CN102902002B - 一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法。包括以下步骤：（1）将待曝光的光栅材料的表面进行抛光；（2）在光栅出射面上镀有反射膜；（3）用一束平行的紫外光从光栅入射面照射光栅材料，反射的紫外光在光栅材料内部和入射的紫外光进行干涉，从而形成干涉条纹；（4）干涉条纹周期Λ=λ/(2nsinα)；（5）保持入射的紫外光和光栅材料的位置5分钟至1小时，至此紫外曝光过程结束。本发明的紫外曝光方法针对反射式体全息布拉格光栅而设计，通过在光栅材料的后表面镀高反射膜，从而只用一束紫外激光照射光栅材料就可以在光栅材料内部形成干涉条纹，不再需要将紫外激光分为两束然后再干涉，从而大大简化了紫外曝光装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法。
背景技术
光栅作为一种重要的光学器件，按照光栅结构分类，可以将其分为平面光栅和体全息光栅两种，这主要是根据记录在介质中的光栅厚度与记录的干涉条纹间距相比较而言的。当两相干光束在介质内相互作用，形成三维光栅状全息图，便将其称之为体全息光栅。体全息光栅有着很多平面光栅无法取代的优点，例如通过改变体全息光栅的厚度和光栅的空间频率的体全息布拉格光栅可以获得极高的光谱选择性和角度选择性。近年来研究的光热折变PTR（photo-thermo -refractive) 玻璃，克服了以往的各种研究中采用的诸如光折变晶体LiNbO3、聚合物、重铬酸钾凝胶等多种光敏介质的缺点，具有在强激光辐照下仍然坚固耐用不损坏、变形小的极具使用意义的优越特性，从而使得体全息布拉格光栅的广泛应用成为可能。
体全息布拉格光栅的刻写一般通过两个步骤完成，第一步是紫外曝光，即通过两束激光照射并相互干涉以后形成干涉条纹，将PTR玻璃放置在干涉条纹的位置，使得材料特性发生周期性变化，形成体光栅“潜相”；第二步是对紫外光照后的PTR玻璃进行微晶化热处理工艺，从而形成折射率永久调制的体全息布拉格光栅。紫外曝光的过程决定了体全息布拉格光栅的空间频率和布拉格角，从而最终决定了光栅的最终特性。
现有的对于体全息布拉格光栅进行紫外曝光的方法一般是采用马赫—曾德干涉法，就是将一束紫外激光分成等光强的两束，然后再使两束激光在空间重叠后干涉，从而形成干涉条纹。通过调整两束光的夹角来改变干涉条纹的空间频率，通过调整光栅材料放置的角度来改变布拉格角。这种方法的优点是适用范围广，无论是反射式体全息布拉格光栅还是透射式体全息布拉格光栅都可以用这种方法进行曝光，缺点是装置复杂，改变某一光栅参数后需要对整个装置多处进行调节。
提出一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法，这种方法专门针对反射式体全息布拉格光栅而设计，通过在光栅材料的后表面镀高反射膜，从而只用一束紫外激光照射光栅材料就可以在光栅材料内部形成干涉条纹，不再需要将紫外激光分为两束然后再干涉，从而大大简化了紫外曝光装置，而且使用这种方法后，可以非常方便地调节光栅参数，从而获得不同特性的反射式体全息布拉格光栅。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法。
反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法包括以下步骤：
（1）将待曝光的光栅材料3的表面进行抛光，使光栅入射面4和光栅出射面5的表面粗糙度达到Ra < 0.01μm，Ra为轮廓算术平均偏差，光栅入射面4与光栅出射面5平行或者光栅入射面4与光栅出射面5之间的夹角β为1～20度；
（2）在光栅出射面5上镀有紫外光波段反射率大于90%的高反射膜；
（3）用一束平行的紫外光1从光栅入射面4照射光栅材料3，紫外光1入射至光栅材料3内部后到达光栅出射面5，被光栅出射面5上的高反射膜反射，反射的紫外光2在光栅材料3内部和入射的紫外光1进行干涉，从而形成了强度周期性变化的干涉条纹6；
（4）干涉条纹6周期Λ = λ / (2 n sinα)，其中，λ为入射紫外光的波长，n为光栅材料的折射率，α为光栅材料3内入射的紫外光1和光栅出射面5的夹角；
（5）保持入射的紫外光1和光栅材料3的位置，使干涉条纹6在光栅材料3内部保持5分钟至1小时，光栅材料3的特性发生了周期性变化，体全息布拉格光栅的周期和干涉条纹的周期一致，至此紫外曝光过程结束；
所述的光栅材料3为光热折变PTR玻璃或光折变晶体。所述的紫外光波段反射率大于90%的高反射膜为介质膜或金属膜。所述的介质膜的材料为氧化铪，金属膜的材料为铝。
本发明的紫外曝光方法专门针对反射式体全息布拉格光栅而设计，通过在光栅材料的后表面镀高反射膜，从而只用一束紫外激光照射光栅材料就可以在光栅材料内部形成干涉条纹，不再需要将紫外激光分为两束然后再干涉，从而大大简化了紫外曝光装置。同时，由于不需要将入射激光分为两束，所以在相同的入射功率条件下，形成干涉条纹的对比度更高，使得形成的体全息布拉格光栅的折射率调制度更高，可以获得更高的衍射效率。而且使用这种方法后，可以非常方便地调节光栅的周期和倾斜角等参数，从而获得不同特性的反射式体全息布拉格光栅。
附图说明
图1是反射式体全息布拉格光栅紫外曝光装置的示意图；
图2是光栅材料的入射面和出射面有一定夹角时，反射式体全息布拉格光栅紫外曝光装置的示意图；
图中：入射紫外光1、反射紫外光2、光栅材料3、光栅入射面4、光栅出射面5、干涉条纹6、光栅波矢7、光栅入射面的法线8。
具体实施方式
本发明通过在光栅材料的后表面镀高反射膜，从而只用一束紫外激光照射光栅材料就可以在光栅材料内部形成干涉条纹，不再需要将紫外激光分为两束然后再干涉，从而大大简化了反射式体全息布拉格光栅的紫外曝光装置，。
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1、2所示，反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法包括以下步骤：
（1）将待曝光的光栅材料3的表面进行抛光，使光栅入射面4和光栅出射面5的表面粗糙度达到Ra < 0.01μm，Ra为轮廓算术平均偏差，光栅入射面4与光栅出射面5平行或者光栅入射面4与光栅出射面5之间的夹角β为1～20度；
（2）在光栅出射面5上镀有紫外光波段反射率大于90%的高反射膜；
（3）用一束平行的紫外光1从光栅入射面4照射光栅材料3，紫外光1入射至光栅材料3内部后到达光栅出射面5，被光栅出射面5上的高反射膜反射，反射的紫外光2在光栅材料3内部和入射的紫外光1进行干涉，从而形成了强度周期性变化的干涉条纹6；
（4）干涉条纹6周期Λ = λ / (2 n sinα)，其中，λ为入射紫外光的波长，n为光栅材料的折射率，α为光栅材料3内入射的紫外光1和光栅出射面5的夹角；
（5）保持入射的紫外光1和光栅材料3的位置，使干涉条纹6在光栅材料3内部保持5分钟至1小时，光栅材料3的特性发生了周期性变化，体全息布拉格光栅的周期和干涉条纹的周期一致，至此紫外曝光过程结束；
所述的光栅材料3为光热折变PTR玻璃或光折变晶体。所述的紫外光波段反射率大于90%的高反射膜为介质膜或金属膜。所述的介质膜的材料为氧化铪，金属膜的材料为铝。介质膜的反射率较高，但是对入射角度的变化比较敏感，金属膜的反射率相对较低，但是具有很宽的角度容限。一般而言，如果已经确定了光栅材料内入射紫外光1和光栅出射面5的夹角α，可以选择镀介质膜，这样在给定的角度下介质膜的反射率可以达到99%以上，可以获得非常理想的曝光效果；如果在曝光过程中需要改变光栅材料内入射紫外光1和光栅出射面5的夹角α，可以选择镀金属膜，可以在很大的角度范围内都保持反射率到达90%以上。
采用上述方法进行紫外曝光的体全息布拉格光栅，其光栅波矢7总是垂直于光栅出射面5。如果要求光栅的倾斜角为0°，即光栅波矢7与光栅入射面的法线8之间夹角为0°，就需要在对光栅材料表面进行抛光加工的时候，保持光栅入射面4和光栅出射面5平行。如图2所示，如果要求光栅的倾斜角为β，即光栅波矢7与光栅入射面的法线8之间有一定的夹角β，只需要在对光栅材料表面进行抛光加工的时候，保持光栅入射面4和光栅出射面5也有相同的夹角β就可以实现。
实施例1：
实验装置如图1所示，使用的光栅材料为光热折变PTR 玻璃，使用的PTR玻璃样品表面积为5mm×5mm，厚度1mm。采用了功率为1mW输出的He-Cd激光器作为光栅的紫外曝光光源，输出波长为325nm，光栅材料在该波长下的折射率为1.42。输出的紫外激光首先进行了扩束（扩束镜倍率1×到10×可调），在扩束镜的焦平面放置小孔光阑进行空间滤波，光斑的稳定性和均匀性很大程度上决定了体光栅的制备特性。
采用如下步骤对光栅材料进行紫外曝光：
（1）将待曝光的光栅材料的表面进行抛光，光栅入射面和出射面的表面粗糙度需要达到光学表面的要求。实验中两个表面的表面粗糙度均匀达到了Ra < 0.01μm，这里Ra轮廓算术平均偏差。加工过程中保持光栅入射面和出射面平行，不平行度小于1′。
（2）在光栅的出射面镀紫外波段的高反射金属铝膜，膜层对紫外光的反射率理论值为91.5%。
（3）将波长为325nm的紫外激光扩束后成为平行光，光斑直径为7mm。调整光栅材料的角度，使光栅入射面的法线和紫外激光传输方向的夹角为50°。用紫外激光从光栅的入射面照射光栅材料，紫外光入射至光栅材料内部后到达光栅出射面，被出射面上的高反射膜层反射，反射的紫外光在光栅材料内部和入射的紫外光进行干涉，从而形成了强度周期性变化的干涉条纹。
（4）保持入射的紫外光和光栅材料的位置不移动，使干涉条纹在光栅材料内部保持一段时间，光栅材料的特性发生了周期性变化，体全息布拉格光栅的周期和干涉条纹的周期一致，至此紫外曝光过程结束。
体全息布拉格光栅的周期由光栅材料内入射光和光栅材料出射面的夹角决定，由于紫外激光在光栅材料的入射面处会产生折射，所以考虑折射效应后，计算得到的光栅材料内入射光和光栅材料出射面的夹角为α = 59.76°，计算得到光栅周期为Λ = λ / (2 n sinα) = 0.124μm，这里λ为入射紫外光的波长325nm，n为光栅材料的折射率1.42。
将紫外曝光后的光栅材料进行微晶化热处理，从而形成折射率永久调制的体全息布拉格光栅。对体全息布拉格光栅的出射面进行抛光，将所镀的金属膜层去除，再用与曝光过程完全相同的实验装置对体全息布拉格光栅进行照射，对光栅信息进行读出。旋转体全息布拉格光栅的角度，通过测量衍射光的方向来确定体全息布拉格光栅的布拉格角。实验结果表明，只有当光栅入射面的法线和紫外激光传输方向的夹角为50°时（也就是和曝光过程时的实验条件相同），光栅才产生较强的衍射，其他角度时无衍射现象产生，表明了曝光过程写入的光栅参数和理论计算结果完全一致。
采用上述方法进行紫外曝光的体全息布拉格光栅，其光栅波矢总是垂直于光栅材料的出射面。由于对光栅材料表面进行抛光加工的时候，保持光栅的入射面和光栅出射面平行，所以最终得到的体全息布拉格光栅的倾斜角为0°。
实施例2：
实验装置如图2所示，使用的光栅材料为光热折变PTR 玻璃，使用的PTR玻璃样品表面积为7mm×7mm，厚度2mm。采用了功率为1mW输出的He-Cd激光器作为光栅的紫外曝光光源，输出波长为325nm，光栅材料在该波长下的折射率为1.42。输出的紫外激光首先进行了扩束（扩束镜倍率1×到10×可调），在扩束镜的焦平面放置小孔光阑进行空间滤波，光斑的稳定性和均匀性很大程度上决定了体光栅的制备特性。
采用如下步骤对光栅材料进行紫外曝光：
（1）将待曝光的光栅材料的表面进行抛光，光栅入射面和出射面的表面粗糙度需要达到光学表面的要求。实验中两个表面的表面粗糙度均匀达到了Ra < 0.01μm，这里Ra轮廓算术平均偏差。加工过程中使光栅入射面和出射面的夹角为3°。
（2）在光栅的出射面镀紫外波段的高反射介质膜，介质膜材料为氧化铪，膜层对紫外光的反射率理论值为大于99.5%。
（3）将波长为325nm的紫外激光扩束后成为平行光，光斑直径为8mm。调整光栅材料的角度，使光栅入射面的法线和紫外激光传输方向的夹角为8°。用紫外激光从光栅的入射面照射光栅材料，紫外光入射至光栅材料内部后到达光栅出射面，被出射面上的高反射膜层反射，反射的紫外光在光栅材料内部和入射的紫外光进行干涉，从而形成了强度周期性变化的干涉条纹。
（4）保持入射的紫外光和光栅材料的位置不移动，使干涉条纹在光栅材料内部保持一段时间，光栅材料的特性发生了周期性变化，体全息布拉格光栅的周期和干涉条纹的周期一致，至此紫外曝光过程结束。
体全息布拉格光栅的周期由光栅材料内入射光和光栅材料出射面的夹角决定，由于紫外激光在光栅材料的入射面处会产生折射，同时光栅入射面和出射面不平行，而是存在一定的夹角β = 3°，所以考虑上述因素后，计算得到的光栅材料内入射光和光栅材料出射面的夹角为α = 81.38°，计算得到光栅周期为Λ = λ / (2 n sinα) = 0.116μm，这里λ为入射紫外光的波长325nm，n为光栅材料的折射率1.42。
将紫外曝光后的光栅材料进行微晶化热处理，从而形成折射率永久调制的体全息布拉格光栅。对体全息布拉格光栅的出射面进行抛光，将所镀的介质膜层去除，再用与曝光过程完全相同的实验装置对体全息布拉格光栅进行照射，对光栅信息进行读出。旋转体全息布拉格光栅的角度，通过测量衍射光的方向来确定体全息布拉格光栅的布拉格角。实验结果表明，只有当光栅入射面的法线和紫外激光传输方向的夹角为10°时（也就是和曝光过程时的实验条件相同），光栅才产生较强的衍射，其他角度时无衍射现象产生，表明了曝光过程写入的光栅参数和理论计算结果完全一致。
采用上述方法进行紫外曝光的体全息布拉格光栅，其光栅波矢总是垂直于光栅材料的出射面。由于对光栅材料表面进行抛光加工的时候，保持光栅的入射面和出射面有一定的夹角β = 3°，所以最终得到的体全息布拉格光栅的倾斜角也为3°。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法，其特征在于包括以下步骤：
A.将待曝光的光栅材料（3）的表面进行抛光，使光栅入射面（4）和光栅出射面（5）的表面粗糙度达到Ra < 0.01μm，Ra为轮廓算术平均偏差，光栅入射面（4）与光栅出射面（5）平行或者光栅入射面（4）与光栅出射面（5）之间的夹角β为1～20度；
B.在光栅出射面（5）上镀有紫外光波段反射率大于90%的高反射膜；
C.用一束平行的紫外光（1）从光栅入射面（4）照射光栅材料（3），紫外光（1）入射至光栅材料（3）内部后到达光栅出射面（5），被光栅出射面（5）上的高反射膜反射，反射的紫外光（2）在光栅材料（3）内部和入射的紫外光（1）进行干涉，从而形成了强度周期性变化的干涉条纹（6）；
D.干涉条纹（6）周期Λ = λ / (2 n sinα)，其中，λ为入射紫外光的波长，n为光栅材料的折射率，α为光栅材料（3）内入射的紫外光（1）和光栅出射面（5）的夹角；
E.保持入射的紫外光（1）和光栅材料（3）的位置，使干涉条纹（6）在光栅材料（3）内部保持5分钟至1小时，光栅材料（3）的特性发生了周期性变化，体全息布拉格光栅的周期和干涉条纹的周期一致，至此紫外曝光过程结束。
2.如权利要求1所述的一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法，其特征在于所述的光栅材料（3）为光热折变PTR玻璃或光折变晶体。
3.如权利要求1所述的一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法，其特征在于所述的紫外光波段反射率大于90%的高反射膜为介质膜或金属膜。
4.如权利要求3所述的一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法，其特征在于所述的介质膜的材料为氧化铪，金属膜的材料为铝。
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