CN104303379A - 基于碱卤化物色心晶体的中红外体布拉格光栅 - Google Patents

Abstract

描述了一种工作在光谱的中红外区域的体布拉格光栅装置以及该装置的制造方法。可以通过在碱卤化物晶体内形成多个色心，并选择性地去除多个色心的子集而在中红外光谱区域内产生碱卤化物晶体的折射率的改变，从而制造出工作在中红外光谱范围的体布拉格光栅。

Description

基于碱卤化物色心晶体的中红外体布拉格光栅

优先权和相关专利申请

本专利申请要求于2012年1月12日提交的、题为“MIDDILE-INFRAREDVOLUMTRIC BRAGG GRATING BASED ON LIF COLOR CENTERCRYSTALS”的美国临时专利申请No.61/586,086的优先权和权益，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请一般地涉及用于在中红外光谱范围内的体布拉格光栅的应用的色心晶体。

背景技术

体布拉格光栅(VBG)可以实现为折射率的周期性改变形式的体透明材料的布拉格光栅，其与入射光相互作用，以在满足布拉格条件的一个或多个布拉格波长处产生较大的反射率。VBG可以用于多种光学装置和系统中，并且是研发紧凑型窄线激光器系统的关键部件。目前，许多VBG使用透射光谱范围介于0.3μm到2.7μm之间的光折射玻璃。

发明内容

所公开的实施例涉及体布拉格光栅装置以及该装置的制造方法，该体布拉格光栅基于工作在中红外区域的具有色心的碱卤化物晶体。这样的装置可以用多种方式被实现为使其是光稳定和热稳定的，并且可以使用相对低功率的激光器来批量制造。

所公开的实施例的一个方面涉及一种包括碱卤化物晶体的体布拉格光栅装置，该碱卤化物晶体包含多个色心，在中红外光谱范围内具有宽光谱透明度。碱卤化物晶体被结构化成，通过选择性地去除多个色心的至少一个子集而在中红外光谱范围内表现出碱卤化物晶体的折射率的改变，从而形成工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅。

在一个示例性实施例中，碱卤化物晶体为氟化锂(LiF)晶体。在另一示例性实施例中，通过对色心的子集进行光致褪色而将碱卤化物晶体结构化。在又一示例性实施例中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，体布拉格光栅可以表现出介于大约10％以上到接近100％的效率。根据再一示例性实施例，体布拉格光栅包括按照由选择性地去除多个色心所导致的折射率的空间改变而形成的沟槽或区域。

在一个示例性实施例中，选择性地去除包括对多个色心的子集进行光致褪色。在另一示例性实施例中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，折射率的改变至少为10^-4。根据另一示例性实施例，通过电离辐射和/或添加剂或电解着色，在碱卤化物晶体中形成多个色心。在另一示例性实施例中，体布拉格光栅被配置成作为激光腔的反射器或输出耦合器工作。另一示例性实施例涉及一种包括上述体布拉格光栅的激光器系统，其中体布拉格光栅被配置成作为该激光器系统的激光腔的高反射镜工作。

所披露的实施例的另一方面涉及一种用于制造体布拉格光栅装置的方法，包括获得包含多个色心的碱卤化物晶体，并选择性地去除多个色心的子集，以在中红外光谱范围内产生碱卤化物晶体的折射率的改变，从而制造出工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅。

在一个示例性实施例中，碱卤化物晶体为氟化锂(LiF)晶体。根据另一示例性实施例，获得包含多个色心的碱卤化物晶体包括：将碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或通过添加剂或电解着色，形成多个色心。在一个示例性实施例中，选择性地去除多个色心的子集包括对色心的子集进行光致褪色。例如，光致褪色可包括：(a)将包括多个色心的碱卤化物晶体暴露于激光束，以形成第一沟槽或区域，(b)移动碱卤化物晶体的位置，(c)在移动之后，将碱卤化物晶体暴露于激光束，以形成第二沟槽或区域，以及(d)重复步骤(b)和(c)预定的次数，以形成附加的沟槽或区域。所形成的沟槽或区域形成空间周期性的光栅图案。在一个示例性实施例中，选择性地去除多个色心的子集包括：将两个或更多个相干光束引向碱卤化物晶体，以使得利用该两个或更多个光束的干涉图案来形成体布拉格光栅。

根据一个示例性实施例，选择性地去除多个色心的子集是通过电子束或离子束刻蚀来进行的。在另一示例性实施例中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，折射率的改变至少为10^-4。在又一示例性实施例中，选择性地去除多个色心产生折射率的空间改变，该折射率的空间改变形成体布拉格光栅的多个沟槽或区域。在再一示例性实施例中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，体布拉格光栅可以表现出从大约10％到接近100％的范围内的效率。在另一示例性实施例中，体布拉格光栅是一种相位光栅，实现至少1.56微米的光的衍射。

此外，提供一种使用由具有色心的碱卤化物晶体所形成的体布拉格光栅对中红外光谱范围内的光进行衍射以在满足布拉格条件的特定波长处产生光学反射的方法。在该方法中，在室温下，在中红外光谱范围下表现为光学透明并且在可见或近红外光谱范围表现出光学吸收的碱卤化物色心晶体，被暴露于在中红外光谱范围内的入射光束下。将碱卤化物色心晶体结构化成包括色心的永久性空间周期性光栅图案，其在中红外光谱范围内在碱卤化物色心晶体的折射率方面具有足够大的空间周期性调制，从而实现相位布拉格光栅。对永久性空间周期性光栅图案相对于入射光束的取向进行控制，以在布拉格条件下对入射光束的光进行衍射，从而在中红外光谱范围内产生光学反射。

在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了这些和其他方面以及实施例。

附图说明

图1(a)是具有色心的LiF晶体样品的示例性吸收光谱的UV-可见部分。

图1(b)是具有色心的LiF晶体样品的示例性吸收光谱的可见-近红外部分。

图2(a)是针对LiF晶体理论计算出(按照公式(4))的折射率改变作为波长的函数的曲线的UV-近红外部分的示例。黑色虚线考虑了样品中的所有色心。实线仅考虑了两个主带(F和F₂&F₃)的吸收。

图2(b)是针对LiF晶体理论计算出(按照公式(4))的折射率改变作为波长的函数的曲线的近红外-中红外部分的示例。实线仅考虑了两个主带(F和F₂&F₃)的吸收。

图3表示根据示例性实施例的用于制造VBG的结构。

图4表示根据示例性实施例，在利用Ti-蓝宝石激光器(790nm，400mW，1kHz，35fs，5秒曝光)照射前后，在514nm氩激光器激发下测得的LiF CC晶体的光致发光(PL)光谱。曲线(a)相应于照射之前的PL光谱，曲线(b)相应于照射之后立即从晶体的靠近褪色带的区域采集的PL光谱，曲线(c)相应于在照射之后立即从晶体的褪色带区域采集的PL光谱，曲线(d)相应于在激光照射之后大约12小时的褪色带的PL光谱。

图5(a)表示根据示例性实施例的在制造之后的短时间，测量的积分的650-700n处光致发光强度的改变作为距具有12μm沟槽间距的光栅的开头的距离的函数。

图5(b)表示图5(a)的放大以表示在距光栅开头介于500到600μm之间的距离处的光致发光强度的改变的一部分。

图5(c)表示根据示例性实施例的在制造之后大约12小时，测量的积分的650-700nm处光致发光强度的改变作为距表征在图5(a)所示的光栅的开头的距离的函数。

图5(d)表示图5(c)的放大以表示在距离光栅开头介于500到600μm之间的距离处的光致发光强度的改变的一部分。

图6(a)表示根据示例性实施例的在制造之后的短时间，测量的积分的650-700nm处光致发光强度的改变作为距具有24μm沟槽间距的光栅的开头的距离的函数。

图6(b)表示图6(a)的放大以表示在距光栅开头介于500到600μm之间的距离处的光致发光强度的改变的一部分。

图6(c)表示根据示例性实施例的在制造之后大约12小时，测量的积分的650-700nm处光致发光强度的改变作为距表征在图6(a)所示的光栅的开头的距离的函数。

图6(d)表示图6(c)的放大以表示在距光栅开头介于500到600μm之间的距离处的光致发光强度的改变的一部分。

图7表示根据示例性实施例的用于表征光栅的结构。

图8表示根据示例性实施例的可以被执行以制造体布拉格光栅的一组操作。

图9表示根据示例性实施例的可以被执行以使用由具有色心的碱卤化物晶体所形成的体布拉格光栅对中红外光谱范围内的光进行衍射，从而产生光学反射的一组操作。

具体实施方式

色心(CC)是晶体内的点晶格缺陷，其在不同的透明的晶体中产生光学吸收带。许多年以来，具有色心(CC)的碱卤化物晶体已经作为可调谐固体激光器的有源介质和作为无源Q开关而为人们所知。在不同的碱卤化物晶体中，氟化锂(LiF)是经常被使用的材料，部分原因在于其是非吸湿的，并且即便在室温下也展示CC的高稳定性。近年来的研究兴趣已经转移到这些材料可能的基于其光折射性质的光子学应用。这些应用中的一些基于在具有色心的晶体中的光致光栅和波导的制造。

在室温下工作在2-6μm的中红外激光器的最新的进展，促进了用于这些激光器的新型光折射材料的发展，因为使用光折射玻璃制造的VBG不能工作在中红外区域。

工作在中红外(中-IR)光谱范围的光折射材料对于具有多种潜在应用的新型紧凑的中红外激光器系统的发展是非常重要的。这种应用的示例包括但不限于：分子光谱学、非侵入医学诊断、工业过程控制、环境监测、大气感测、自由空间通讯、石油勘探以及许多与防御有关的应用，如红外干扰、监测弹药处置以及远距离检测爆炸危险。

诸如氟化锂(LiF)晶体的碱卤化物晶体在中红外区域具有宽的透明度。不过，从这些碱卤化物晶体尝试着制造VBG，这在商业上是不可行的。部分是因为，为了对晶体的结构标上永久的修改而导致晶体的折射率的改变，需要用高强度飞秒激光辐射照射晶体。

几个研究组已经对具有分布反馈(DFB)的色心激光器进行了研究。在近红外区域882-962nm中已经实现了具有F₂ ⁺CC的LiF的可调谐激光振荡，并且使用两个泵浦光束的干涉，已经实现了晶体中的动态增益光栅。在一些系统中，通过改变泵浦光束的入射角来获得DFB激光器的调谐。在一些系统中，通过基于由UV激光器所形成的干涉图案由色心的光致褪色而形成的增益元件，获得具有永久光栅的DFB CC激光。在一种系统中，通过基于利用两个飞秒Ti：蓝宝石激光束的全息技术制造永久光栅，在709nm处产生LiF:F₂ CC晶体的分布反馈激光振荡。

迄今为止进行的多种研究一直聚焦在CC晶体(CCC)在可见和近红外光谱范围的光折射性质，该光谱范围内折射率的改变较大，并且在有些情形中，接近或达到折射率改变的最大值。LiF具有较宽的透射带，能潜在地工作在高达6μm的中红外波长。通过电离辐射或添加剂/电解着色制备而成的多种LiF:CC晶体，在可见和近红外光谱范围表现出强吸收带。在这类晶体中，可使用色心的空间选择性色心光致褪色，产生LiF晶体的折射率的空间图案或调制。在色心被光致褪色的每个位置处，色心被去除，从而该位置处不再表现出已经被光致褪色的特定色心的光吸收。LiF:CC晶体倾向于在中红外光谱范围不具有强吸收带。由于强吸收带通常与折射率值的显著改变相关，在LiF:CC晶体中在中红外光谱范围的强吸收带的这种缺少被认为是LiF:CC晶体不能为形成在中红外光谱范围内具有可用的光栅衍射效率的体布拉格光栅(VBG)结构提供显著的折射率改变。此外，LiF:CC晶体被认为具有热和光致不稳定性，因而不适于在日光和环境温度或室温下的应用和使用。

不过，可以将LiF:CC晶体和其他具有CC的碱卤化物晶体加工成具有针对在中红外光谱范围中的工作的有吸引力和所期望的独特的性质。例如，由无羟基LiF晶体制成的LiF CCC特征在于较大(～14ev)的带隙，其不表现出浅施主和受主CC，因而不具有对中红外光谱范围的光的吸收。结果，当晶体在中红外光谱范围的光的照射下时，倾向于没有色心的光致褪色。因此，LiF:CC体布拉格光栅(VBG)结构在高光学密度中红外辐射下是稳定的。另一个例子，LiF晶体倾向于表现出宽的透明带(例如，包括高达6μm的中红外光谱范围)并且可以用作工作在从1.5μm到6μm的光谱范围的Er³⁺，Ho³⁺，Tm³⁺Cr²⁺，Fe²⁺激光器的色散元件。注意，如下面所述的示例性实施例所说明的，尽管在LiF:CC晶体中缺少在中红外光谱范围内的强吸收带，不过可以将其结构化成表现出折射率的足够大的改变，以在用于多种应用时在中红外光谱范围内提供稳定且有效的体布拉格光栅(VBG)结构。对处于布拉格波长或其附近的入射光在VBG的布拉格条件下，即便是晶体中弱的折射率调制也足以实现相当大的光学反射，诸如后反射。因此，在填充需求空白方面，基于LiF的光栅具有吸引力，这部分是因为，由玻璃材料制造的各种通常使用的VBG不能有效地工作于各个中红外波长，例如长于3μm的波长。

所公开的实施例说明了CCC作为工作在中红外光谱范围的VBG装置的介质的可行性。可以通过光致褪色或其他褪色技术在选定的空间位置将LiF:CC晶体中的色心褪色或者去除，以在该晶体中产生折射率的空间周期性调制，其足以实现用于LiF:CC晶体是光学透明的并且不表现出强的光学吸收的中红外光谱范围的VBG。根据一些实施例，通过对CC的光致褪色在LiF:CC晶体中制造衍射光栅，并且其特征在于0.532μm、0.632μm和1.56μm。另外，涉及基于色心褪色的光折射效应的所公开的实施例，可以提供从大约10％到接近100％的范围内的VBG效率，这对于各种光子学应用是足够的，诸如用于光耦合器或激光腔的高反射镜。在一个示例性实施例中，在覆盖中红外光谱范围的至少1-6μm光谱范围内，对于1-3cm长的晶体可实现大约60％的效率。衍射效率是测量与入射到衍射元件上的功率相比，有多少光功率被衍射到指定的方向。

应当注意，在本说明书中使用LiF晶体和LiF:CCC作为例子来说明所披露的实施例的原理。本说明书所描述的多个技术特征可以应用于其他具有色心的碱卤化物晶体，且与其相关。

首先，考虑由CC引起的在LiF中的折射率的改变。辐射在吸收性介质中的传播用复折射率来表示，并由公式(1)定义：

$\tilde{n}=n+\mathrm{i\κ}---\left(1\right)$

在公式(1)中，n和κ分别是复折射率的实部和虚部。折射率的虚部造成了在介质中传播过程中辐射强度的衰减，并且可以使用吸收系数(α)表示如下：

$\mathrm{\κ}=\frac{4\mathrm{n\α}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

在公式(2)中，λ是自由空间波长。如公式(3a)和(3b)所给出的，折射率的实部和虚部可以通过Kramers-Kronig关系式联系：

$\mathrm{\Δn}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}P\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\frac{\mathrm{\κ}\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)}{{\mathrm{\ω}}^{\′}-\mathrm{\ω}}d{\mathrm{\ω}}^{\′}---\left(3a\right)$

$\mathrm{\κ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{\mathrm{\π}}P\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\frac{n\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)-1}{{\mathrm{\ω}}^{\′}-\mathrm{\ω}}d{\mathrm{\ω}}^{\′}---\left(3b\right)$

在公式(3a)和(3b)中，Δn为吸收κ(ω)所产生的折射率改变作为复变量ω的函数，P为Cauchy主值。虽然已经研究了由CC吸收产生的在碱卤化物晶体中的折射率改变，但是这些研究关注于近红外和可见光光谱范围。已经根据所公开的实施例进行了数值计算，以便量化由CC吸收带所导致的折射率改变。基于这些计算，CC晶体的最强的吸收线属于F心。F心是被单个电子填充的阴离子空位。与其他可能的CC相比，其是晶体中具有最高浓度的最简单的CC。在LiF晶体中，F-CC的吸收带位于248nm处，并且在高辐射的晶体中吸收系数可达1000cm^-1。对α(ω)和Kramers-Kronig关系式使用该值，公式(3a)使用下式来估计折射率改变：

$\mathrm{\Δn}=\frac{{\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{(2(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)/\mathrm{\Δ\ω})}{1+{(2(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)/\mathrm{\Δ\ω})}^2}---\left(4\right)$

在公式(4)中，是最大吸收系数，Δω是吸收线的半高宽(FWHM)。在ω＝ω₀+Δω/2下，Δn_max的最大值等于Δn_max＝1/2κ₀，并且对于低频限ω＜＜Δω＜ω₀，折射率的改变为：

$\mathrm{\Δn}\left(0\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_0{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{2\mathrm{\ω}}_0}=n_{\max }\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(5\right)$

对于LiF色心晶体中最基本的F带(即λ₀＝248nm，Δf_FWHM/f₀＝0.155)且吸收系数α₀＝500cm^-1而言，估计的Δn_max＝5×10^-4，Δn(0)＝0.8×10^-4。

应当注意，由于强电子-光子耦合，通过高斯形状来较好地近似CC吸收带。这就要求对公式(3a)中的Cauchy积分进行数值计算。针对基于所公开的实施例进行的这些计算，测量所制备的具有不同厚度(从数百微米到数毫米)的样品的吸收系数，以增加不同CC的吸收系数的测量精度。图1(a)和1(b)中用粗实线表示出吸收光谱的试验数据。图1(a)表示处于UV-可见区域的吸收光谱，而图1(b)表示处于可见-近红外区域的吸收光谱。由于相当高的吸收系数，不可能对F-带的最大值进行直接测量。不过，还可以从带形状和从低辐射样品测得的最大值的位置估计F-带的最大值。对于折射率计算，使用F心以及10个其他聚集CC的高斯吸收带，对频域中测得的吸收光谱进行拟合。图1(a)和1(b)中细线表示出拟合结果(即，通过高斯带去卷积的吸收光谱)，并且归纳在表1中。在表1中，α是吸收系数，λ₀是吸收带的最大值，C/F₀是带的最大值的位置，W/F₀是归一化为F带的位置的频率的FWHM。

最主要的带是吸收系数为675cm^-1的248nm处的F带，以及由F₂与F₃ ⁺带的重叠产生的总吸收系数等于314cm^-1的450nm处的带。

通过定制和/或商业上可获得的软件，如MAPLE4软件，可以执行使用公式(3a)计算折射率改变，并与针对Lorentz带的分析结果进行比较。图2(a)和2(b)中表示出由色心导致的吸收率改变。虚线表示由样品中所有色心导致的Δn的结果，实线表示仅针对由两个主带(F和F₂/F₃ ⁺组合)导致的吸收的结果。从曲线图显然可以看出，在近-中红外光谱区域(即至少在1000-3000nm直至6000nm的范围内)可以得到Δn≥10^-4。仅考虑处于248nm和450nm的两个主吸收带(F和F₂/F₃ ⁺组合)，Δn的计算值仅减小30％。

因此，当LiF CC在中红外光谱范围没有吸收时，选择性地去除色心或者使色心褪色可以导致在近红外到中红外光谱范围内折射率的改变Δn至少为10^-4。因此，可使用LiF CCC作为用于窄带中红外布拉格反射器的光折射介质。

光学体布拉格光栅(VBG)是具有折射率的周期性改变的装置。可以在布拉格条件下如下确定反射的波长λ：

λ＝2nΛ            (6)

在公式(6)中，n是光栅的有效折射率，Λ是周期。可使用下式估计反射效率：

$\mathrm{\η}={\left[\tanh \left(\frac{\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}\left(\mathrm{\Δn}\right)\right)\right]}^2---\left(7\right)$

在公式(7)中，L是周期性结构的长度。可使用公式(7)获得作为光栅长度和折射率的改变的函数的期望的光栅效率，以满足特定光子学系统或应用的需要。例如，可以使用下式得出R＝60％的周期性结构的所需的长度。

$\frac{\mathrm{\πL}}{{\mathrm{\λ}}_0}\left(\mathrm{\δn}\right)\≈1---\left(8\right)$

使用Δn～10^-4，对于1.5到6μm的λ₀，衍射光栅所需的长度L为0.5到1cm。目前的技术能够制造具有超过10cm的典型尺寸的均匀着色的LiF晶体。根据所公开的实施例，可实现在从大约10％到接近100％的范围内的效率，这对于大多数(如果不是全部)实际光学应用来说都是足够大的。可使用多种方法，诸如全息方法或直接电子束写入，来制造周期为0.5到3μm、长度为1cm的光栅。

根据一个示例性实施例，为了制造CC，使用⁶⁰Co源在300K下以2×10⁸rad的剂量对LiF晶体(例如，5×5×5mm³晶体)进行γ照射。在照射之后，将一个样品切开并抛光，来制备具有不同厚度的晶体以备吸收测量。使用ShimadzuUV3101-PC光谱仪获得吸收光谱。所使用的放大的Ti：蓝宝石激光器是Coherent Legend Elite，其以1kHz的重复率产生具有约35fs持续时间的3.5W的平均功率，以选择性地去除色心的一个子集。

图3表示根据示例性实施例的用于制造VBG的结构。为了选择性地去除色心和制造光栅，来自激光器的辐射入射到第一反射镜M1和第二反射镜M2上，并通过透镜L被聚焦到目标晶体(诸如LiF晶体)上，以形成带或条形式的聚焦光束。该聚焦光带或光条产生足够大的局部光强度，从而使色心光致褪色或去除色心。将聚焦光束和晶体彼此相对移动，以便对一系列的这种带或条进行光致褪色，形成期望的光栅图案。从图3的示例结构显然可以看出，可以将一个或多个光阑，如光阑A1和A2设置在激光束的光路中。在一个示例性实施例中，通过具有15mm焦距的柱透镜，将具有平均功率400mW和1cm光束直径的Ti：蓝宝石激光聚焦到LiF晶体表面。晶体可以被安装在计算机控制的平移台上，以允许晶体相对于入射激光束运动，以便获得周期性间隔。可使用例如Thorlabs APT系统软件对运动进行编程。在一个示例性实施例中，目标晶体上的一个位置被照射5秒，以产生一个沟槽或区域(即，褪色带)。然后通过使用动力平移台将目标晶体移动12μm或24μm，使目标晶体的另一部份暴露于激光辐射下，以产生第二沟槽或区域。可根据需要将这一过程重复多次，以便产生具有所需间隔的所需数量的沟槽或带区域。在一个示例性实施例中，将这一过程重复100次，从而在每个光栅中产生100个沟槽。在一个试验中，产生两个光栅，一个光栅具有12μm的周期(或间距)，另一光栅具有24μm的周期(或间距)。因此，可使用相对低功率的激光辐射以简单的结构制造出基于所公开的技术生成的VBG，这允许通过经济的且实际可行的方式批量制造这种VBG。

在一个示例性实施例中，通过装配有800mm焦距光谱仪(HR 800 UV)，针对200-1600nm光谱区域进行优化的共焦显微拉曼系统(Horiba Jobin Yvon，LabRam HR)，热电冷却的CCD摄像机以及精度为100nm的X-Y平移台，来表征衍射光栅。使用在样品处具有大约100μW入射功率的λ＝514nm的氩离子激光器进行光致发光试验。显微拉曼系统的横向分辨率为约1μm。使用具有1μm步长的平移台在光栅上对样品进行扫描并且在每个位置处信号累计0.5秒。使用F2 CC在650-700nm光谱窗口内的光致发光积分强度，作为估计CC浓度和光栅质量的方法。针对每个光栅，在产生光栅之后立即进行和在12小时之后进行光致发光构图。使用Nd：YAG(0.532μm)、He-Ne(0.632μm)和Er-光纤(1.56μm)激光器的二次谐波的CW辐射，沿法线入射，表征衍射光栅效率。在LiF CCC中体布拉格光栅的制造过程还可以基于吸收系数和折射率的调制的其他方法。在这些方法中，可使用基于光束干涉图案的全息光栅写入，以产生体布拉格光栅的空间图案。该方法利用受到短光脉冲照射的纯LiF晶体中的折射率的调制。另一种方法使用干涉图案节点的CC退化。还可以通过电子或离子束光刻，或者通过热褪色而直接在LiF CCC中写入布拉格光栅。

图4表示在Ti：蓝宝石激光照射前后，LiF CC晶体的光致发光(PL)光谱。图4中所示的PL光谱是在514nm氩离子激光器激发下测得的。飞秒照射之前样品的PL光谱(即标记为‘a’的曲线)由相应地在670nm和530nm具有最大值的F₂和F₃ ⁺带组成。暴露于飞秒激光器照射产生了肉眼清晰可见的褪色区域(即，衍射光栅的带或沟槽)。在图4中，标记为‘b’的曲线表示与晶体的靠近褪色区域的区域相关的PL光谱。褪色区域的颜色从棕色变为表示F₂色心离子化的浅绿色。在图4中，标记为‘c’的曲线相应于褪色区域的PL光谱。曲线‘c’表明在与F₂ CC的PL相应的600-800nm光谱范围内信号强度显著减小，而在与F₂ ⁺CC的PL相应的大约900nm处出现新带。F₂ ⁺CC在室温下不稳定，在大约12-24小时之后就消失了。图4中标记为‘d’的曲线相应于12小时后褪色区域的PL光谱。曲线‘d’表明大约12小时之后，在900nm处PL带的强度减小，F₂ CC的PL带强度稍有恢复。

应当注意，用于进行试验的LiF:CC晶体已经超过15年了。另外，尽管所示的示例性的测量相应于在用Ti：蓝宝石激光照射LiF:CC晶体之后立即测量以及在大约12小时之后测量，不过，所产生的VBG在12小时的时间段之后依然显示出良好的稳定性，并且期望其在此后的许多年保持稳定。因此，根据所公开的实施例产生的VBG不仅可以使用利用低功率辐射飞秒激光脉冲制造的进行批量制造，而且还显示出光稳定性和热稳定性。

图5(a)至5(d)中表示根据一个示例性实施例制造的具有84沟槽/mm衍射光栅(相应于大约12μm周期)的LiFCC晶体的光致发光成像。为了产生图5(a)至5(d)的强度曲线，使用具有100nm精度的X-Y平移台和1μm横向分辨率的共焦显微拉曼系统对光栅进行扫描。图5(a)至5(d)表示对于84沟槽/mm光栅，在通过15mm柱透镜聚焦之后的Ti：蓝宝石激光束的苛性(caustic)，足以产生具有足够对比度的光栅。特别是，图5(a)表示在光栅制造之后的短时间，作为波长的函数的测量强度的改变。图5(b)为图5(a)的放大视图，提供在光谱范围500-600μm内测量强度的更好的显示。图5(c)表示在光栅制造之后12小时，作为波长的函数的测量强度的改变。图5(d)是图5(c)的放大视图，提供在光谱范围500-600μm内测量强度的更好的显示。图5(a)和5(c)中的曲线表示强度随波长而减小，这是因为晶体表面较差的平行度导致在横向1.2mm距离上扫描期间显微镜的离焦。在12小时之后，与初始观察相比，PL信号强度略有增加。

图6(a)至6(d)表示根据示例性实施例制造的具有42沟槽/mm衍射光栅(相当于大约24μm周期)的LiFCC晶体的光致发光成像结果。具体地，图6(a)表示在光栅制造之后短时间，作为波长的函数的测量强度的改变。图6(b)是图6(a)的放大视图，提供从光栅开始处在空间范围500-600μm内测量强度的更好的显示。图6(c)表示在光栅制造之后12小时，作为波长的函数的测量强度的改变。图6(d)为图6(c)的放大视图，提供从光栅开始处在空间范围500-600μm内测量强度的更好的显示。与图5(a)和5(c)中的曲线图类似，图6(a)和6(c)表示对于42沟槽/mm光栅发生的离焦，很显然正如所预期的，强度随波长逐渐减小，光栅对比度得到改善。

使用三个不同的CW激光器沿法线入射来表征衍射光栅效率。在这些试验中，测量法线入射时一阶Raman-Nath衍射的效率。激光束微聚焦到光栅表面上，以保证光束尺寸小于光栅尺寸。还使用一个或多个经过校准的中性滤波器，以增大光检测器的动态范围。图7表示根据示例性实施例的用于表征光栅的结构。来自激光器的光入射到反射镜M1上，并通过第一透镜L1、光学斩波器和第二透镜L2传播，被导向包括光栅的晶体。通过晶体传播的衍射光被检测器获取。

使用图7的结构，Nd:YAG(0.532μm)以及He-Ne(0.632μm)激光器的二次谐波的衍射图案可以被成像在检测器处。例如，在法线入射时至少将三个衍射级成像。衍射级的位置与衍射光栅公式和从之前的试验测得的光栅周期相一致。对于周期为12μm和24μm的光栅，0.532μm处的衍射效率都近似等于2-3％。在0.632μm波长处，针对24μm和12μm光栅测得的效率分别近似等于5％和1％。值得注意的是，对于可见光谱范围，所产生的幅度光栅效率将优于相位光栅效率。为了证明具有CC的LiF晶体中相位光栅在中红外应用的可行性，使用工作在1.56μm的Er光纤激光器测量衍射效率。测得的效率的幅度大约比可见光谱范围内的小两个量级，且针对24μm和12μm的光栅分别等于2×10^-4和5×10^-4。

这些测量能够估计在1.56μm处所产生的Δn。特别是，可使用下式计算第一级Raman-Nath衍射：

${\mathrm{\η}}_l==J_1^2\left(2\right|k\left|l\right)=J_1^2\left(\mathrm{\π\Δn}\frac{l_G}{\mathrm{\λ}}\right)\≈{\left(\mathrm{kl}\right)}^2={\left(\mathrm{\π\Δn}\frac{l_G}{\mathrm{\λ}}\right)}^2---\left(9\right)$

在公式(9)中，J₁是一阶贝塞尔函数，l_G为衍射光栅的厚度。可根据在晶体中传播的写入光束的重叠来估计光栅厚度。在一个示例性实施例中，用靠近晶体表面大约W_b≈7μm的估计的泵浦光束宽度制造周期为12μm的光栅。有两个主要因素限制了光致光栅的深度。第一个因素是光束发散度，其导致辐射通量减小。第二个因素是相邻线的空间重叠。被分开了W_G距离的写入光束的发散度(θ_b)在距离l_G～(W_G/2θ_b)≈(W_GW_b/2λ)处重叠。对于W_G＝12μm的光栅，衍射光栅的厚度大致为l_G＝50μm。在具有24μm周期光栅的示例性实施例中，光束在两倍距离处重叠，导致在根据所公开的实施例进行的试验中观察到更大的衍射效率。从试验结果计算出的折射率的改变为Δn≈10^-4，与估计值很接近。在一个示例性实施例中，将LiF晶体暴露于平均功率达到15W的光纤激光器的中红外辐射下，直接表明这些衍射光栅用于中红外激光器装置的LiF CC晶体的应用的可行性。

根据所公开的实施例制造的LiF色心晶体可以用作工作在中红外光谱范围的VBG，并且可以产生从大约10％到接近100％的范围内的效率。在一个示例中，基于色心褪色的光折射效应，针对0.5-2cm长的VBG，在1-6μm光谱范围内能够提供大约60％的VBG效率。基于所进行的测试结果，通过使用飞秒Ti：蓝宝石激光器制造，并使用在0.532，0.632和1.56μm的Raman-Nath衍射表征在LiF:CC中具有24μm和12μm的周期性结构。在1.56μm的衍射清晰地证明了相位光栅制造以及这些材料用于中红外VBG应用的可行性。测得的所产生的折射率的改变(Δn)为大约10^-4，与估计值接近，并且对于VBG应用来说足够大。

图8表示根据一个示例性实施例的可以被实施以制造体布拉格光栅的一组操作800。在802，在碱卤化物晶体中形成多个色心。可通过例如将碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或通过添加剂或电解着色，实现形成这样的色心。在804，去除多个色心的子集，以便在中红外光谱范围内产生碱卤化物晶体的折射率的改变，从而制造出工作在中红外光谱范围的体布拉格光栅。可通过例如光致褪色、对准晶体的两个相干光束的干涉图案或者通过电子或离子束刻蚀直接写入，从而选择性地去除色心。

因此，基于所描述的技术，可以通过使用在中红外光谱范围具有宽光谱透明度的包括多个色心的碱卤化物晶体，形成工作在中红外光谱范围的体布拉格光栅装置。将碱卤化物晶体结构化成，通过选择性地去除多个色心的至少一个子集而表现出在中红外光谱范围的碱卤化物晶体的折射率的改变，以形成工作在中红外光谱范围的体布拉格光栅。在一些应用中，用于对中红外光谱范围的光进行衍射的体布拉格光栅装置，可包括在中红外光谱范围不具有吸收带、在可见和近红外光谱范围具有强吸收带的碱卤化物色心晶体，其中在碱卤化物色心晶体中形成相位布拉格光栅，从而实现对中红外光谱范围内的光的衍射。用于对中红外光谱范围的光进行衍射的体布拉格光栅的制造方法还可以这样实现，包括：将碱卤化物晶体暴露于辐射下，从而在中红外光谱范围内不具有吸收带、在可见和近红外光谱范围内具有强吸收带的晶体中产生色心；以及在中红外光谱范围具有足够大的折射率的改变的碱卤化物色心晶体中写入相位布拉格光栅，从而实现对中红外光谱范围的光的衍射。在该方法的一个实现中，将光束引向碱卤化物色心晶体，从而在碱卤化物色心晶体中形成相位布拉格光栅。在另一个实现中，将两个相干光束引向碱卤化物色心晶体，形成光学干涉图案，从而在碱卤化物色心晶体中形成相位布拉格光栅。在又一个实现中，在碱卤化物色心晶体上执行电子或离子束刻蚀，从而在碱卤化物色心晶体中写入相位布拉格光栅。

使用由具有色心的碱卤化物晶体形成的体布拉格光栅的一种方法，是对中红外光谱范围内的光进行衍射，产生诸如后反射的光学反射。图9中表示出该方法，其中，在902，在中红外光谱范围内表现为光学透明，并且在可见或近红外光谱范围内表现为光学吸收的碱卤化物色心晶体，被暴露于中红外光谱范围的入射光束下。将碱卤化物色心晶体结构化成包括色心的永久性空间周期性光栅图案，其在中红外光谱范围内在碱卤化物色心晶体中具有足够大的折射率空间周期性调制，以实现相位布拉格光栅。针对中红外光谱范围的光波长，光栅的空间周期由布拉格条件设定，并且比针对可见和近红外光谱范围设计的光栅的光栅周期更长。再次参考图9，在904，控制永久性空间周期性光栅图案相对于入射光束的取向，以便对布拉格条件下的输入光束的光进行衍射，从而在中红外光谱范围内产生光学反射。例如，入射光束的波长可以处于从2μm到6μm的范围内，在该范围内还没有商品化的基于色心晶体的VBG。

尽管本专利文件包含许多详细说明，然而这些详细说明不应当被解释为限制任意发明或者可以要求保护的发明的范围，而可以是专用于特定发明的特定实施例的特征的描述。本专利文件中在分离的实施例中描述的某些特征也可以组合在一个实施例中实施。相反，在一个实施例中描述的多个特征也可以在多个实施例中分离地实施，或者按照任何适当的子组合方式实施。此外，尽管上文将特征描述为按照某种组合起作用，甚至最初也是这样要求保护的，不过在有些情形中，所要求的组合的一个或多个特征可以从组合拆分出，并且所要求保护的组合可以被指向子组合或子组合的变型。

同样，尽管附图中所示的操作是按照特定顺序的，不过不应当将其理解为为了实现期望的结果而要求按照所示的特定顺序或者依次执行这些操作，或者所有所示的操作都被执行。此外，在前面所述的实施例中多个系统部件的分离不应被理解为在所有实施例中都要求这种分离。

仅描述了几个实现和示例，但是，基于本专利文件中所描述和说明的，可以进行其他的实施、改进和变型。

Claims (27)

1.一种工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅装置，包括：

包括多个色心的碱卤化物晶体，在中红外光谱范围内具有宽的光谱透明度，通过选择性地去除所述多个色心的至少一个子集，所述碱卤化物晶体被结构化成在所述中红外光谱范围内表现出所述碱卤化物晶体的折射率的改变，从而形成工作在所述中红外光谱范围内的体布拉格光栅。

2.根据权利要求1的装置，其中，所述碱卤化物晶体是氟化锂(LiF)晶体。

3.根据权利要求1的装置，其中，通过对色心的所述子集的光致褪色而对所述碱卤化物晶体结构化。

4.根据权利要求1的装置，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，所述折射率的改变至少为10^-4。

5.根据权利要求1的装置，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，所述体布拉格光栅表现出大约10％到100％的范围内的效率。

6.根据权利要求1的装置，其中，所述体布拉格光栅包括按照由选择性地去除所述多个色心所导致的折射率的空间改变而形成的沟槽。

7.根据权利要求1的装置，其中，所述选择性地去除包括对所述多个色心的所述子集进行光致褪色。

8.根据权利要求1的装置，其中，通过电离辐射和/或添加剂或电解着色，在所述碱卤化物晶体内形成所述多个色心。

9.根据权利要求1的装置，进一步被配置成作为激光腔的输出耦合器或反射器工作。

10.一种制造工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅装置的方法，包括：

获得包括多个色心的碱卤化物晶体；和

选择性地去除所述多个色心的子集，以在所述中红外光谱范围内产生所述碱卤化物晶体的折射率的空间改变，以便实现工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅。

11.根据权利要求10的方法，其中，所述碱卤化物晶体是氟化锂(LiF)晶体。

12.根据权利要求10的方法，其中获得包括所述多个色心的所述碱卤化物晶体包括：将所述碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或通过添加剂或电解着色，形成所述多个色心。

13.根据权利要求10的方法，其中，选择性地去除所述多个色心的所述子集包括对色心的所述子集进行光致褪色。

14.根据权利要求13的方法，其中，光致褪色包括：

(a)将包括所述多个色心的所述碱卤化物晶体暴露于激光束，以形成第一沟槽；

(b)移动所述碱卤化物晶体的位置；

(c)在所述移动之后，将所述碱卤化物晶体暴露于所述激光束，以形成第二沟槽；以及

(d)重复步骤(b)和(c)预定的次数，以形成附加的沟槽。

15.根据权利要求10的方法，其中，选择性地去除所述多个色心的所述子集包括：将两个或更多个相干光束引向所述碱卤化物晶体，以使得使用两个或更多个光束的干涉图案来形成所述体布拉格光栅。

16.根据权利要求10的方法，其中，通过电子或离子束刻蚀执行选择性地去除所述多个色心的所述子集。

17.根据权利要求10的方法，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，折射率的改变至少为10^-4。

18.根据权利要求10的方法，其中，选择性地去除所述多个色心产生折射率的空间改变，该折射率的空间改变形成所述体布拉格光栅的多个沟槽。

19.根据权利要求10的方法，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，体布拉格光栅表现出大约10％到100％的效率。

20.一种包括权利要求1的体布拉格光栅装置的激光器系统，其中，所述体布拉格光栅装置被配置成工作为所述激光器系统的激光腔的输出耦合器或反射器。

21.一种使用由具有色心的碱卤化物晶体形成的体布拉格光栅对中红外光谱范围的光进行衍射从而产生光学反射的方法，包括：

将在中红外光谱范围表现光学透明、并且在可见或近红外光谱范围表现光学吸收的碱卤化物色心晶体暴露于中红外光谱范围内的入射光束，将所述碱卤化物色心晶体结构化成包括色心的永久性空间周期性光栅图案，所述永久性空间周期性光栅图案在所述中红外光谱范围内在所述碱卤化物色心晶体的折射率方面具有足够大的空间周期性调制，从而实现相位布拉格光栅；和

控制所述永久性空间周期性光栅图案相对于所述入射光束的取向，以在布拉格条件下对所述输入光束的光进行衍射，从而在中红外光谱范围内产生光学反射。

22.根据权利要求21的方法，其中，通过将碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或添加剂或电解着色，在所述碱卤化物色心晶体中形成色心。

23.根据权利要求21的方法，其中，通过光致褪色在所述碱卤化物色心晶体中形成色心的所述永久空间周期性光栅图案。

24.根据权利要求21的方法，其中，通过电子或离子束刻蚀在碱卤化物色心晶体中形成色心的所述永久空间周期性光栅图案。

25.根据权利要求21的方法，其中，所述入射光束的波长处于2μm到6μm的范围。

26.根据权利要求21的方法，包括在室温下操作所述碱卤化物色心晶体。

27.根据权利要求21的方法，包括将所述碱卤化物色心晶体包括为激光腔的一部分，以使用所述相位布拉格光栅在激光腔中提供光学反射。