，折射率调制度为0.1，条纹倾角为100o；光栅1与光栅2的空频之差为196lp/mm。
按现有技术对两块光栅进行后处理，由于DCG记录材料对环境的温度、湿度等参数极其敏感，曝光量、显影定影以及水浴时间、水温等条件对光栅质量有很大影响，在实际生产中需要优化处理条件，使光栅的衍射效率达到最优。
将光栅2反转180o，使其介质面与光栅1介质面相邻，此时，两光栅条纹倾角互补，光栅1和光栅2的介质面相邻并复合于一体。参见附图2，它是本实施例提供的一种双高频复合光栅的结构示意图，该高频双光栅的复合结构可替代空间频率为196lp/mm的单片低频光栅使用。由于196lp/mm光栅在记录时两相干光间的夹角很小为2.741o，在搭建记录光路时存在一定困难，并且得到的全息光栅衍射效率很低。而由高频复合光栅代替不仅可以得到与之相同的光场分布，解决衍射效率低的问题，而且大大降低搭建全息光学记录系统的难度和误差，降低生产成本。
采用普通的全息记录方法记录单片低频光栅与本发明方法制作的复合结构低频光栅进行比较。采用普通的全息记录方法记录单片低频光栅，光栅的空间频率为196lp/mm，记录波长488nm，两束平行光对称入射，此时峰值强度面垂直于光栅表面，记录介质厚度为4μm，折射率调制度为0.053。再现光光谱范围为0.42μm～1.00μm，入射角为光谱范围中心波长0.71μm处的布拉格角（即介质外入射角θ=3.99°）。
参见附图3，它是该空间频率为196lp/mm光栅的衍射效率-波长关系的曲线图，从图中可以看出，光栅的衍射效率在0.59μm附近达到最大值47.53%，0.42μm和 1.00μm处的衍射效率为30%左右，在整个光谱范围内平均衍射效率为40%。
参见附图4，它是本实施例提供的双高频复合光栅的衍射效率-波长关系的曲线图，从图中可以看出，在0.64μm附近，复合光栅输出的衍射效率可达到95.65%，0.42μm和 1.00μm处的衍射效率为30%，在0.44μm～0.95μm范围内的衍射效率则大于30%，在整个光谱范围内平均衍射效率达到70.07%。
实施例2
采用实施例1的复合结构低频光栅制作方法，改变复合结构中两高频光栅的频率，记录波长仍然采用488nm。光栅1的空间频率为900lp/mm，记录介质厚度为3μm，折射率调制度为0.1，条纹倾角为83°；光栅2的空间频率为1096lp/mm，记录介质厚度为3μm，折射率调制度为0.1，条纹倾角为97o。对两块光栅进行后处理后，再将光栅1和光栅2的介质面相邻并复合于一体，得到空间频率为196lp/mm的低频光栅。
参见附图5，它是本实施例提供的复合光栅的衍射效率-波长关系的曲线图；从图中可以看出，复合光栅的衍射效率在0.63μm附近达到97.16%，在0.42μm和 1.00μm处的衍射效率大于30%，在0.449μm～0.906μm范围内的平均衍射效率为71.49%。
对比图3、图4和图5的结果可以看到，本发明采用两块空间频率差为低频的高频透射VPHG进行复合使用，在得到与单块低频透射VPHG相同的衍射光场分布的同时，其衍射效率性能得到很大提高，尤其是在0.42μm～1.00μm光谱范围内，峰值衍射效率可提高到97%以上，并且其平均衍射效率也得到了明显的提高。按本发明提供的技术方案，解决了低空间频率光栅的低衍射效率问题，为超分辨成像光谱仪的研制提供了一种高性能色散元件。

Claims (3)

1.一种低频光栅，其特征在于：所述的低频光栅包括两块空间频率不同的高频光栅，低频光栅的最高衍射效率达到95%以上；所述的高频光栅，它们的空间频率之差为f0，f0为低频光栅的空间频率；它们的介质面相邻胶合于一体，两块高频光栅的条纹倾角互补，所述条纹倾角为峰值强度面法线与光栅表面法线之间的夹角；取第一个高频光栅G1的正一级衍射光作为第二个高频光栅G2的再现光，第二个高频光栅G2的衍射光取负一级，或者取第一个高频光栅G1的负一级衍射光作为第二个高频光栅G2的再现光，第二个高频光栅G2的衍射光取正一级。
2.一种如权利要求1所述的低频光栅的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）在全息光学记录系统中分别记录两块高频光栅，它们的空间频率之差为f0，两块光栅的条纹倾角互补，所述条纹倾角为峰值强度面法线与光栅表面法线之间的夹角；
（2）按记录光栅所选用的全息记录介质，对两块高频光栅进行后处理；
（3）将两块高频光栅的介质面相邻胶合在一起，得到由两块空间频率不同的高频光栅构成的低频光栅。
3.根据权利要求2所述的低频光栅的制备方法，其特征在于：所述的全息记录介质为重铬酸盐明胶。
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