CN108549124B - 一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光栅加工技术研究领域，具体涉及一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置及方法，该装置包括脉冲激光器、扩束准直系统、第一反射镜、玻璃基底、角度调节间隔子、第二反射镜、电动位移平台和控制电脑，加工全息金光栅的方法采用固体脉冲激光器，并结合全息成像技术，利用等厚干涉的全息记录技术，使得加工的系统采用共光路结构，加工过程不需要对脉冲激光进行分光束干涉，提高了系统的稳定度，并且能够实现光栅刻线周期以及光栅面积的灵活调节，是一种稳定性好、加工效率高、光栅刻线周期及光栅面积可灵活调节的光栅加工技术。该光栅加工的装置及方法是基于脉冲激光和等厚干涉技术实现的。

Description

一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置及方法
技术领域
本发明涉及光栅的加工技术领域，更具体而言，涉及一种全息金光栅的加工装置及制备方法。
背景技术
光栅具有色散、分束、偏振和相位匹配等性质，已被广泛应用于光谱分析，光学测量和集成光学等应用领域。现在常用的光栅有反射光栅、透射光栅、闪耀光栅和全息光栅等几类。通常反射光栅、透射光栅和闪耀光栅为机刻光栅，全息光栅是利用光全息技术制作的光栅。相比机刻光栅，全息光栅不需要机械刻蚀，不存在刻线周期误差，消除了机刻光栅存在的鬼线和伴线误差。因此，全息光栅具有光栅线槽密度高，分辨本领大，杂散光小，加工成本低和加工周期相对较短等优点。
目前，全息光栅的加工方法主要是利用激光产生的两束相干光干涉，并在光敏材料上产生均匀的干涉条纹而使材料曝光形成光栅结构。由于相干光一般采用氦氖激光器或半导体激光器产生、激光功率有限，制作光栅的材料一般选用感光性强、易曝光的光刻胶或卤化银感光材料。这些感光材料一般光功率阈值低，不适合强光条件应用；并且制作全息光栅的感光材料的存放环境条件（温度、干湿度等）要求高，不利于全息光栅的长时间应用和保存。此外，现阶段全息光栅的加工方法一般是，先将激光光源的出射光一分为二，然后再利用两个反射镜将两束相干光调节相遇，并形成干涉场，最后感光材料记录干涉全息图，并形成光栅。该光栅加工系统稳定性有限，抗环境干扰能力低。
发明内容
为了克服现有技术中全息光栅感光材料及加工方法所存在的不足，本发明提供一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置及方法，优化全息光栅加工的系统结构，提高加工系统的稳定性，简化全息光栅加工工序，提高全息光栅加工质量和效率。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种采用脉冲激光加工全息光栅的装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光器、扩束准直系统、第一反射镜、玻璃基底、角度调节间隔子、第二反射镜、电动位移平台和控制电脑；所述沿脉冲激光器、扩束准直系统、第一反射镜、玻璃基底、第二反射镜沿入射光路依次设置，玻璃基底放置在第二反射镜上，并采用角度调节间隔子支撑一端，进而形成劈尖状；所述玻璃基底单面镀金膜。
所述脉冲激光器为Nd:YAG固体纳秒脉冲激光器。
所述玻璃基底采用BK7玻璃基底。
所述玻璃基底镀制金膜面朝下放置。
一种采用脉冲激光加工全息金光栅的方法，包括以下步骤：
S1、将玻璃基底依次采用NaOH强碱溶液、H2SO4强酸溶液浸泡，并清洗掉基底在研磨加工过程在玻璃基底表面残留的研磨粉和抛光液，然后用丙酮超声浴清洗，最后用去离子水超声浴清洗，清洗干净的玻璃基底在烘箱中50℃烘干后镀制厚度为5~100nm的金薄膜；
S2、将S1中镀制金膜的玻璃基底的镀制金膜面朝下，放置在第二反射镜上，并采用角度调节间隔子支撑一端，通过角度调节间隔子调节玻璃基底与第二反射镜之间的夹角θ；
S3、脉冲激光器发射光束，经扩束准直系统对光束进行扩束准直；
S4、S3中扩束准直后的脉冲激光经过第一反射镜后，由水平平行光束变为竖直方向入射的光束；
S5、S4中竖直光束入射至待加工的镀制金膜的玻璃基底，在金膜与空气界面发生反射和透射，透射光经第二反镜反射后进入金膜，与金膜中的反射光相遇并产生干涉现象，并在金膜中形成明暗相间的干涉条纹，对金膜进行烧蚀而构成光栅；
S6、通过控制电脑（8）控制电动位移平台（7）在x或y方向上平移，能够设计出更大面积的全息金光栅。
所述玻璃基底上金薄膜采用磁控溅射的方法镀制，金薄膜厚度为5~100nm。
所述脉冲激光器为Nd:YAG固体纳秒脉冲激光器，脉冲激光选择单次脉冲输出，倍频输出波长为532nm，脉冲宽度优于7ns。
扩束准直系统包括凹透镜和凸透镜，通过选择更换不同焦距的凸透镜能够将准直后脉冲激光的功率密度控制在10~50mJ/cm2。
所述玻璃基底与第二反射镜之间的夹角θ为5°~60°，使金光栅周期在327~3257刻线/mm范围可选。。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1）本发明的全息光栅加工装置及方法，采用Nd:YAG固体纳秒脉冲激光作为光源，并利用激光烧蚀的方法在金薄膜上记录全息干涉条纹，其中亮条纹位置烧蚀形成光栅凹槽，暗条纹位置无明显变化，形成的金光栅具有耐光功率阈值高，耐长期应用的优势；
2）本发明的全息光栅加工装置及方法，采用玻璃基底上镀制金薄膜的方案来记录全息干涉条纹，无鬼线误差，分辨率高的优点，并且加工制作的全息金光栅同时具有透射光栅和反射光栅的应用优势；
3）本发明的全息光栅加工装置及方法，采用等厚干涉技术形成全息干涉条纹，具有共光路的优点，提高了光栅加工系统的稳定性，并且光栅的刻线数能够灵活调节，提高了光栅加工的效率。
附图说明
图1为.本发明提供的一种采用脉冲激光加工全息光栅的装置结构示意图。
图1中：1为脉冲激光器、2为扩束准直系统、3为第一反射镜、4为玻璃基底、5为角度调节间隔子、6为第二反射镜、7为电动位移平台、8为控制电脑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种采用脉冲激光加工全息光栅的装置，该装置包括脉冲激光器1、扩束准直系统2、第一反射镜3、玻璃基底4、角度调节间隔子5、第二反射镜6、电动位移平台7和控制电脑8；所述沿脉冲激光器1、扩束准直系统2、第一反射镜3、玻璃基底4、第二反射镜6沿入射光路依次设置，玻璃基底4放置在第二反射镜6上，并采用间隔子5支撑一端，进而形成劈尖状；所述玻璃基底4单面镀金膜。
所述脉冲激光器1采用Nd:YAG固体纳秒脉冲激光器，输出波长为532nm的激光，脉冲宽度优于7ns。在入射样品前，脉冲激光首先经过扩束准直系统2对光束进行扩束准直，其中脉冲激光首先经过凹透镜进行扩束，然后选择合适焦距的凸透镜进行准直，通过选择更换不同焦距的凸透镜能够将准直后脉冲激光的功率密度控制在10~50mJ/cm2。扩束准直后的脉冲激光束直径约为1英寸。扩束准直后的脉冲激光经过第一反射镜3后，由水平平行光束变为竖直方向入射的光束，该光束入射待加工的镀制金膜的玻璃基底4。
玻璃基底4采用BK7玻璃基底，玻璃基底4在镀制金膜前，依次采用NaOH强碱溶液、H2SO4强酸溶液浸泡，并清洗掉基底在研磨加工过程在玻璃基底4表面残留的研磨粉和抛光液。然后，丙酮超声浴清洗，最后采用去离子水超声浴清洗。清洗干净的玻璃基底4在烘箱中50℃烘干。采用磁控溅射的方法在玻璃基底4上镀制厚度为5~100nm的金薄膜。相比其他金属材料，金具有较稳定的化学性质，在空气中不易氧化，并且具有较宽的光谱应用范围。对于薄膜的厚度，根据光栅的应用特性选择，在透过率要求高的应用中，选择镀制较薄的金膜；在反射率要求高的应用中，选择镀制较厚的金膜。采用磁控溅射的方法，金膜的厚度能够根据溅射的电流和时间灵活控制。
镀制金膜的玻璃基底4放置在第二反射镜6上，并采用角度调节间隔子5支撑一端，进而形成劈尖状。其中，玻璃基底4镀制金膜面朝下。经第一反射镜3反射后，沿竖直方向的脉冲激光束入射玻璃基底4，在金膜与空气界面发生反射和透射，透射光经第二反镜6反射后进入金膜，与金膜中的反射光相遇并产生干涉现象，并在金膜中形成明暗相间的干涉条纹。这便满足经典的等厚干涉模型，干涉条纹的间距不仅与脉冲激光波长有关，还与基底4与第二反射镜6之间的夹角有关，并且满足方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，d为金膜中干涉条纹间距，θ为镀制金膜的玻璃基底4与第二反射镜镜面6之间的夹角，λ为脉冲激光波长。由上式可知，干涉条纹间距能够通过角度调节间隔子5调节，镀制金膜的玻璃基底4与第二反射镜6镜面之间的夹角θ一般设置在5°~60°范围，因此，干涉条纹间距在307nm~3056nm范围。
脉冲激光选择单次脉冲输出，利用等厚干涉技术在金膜中形成明暗相间的干涉条纹，其中亮条纹的位置对金膜进行烧蚀，并产生凹槽，暗条纹的位置没有发生明显变化。因此，金膜中记录下干涉条纹，进而形成全息金光栅。根据金膜的不同厚度，在脉冲激光扩束准直时，通过选择不同焦距的凸透镜来控制准直光束的光通量达到调节激光功率密度的目的。加工的全息金光栅同时具有反射光栅和透射光栅的功能。
干涉条纹间距在307nm~3056nm范围内通过角度调节间隔子5调节，因此加工的全息金光栅的刻线数在327~3257刻线/mm范围内可灵活调节。经准直后的脉冲激光的光束直径为1英寸，通过控制电脑8控制电动位移平台7在x或y方向上平移，能够设计出更大面积的全息金光栅。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置，其特征在于：该装置包括脉冲激光器（1）、扩束准直系统（2）、第一反射镜（3）、玻璃基底（4）、角度调节间隔子（5）、第二反射镜（6）、电动位移平台（7）和控制电脑（8）；所述脉冲激光器（1）、扩束准直系统（2）、第一反射镜（3）、玻璃基底（4）、第二反射镜（6）沿入射光路依次设置，玻璃基底（4）放置在第二反射镜（6）上，并采用角度调节间隔子（5）支撑一端，进而形成劈尖状；所述玻璃基底（4）单面镀金膜；所述玻璃基底（4）镀制金膜面朝下放置。
2.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置，其特征在于：所述脉冲激光器（1）为Nd:YAG固体纳秒脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的一种采用脉冲激光加工全息金光栅的装置，其特征在于：所述玻璃基底（4）采用BK7玻璃基底。
4.一种采用脉冲激光加工全息金光栅的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将玻璃基底（4）依次采用NaOH强碱溶液、H2SO4强酸溶液浸泡并清洗，然后用丙酮超声浴清洗，最后用去离子水超声浴清洗，清洗干净的玻璃基底（4）在烘箱中50℃烘干后镀制厚度为5~100nm的金薄膜；
S2、将S1中镀制金膜的玻璃基底（4）的镀制金膜面朝下，放置在第二反射镜（6）上，并采用角度调节间隔子（5）支撑一端，通过角度调节间隔子（5）调节玻璃基底（4）与第二反射镜（6）之间的夹角θ；
S3、脉冲激光器（1）发射光束，经扩束准直系统（2）对光束进行扩束准直；
S4、S3中扩束准直后的脉冲激光经过第一反射镜（3）后，由水平平行光束变为竖直方向入射的光束；
S5、S4中竖直光束入射至待加工的镀制金膜的玻璃基底（4），在金膜与空气界面发生反射和透射，透射光经第二反镜（6）反射后进入金膜，与金膜中的反射光相遇并产生干涉现象，并在金膜中形成明暗相间的干涉条纹，对金膜进行烧蚀而构成光栅；
S6、通过控制电脑（8）控制电动位移平台（7）在x或y方向上平移，能够设计出更大面积的全息金光栅。
5.根据权利要求4所述的一种采用脉冲激光加工全息金光栅的方法，其特征在于：所述玻璃基底（4）上金薄膜采用磁控溅射的方法镀制，金薄膜厚度为5~100nm。
6.根据权利要求4所述的一种采用脉冲激光加工全息金光栅的方法，其特征在于：所述脉冲激光器（1）为Nd:YAG固体纳秒脉冲激光器，脉冲激光选择单次脉冲输出，倍频输出波长为532nm，脉冲宽度优于7ns。
7.根据权利要求4所述的一种采用脉冲激光加工全息金光栅的方法，其特征在于：扩束准直系统（2）包括凹透镜和凸透镜，通过选择更换不同焦距的凸透镜能够将准直后脉冲激光的功率密度控制在10~50mJ/cm2。
8.根据权利要求4所述的一种采用脉冲激光加工全息金光栅的方法，其特征在于：所述夹角θ为5°~60°，使金光栅周期在327~3257刻线/mm范围可选。
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