CN110879433A - 一种基于光热折变玻璃的反射式体光栅制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光热折变玻璃的反射式体光栅制备方法，包括步骤：(1)曝光面进行精抛光；采用双束紫外平行光形成的干涉条纹对PTR玻璃进行曝光；采用450‑550℃的温度进行热显影；沿垂直于曝光入射面方向切割；对切割面精抛光处理后镀上对使用波长λ使透过率大于99.5％的全介质减反膜，完成反射式体光栅的制备。本发明通过调节曝光角度θ可实现对使用波长的调控，通过对曝光时长、热处理温度和时长实现对反射式体光栅的衍射效率(10％～99％)进行调控，通过切割厚度(0.3mm～30mm)调控实现对光谱半高宽(0.02nm～1nm)进行调控。通过工艺参数调节实现自由调控，且有利于实现规模化量产。

Description

一种基于光热折变玻璃的反射式体光栅制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于光热折变(PTR，Photo-Thermal Refractive)玻璃的反射式体光栅制备方法。
背景技术
半导体激光器具有效率高、体积小、重量轻、寿命长以及便于集成等优势，在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。但半导体激光器的输出光谱线宽一般为2-5nm，而且随着温度的变化中心波长漂移较大，因此外腔锁波、光谱压缩技术应运而生。
近年来，反射式体光栅被应用于高功率半导体激光器的波长稳定和光谱压缩，取得了显著的成果【在先技术1：L.Glebov et al.,Optics Letters,33,7(2008)】。其原理是当激光器腔外插入反射式体光栅后，只有特定波长(满足布拉格条件)，特定角度的入射光才能反馈回激光器，从而达到波长稳定和光谱压窄的效果，不同厚度的反射式体光栅能够实现不同的光谱压窄效果，且厚度越厚光谱越窄。
反射式体光栅的应用能够压窄半导体激光器的线宽、稳定输出波长、提高亮度、减少热影响，且使用寿命长、可靠性高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光热折变(PTR)玻璃的反射式体光栅的制备方法。
基于PTR玻璃的反射式体光栅制备方法包括以下步骤：
(1)将待曝光的PTR玻璃的表面进行抛光，使曝光入射面和出射面3的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm；
(2)双束紫外平行光形成的干涉条纹从入射面照射至PTR玻璃上，干涉条纹7周期Λ＝λ使/2nav，曝光角度θ＝arcsin(navλ曝/λ使)，其中λ曝为用于曝光的紫外光波长，λ使为反射式体光栅的使用波长，nav为PTR玻璃1的平均折射率，θ是双束紫外平行光分别与PTR玻璃的法线6的夹角。
(3)保持双束紫外平行光和PTR玻璃的位置，使干涉条纹在PTR玻璃内部保持3分钟至30分钟左右，使PTR玻璃的折射率发生周期性变化，其周期与干涉条纹周期一致，至此紫外曝光过程结束。
(4)将曝光后的PTR玻璃放置于高温炉中，采用450-550℃的温度对玻璃进行热显影，恒温时间30分钟至240分钟。
(5)将热显影后的光热折变玻璃沿垂直于曝光入射面方向切割成一定厚度的小块成为反射式体光栅，该反射式体光栅的两个切割面即为通光面，且两个通光面的夹角小于1′；
(6)对切割面进行抛光处理，使切割面的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm，并对其他面进行打毛处理；
(7)在切割面上镀制全介质减反射膜，确保反射式体光栅的使用波长λ使的透过率大于99.5％。
通过反射式体光栅的厚度在0.3～30毫米范围内变化，实现对光谱半高宽在1nm～0.02nm范围内进行调控。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：反射式体光栅的性能可通过工艺参数调节实现自由调控，且有利于实现规模化量产。
附图说明
图1为PTR玻璃曝光示意图。
图2为PTR玻璃曝光后切割示意图。
图3为使用反射式体光栅前后光谱图。
图中：PTR玻璃1、入射面2、出射面3、曝光光束4和5、法线6、干涉条纹7、反射式体光栅8、切割面9和10。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。如图1、2所示，基于光热折变玻璃的反射式体光栅制备方法包括以下步骤：
将待曝光的PTR玻璃1的表面进行抛光，使曝光入射面2和出射面3的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm。
双束紫外平行光4和5形成的干涉条纹7从入射面照射至PTR玻璃1上，干涉条纹7周期Λ＝λ使/2nav，曝光角度θ＝arcsin(navλ曝/λ使)，其中λ曝为用于曝光的紫外光波长，λ使为反射式体光栅的使用波长，nav为PTR玻璃1的平均折射率，θ是双束紫外平行光4和5分别与法线6的夹角。
保持双束紫外平行光4和5和PTR玻璃1的位置，使干涉条纹7在PTR玻璃1内部保持3分钟至30分钟左右，使PTR玻璃1的折射率发生周期性变化，其周期与干涉条纹7周期一致，至此紫外曝光过程结束。
将曝光后的PTR玻璃1放置于高温炉中，采用450-550℃的温度对玻璃进行热显影，恒温时间30分钟至240分钟。
将热显影后的PTR玻璃沿垂直于曝光入射面方向切割成一定厚度的小块成为反射式体光栅8，该反射式体光栅8的两个切割面9和10即为通光面，且两个通光面的夹角小于1′。
对切割面9和10抛光处理，使他们的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm，并对其他面进行打毛处理。
在切割面9和10上镀制全介质减反射膜，确保反射式体光栅的使用波长λ使的透过率大于99.5％。
上述方法只要通过曝光角度θ调节就可以对使用波长(λ使)405、7XX、8XX、9XX、10XX、15XX、19XX nm等类型的反射式体光栅进行制备；通过对曝光时长、热处理温度和时长实现对反射式体光栅的衍射效率7％-99％的调控；通过切割厚度调控实现对光谱半高宽0.03nm-1nm的调控。
实施例1：以使用波长λ使为975±0.5nm、谱线半高宽0.3nm的反射式体光栅制备过程做详细实例说明。
(1)将待曝光的PTR玻璃的表面进行抛光，使曝光入射面和出射面的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm。
(2)PTR玻璃在波长975nm处的平均折射率nav为1.4958，根据公式θ＝arcsin(navλ曝/λ使)计算得到曝光角θ＝29°52′25″。
(3)曝光状态如图1所示，使用的PTR玻璃尺寸为20mm(长)×5mm(宽)×4mm(厚)。采用功率为50mW的He-Cd激光器作为曝光光源，其输出波长λ曝为325nm。输出的紫外光经分束、扩束(扩束镜倍率40×)、滤波(在扩束镜的焦平面放置小孔光阑)、准直(准直镜的通光孔径φ50mm)后得到两束相干光。尽量使两束光的光斑重合，并调节两束光与样品法线的夹角都为θ＝29°52′25″，形成稳定的干涉条纹，根据公式Λ＝λ使/2nav计算得到干涉条纹的周期为Λ＝325.91nm。
(4)测量激光功率后，将PTR玻璃装上曝光台，其正好位于曝光光场的中心，然后对PTR玻璃进行长达7分钟的曝光，使玻璃内部的折射率发生周期性变化，其周期与干涉条纹周期一致。注意在此期间应保证入射的紫外光和PTR玻璃的位置稳定无变化。
(5)将紫外曝光的PTR玻璃放置于510℃的高温退火炉中，恒温30分钟，对其进行热显影从而形成折射率永久调制的体光栅。
(6)将热显影后的PTR玻璃沿垂直于曝光入射面方向切割成厚度为1.5mm的小块，两切割面成为反射式体光栅应用的通光面，且他们的夹角应小于1′。
(7)对两个切割面进行抛光RMS＜1nm，并对其他面进行打毛处理。对两切割面镀制全介质减反膜，减反膜对波长974.5-975.5nm的光的透过率应大于99.5％。
制备出的反射式体光栅应用效果如图3所示，得到输出使用波长为975.48nm，半高宽为0.3nm。
通过以上方式可以制备出5mm(长)×4mm(宽)×1.5mm(厚)的反射式体光栅，数量为10片。其通光面尺寸为5mm×4mm，使用波长为975±0.5nm，光谱半高宽0.3nm，达到了稳定波长、光谱窄化的效果。
值得注意的是，上述方法只要通过曝光角度θ调节就可以对使用波长(λ使)405、7XX、8XX、9XX、10XX、15XX、19XX nm等类型的反射式体光栅进行制备；通过对曝光时长、热处理温度和时长实现对反射式体光栅的衍射效率10％-99％的调控；通过切割厚度0.3-30mm的调控实现对光谱半高宽1-0.02nm的调控。另外，通过增加被曝光PTR玻璃面积(增加长度和宽度)可以一次性制备出更多的反射式体光栅，说明该方法有利于规模化量产。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于光热折变玻璃的反射式体光栅制备方法，其特征在于，该制备方法包含以下步骤：
(a)将待曝光的光热折变玻璃(1)的表面进行抛光，使曝光入射面(2)和出射面(3)的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm；
(b)双束紫外平行光(4,5)形成的干涉条纹(7)从入射面(2)照射至光热折变玻璃(1)上，干涉条纹(7)周期Λ＝λ使/2nav，曝光角度θ＝arcsin(navλ曝/λ使)，其中λ曝为紫外平行光的波长，λ使为反射式体光栅的使用波长，nav为光热折变玻璃(1)的平均折射率，θ是双束紫外平行光(4,5)分别与法线(6)的夹角。
(c)保持双束紫外平行光(4,5)和光热折变玻璃(1)的位置，使干涉条纹(7)在光热折变玻璃(1)内部保持3分钟至30分钟左右，且光热折变玻璃(1)的折射率发生周期性变化，其周期与干涉条纹(7)周期一致，至此紫外曝光过程结束；
(d)将曝光后的光热折变玻璃(1)放置于高温炉中，采用450-550℃的温度对玻璃进行热显影，恒温时间30分钟至240分钟；
(e)将热显影后的光热折变玻璃沿垂直于曝光入射面方向切割成一定厚度的小块成为反射式体光栅(8)，该反射式体光栅(8)的两个切割面(9，10)即为通光面，且两个通光面的夹角小于1′；
(f)对切割面(9,10)抛光处理，使切割面(9,10)的表面均方根粗糙度RMS均小于1nm，并对其他面进行打毛处理；
(g)在切割面(9，10)上镀制全介质减反射膜，确保反射式体光栅的使用波长λ使的透过率大于99.5％。
2.根据权利要求1所述的基于光热折变玻璃的反射式体光栅制备方法，其特征在于，所述的反射式体光栅(8)的厚度在0.3～30毫米范围内变化，实现对光谱半高宽在1nm～0.02nm范围内进行调控。
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