CN111880254B - 一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法 - Google Patents

一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法：采用两束光谱波段互相不重叠的第一束光和第二束光，第一束光进行干涉后形成干涉光，第二束光形成空间上有连续光强变化的光；将干涉光与空间上有连续光强变化的光同时照射到光敏材料上，得到衍射效率连续变化的光栅；光敏材料为光固化材料，干涉光使光敏材料固化，空间上有连续光强变化的光抑制光敏材料固化；或光敏材料为光致折射率变化的材料。本发明提供的制备方法直接通过对光敏材料曝光得到，主要针对现有的基于波导光栅耦合器的光学系统的出射光束存在均匀性较差的缺点，可以获得光强均匀的分布的出射光束，从而有效提升光学系统的成像能力和信息传输能力等性能。

Description

一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法
技术领域
本发明涉及波导光学衍射元件领域，尤其涉及一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法。
技术背景
光栅是指光学参量(如透射率、折射率等)或空间结构分布具有周期性变化的衍射元件。光栅的制备是光栅研究的重要环节，所选用的光学材料包括以下几大类：玻璃材料体系、半导体材料体系、无机晶体材料体系、有机材料体系等。光栅的制备都是围绕这些材料的工艺进行研究。光栅可分为表面刻蚀光栅和体光栅两种。目前，表面刻蚀光栅是通过表面周期性空间微结构对光束进行调制，主要通过用光刻胶光栅掩膜、离子蚀刻或反应离子蚀刻工艺等方法制备。而体光栅是采用感光方法制备的永久性光栅，这种光栅的折射率是呈周期分布的。因此这种光栅主要是通过材料的设计和非结构上的改变实现折射率的调制。目前制作光栅的方法工艺流程复杂，成本较高。
光波导是能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中长距离无辐射损耗的传输的装置，而在光波导结构中引入光栅后，构成的波导光栅耦合器可以利用波导光栅结构实现光在波导中的输入、输出耦合，因此波导光栅耦合器是光波导中最重要的元器件之一。波导光栅耦合器在光互连、集成光学器件、光纤通讯等领域都有着广泛的应用，尤其近年来，随着增强现实技术的快速发展，尤其是对增强现实显示技术的深入研究，波导光栅耦合器的应用领域进一步扩大。
波导光栅耦合器件常常作为光学系统的光束出入耦合元件，光束通过输入耦合器被偏转入射进光波导中，在光波导中通过全内反射传播到出射区域后，光束再次通过输出耦合器偏转而从光波导中出射。因此波导光栅耦合器的性质对整个光学系统的性能都非常重要。
然而现有的基于波导光栅耦合器的光学系统存在出射光束均匀性较差的缺点，主要原因是，传导光束在输出过程中通过波导的多次反射并由光栅依次衍射完成，在耦出光栅区反射次数不一样导致光强损耗不一样，并且目前使用的波导光栅的衍射效率是固定不变的，所以入射出的光强将依次减弱，这会导致出射光束在成像时出现图像的闪烁甚至出现图像的不连续现象，或者影响光载信息的准确性等负面影响。为获得均匀的无间断的光束输出，须优化输出光栅的衍射效率分布，即实现光栅衍射效率的连续变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法，可以解决基于波导光栅耦合器的光学系统的出射光束存在均匀性较差的缺点，且制备方法简单。
一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法，所述制备方法为：采用两束光谱波段互相不重叠的光，分别为第一束光和第二束光；第一束光进行干涉后形成干涉光，第二束光形成空间上有连续光强变化的光；将干涉光与空间上有连续光强变化的光同时照射到光敏材料上，得到衍射效率连续变化的光栅；其中，所述光敏材料为光固化材料，干涉光使光敏材料固化，空间上有连续光强变化的光抑制光敏材料固化。
所述第一束光由激光器出射后，经过分束器得到两束光，这两束光经过反射镜反射后成一定夹角，之后分别经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后互相干涉形成干涉光，并照射在光敏材料上。
或，所述第一束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，再经过楔形平板形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
其中，两束光经过反射镜反射后形成的夹角不超过40度。
或，所述第一束光由点光源出射后，经过菲涅尔双棱镜后形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束；扩束光束经过整形透镜后得到光强均匀分布的光束；光强均匀分布的光束叠加透过率连续变化型中性滤光片得到空间上有连续光强变化的光。
或，所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束后直接通过自由曲面的整形透镜形成空间上有连续光强变化的光束。
在本发明中，第一束光和第二束光的波长与光敏材料相关，光敏材料包括光固化剂和光抑制剂，光固化剂对干涉光(第一束光)敏感，光抑制剂(第二束光)对光强变化的光敏感。其中，光敏材料根据实际需要进行选择。
上述制备方法得到的衍射效率连续变化的光栅为凹槽深度连续变化的矩形光栅。凹槽深度连续变化进一步引起光栅的衍射效率的连续变化。
本发明还提供了另一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法，所述制备方法为：采用两束光谱波段互相不重叠的光，分别为第一束光和第二束光；第一束光进行干涉后形成干涉光，第二束光形成空间上有连续光强变化的光；将干涉光与空间上有连续光强变化的光同时照射到光敏材料上，得到衍射效率连续变化的光栅；其中，所述光敏材料为光致折射率变化的材料。
光致折射率变化的材料的内部光致折射率的变化与曝光光强成正比。
所述第一束光由激光器出射后，经过分束器得到两束光，这两束光经过反射镜反射后成一定夹角，之后分别经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后互相干涉形成干涉光，并照射在光敏材料上。
或，所述第一束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，再经过楔形平板形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
其中，两束光经过反射镜反射后形成的夹角不超过40度。
或，所述第一束光由点光源出射后，经过菲涅尔双棱镜后形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束；扩束光束经过整形透镜后得到光强均匀分布的光束；光强均匀分布的光束叠加透过率连续变化型中性滤光片得到空间上有连续光强变化的光。
或，所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束后直接通过自由曲面的整形透镜形成空间上有连续光强变化的光束。
上述制备方法得到的衍射效率连续变化的光栅为内部折射率分布连续变化的体光栅。内部折射率分布连续变化进一步引起光栅的衍射效率的连续变化。
本发明要解决的技术问题针对现有的基于波导光栅耦合器的光学系统的出射光束存在均匀性较差的缺点，提供一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法，是通过对光敏材料直接曝光，从而对其凹槽深度和光致折射率进行调制，以获得光强均匀分布的出射光束，从而有效提升光学系统的成像能力和信息传输能力等性能。该方法工艺流程比传统制作光栅的方法更加简单，并且成本更低。
附图说明
图1是实施例1中制备光栅的结构示意图；
图2是实施例1得到的衍射效率连续变化的矩形光栅；
图3是实施例1中矩形光栅衍射效率与刻槽深度的关系；
图4是实施例2中制备光栅的结构示意图；
图5是实施例2得到的衍射效率连续变化的体布拉格光栅；
图6是实施例2中制备光栅体布拉格光栅衍射效率与折射率调制度的关系；
图7为本发明提供的制备光栅的结构示意图；
图8是实施例3中制备光栅的结构示意图；
图9是实施例4中制备光栅的结构示意图；
其中，1-波长为a的激光器，2-波长为b的激光器，3-分束器，4-反射镜，5-扩束透镜，6-滤波针孔，7-准直透镜，8-整形透镜，9-衍射效率连续变化的光栅，10-载玻片，11-侧墙，12-连续光强变化的波长为b的光，13-透过率连续变化型中性滤光片，14-光敏材料，15-楔形平板，16-波长为a的点光源，17-菲涅尔双棱镜。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1和图7所示，波长为a的光由激光器1出射后，经过分束器3分出两束光，这两束光分别经过反射镜4反射后形成一定夹角，之后再分别通过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7进行扩束、滤波和准直后互相干涉。
波长为b的光由激光器2出射后，经过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7后扩束、滤波和准直后，得到的扩束光束的光强是呈高斯分布的，为了得到光强均匀分布的光束，应再经过整形透镜8，将其光强均匀化。在光强均匀分布的波长为b的光束后叠加透过率连续变化型中性滤光片13，可以得到连续光强变化的波长为b的光12。得到的扩束光束也可以直接通过自由曲面的整形透镜直接得到连续光强变化的波长为b的光12。
波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射在光敏材料14上。光敏材料14是一种光固化材料，由于波长为a的光1可以使其固化，波长为b的光2能抑制其固化，所以在波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时作用后，光敏材料14被曝光后的部分即可在载玻片10上得到凹槽深度连续变化的矩形光栅9。其中，载玻片10的两端设有不透光的侧墙11，避免其它光线的影响。
在本实施例中，光敏材料为光固化剂：1,7,7-三甲基-二环[2.2.1]庚烷-2,3-二酮和光抑制剂：二硫化四乙基秋兰姆的混合物，波长a为457nm，波长b为325nm，透过率连续变化型反射中性滤光片为在人造熔融石英玻璃基板表面上镀上厚度连续变化的铬膜。
本实施例制备得到的矩形光栅如图2所示，它的刻槽深度是连续变化的，光从空气(折射率＝1)入射，穿过折射率为n的光栅介质后透射进入空气中，忽略介质的吸收作用。设光栅周期为Λ，脊宽为τ，占空比为ρ＝τ/Λ，某一个周期内的刻槽深度为h，光栅厚度为d，材料折射率为n。设相邻两束入射波长为λ的光以θ角入射到光栅上，ε为折射角。照射在光栅上两根相邻的光线在经过光栅某个周期时产生的相位差为：
Figure BDA0002584138450000071
当满足光栅方程Λ(sinθm-sinθ)＝mλ时，得到各级次的衍射效率为：
η0＝1-2ρ(1-ρ)(1-cos△φ)
Figure BDA0002584138450000072
m为衍射级次。在其他参数一定的情况下，刻槽深度h直接影响光栅的衍射效率。
本实施例得到的光栅的衍射效率与刻槽深度之间的关系由图3所示，当占空比为0.5，波长为633nm的光以30°入射角入射时，矩形光栅刻槽深度连续变化时，其衍射效率也会连续变化，可见，本发明介绍的方法可得到衍射效率连续变化的光栅。
本实施例给出一种实现光栅衍射效率连续变化的方法，即将波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光同时照射在光敏材料上，通过得到刻槽深度连续变化的矩形光栅实现。
实施例2
如图4和图7所示，波长为a的光由激光器1出射后，经过分束器3分出两束光，这两束光分别经过反射镜4反射后形成一定夹角，之后再分别通过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7进行扩束、滤波和准直后互相干涉。
波长为b的光由激光器2出射后，经过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7后扩束、滤波和准直后，得到的扩束光束的光强是呈高斯分布的，为了得到光强均匀分布的光束，应再经过整形透镜8，将其光强均匀化。在光强均匀分布的波长为b的光束后叠加透过率连续变化型中性滤光片13，可以得到连续光强变化的波长为b的光12。得到的扩束光束也可以直接通过自由曲面的整形透镜直接得到连续光强变化的波长为b的光12。
波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射在光敏材料14上。光敏材料是一种光致折射率变化的材料，其内部光致折射率的变化与曝光光强成正比，所以在波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射后，光敏材料14被曝光后的部分即可在载玻片10上得到内部折射率分布规律连续变化的体布拉格光栅9。其中，载玻片10的两端设有不透光的侧墙11，避免其它光线的影响。
在本实施例中，光敏材料为LiNbO3:Fe晶体，波长a为633nm，波长b为532nm。透过率连续变化型反射中性滤光片为在人造熔融石英玻璃基板表面上镀上厚度连续变化的铬膜。
得到的体布拉格光栅如图5所示，它的内部折射率分布是连续变化的，根据Kogelnik耦合波理论和衍射效率的定义可知无吸收体相位光栅的衍射效率为：
Figure BDA0002584138450000081
式中：υ为附加相位，ζ为相位失配参量，分别为：
Figure BDA0002584138450000082
Figure BDA0002584138450000083
式中：δn为体光栅的折射率调制度，d为体光栅的厚度，λ为写入光栅时的入射光波在真空中的波长；θr，θd分别为再现光波和衍射光波与z轴所夹的角度；σ为相位失配因子，相位失配因子是由于照明光波不满足布拉格条件而产生的相位失配，当偏离布拉格角θ0和布拉格波长λ0的偏移量分别为Δθ和Δλ时，相位失配因子可表示为可表示为：
σ＝△θKsin(φ-θ0)-△λK2/4π
φ为光栅的倾斜角，本发明中得到透射式体光栅的φ＝90°，θ0为再现光束满足布拉格条件时的入射角(与z轴所夹的角)，K为光栅矢量的大小，n0为介质的折射率。定义倾斜因子：
Figure BDA0002584138450000091
f＝1/Λ为体光栅空间频率，Λ为体光栅周期，n0为体光栅介质的平均折射率。当光波满足布拉格条件入射时，相位失配参量ζ＝0，此时衍射效率为：
Figure BDA0002584138450000092
体布拉格光栅的衍射效率与折射率调制度δn之间的关系由图6所示，当λ0为633nm，f为1000mm-1，d为1mm，n0为2.236，其折射率调制度在10-4～5×10-4连续变化时，体布拉格光栅的衍射效率会连续变化。可见，本发明介绍的方法可得到衍射效率连续变化的光栅。
在本实施例中，光致折射率材料在经过光束照射后，其内部折射率调制度会发生变化，且内部折射率调制度与其受到的光照强度有关，光强越大，其折射率调制度δn越大，所以连续光强变化会引起折射率调制度δn连续变化，从而引起衍射效率变化。
本实施例给出一种实现光栅衍射效率连续变化的方法，即将波长为a的光干涉后与强度变化的波长为b的光同时照射在光敏材料上，通过得到内部折射率分布连续变化的体布拉格光栅实现。
实施例3
如图8所示，波长为a的光由激光器1出射后，通过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7进行扩束、滤波和准直后，再经过楔形平板15，在楔形平板后发生等厚干涉。
波长为b的光由激光器2出射后，经过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7后扩束、滤波和准直后，得到的扩束光束的光强是呈高斯分布的，为了得到光强均匀分布的光束，应再经过整形透镜8，将其光强均匀化。在光强均匀分布的波长为b的光束后叠加透过率连续变化型中性滤光片13，可以得到连续光强变化的波长为b的光12。得到的扩束光束也可以直接通过自由曲面的整形透镜直接得到连续光强变化的波长为b的光12。
波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射在光敏材料14上。光敏材料是实施例1或2中提到的一种光固化材料或者光致折射率变化的材料，在波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射后，光敏材料14被曝光后的部分即可在载玻片10上得到凹槽深度连续变化的矩形光栅9或者内部折射率分布规律连续变化的体布拉格光栅9。其中，载玻片10的两端设有不透光的侧墙11，避免其它光线的影响。
在本实施例中，光敏材料为实施例1或2中使用的光敏材料。透过率连续变化型反射中性滤光片为在人造熔融石英玻璃基板表面上镀上厚度连续变化的铬膜。最终得到的凹槽深度连续变化的矩形光栅9或者内部折射率分布规律连续变化的体布拉格光栅9与实施例1或2中的光栅具有相同性质。
本实施例给出的实现光栅衍射效率连续变化的方法，即将波长为a的光干涉后与强度变化的波长为b的光同时照射在光敏材料上，通过得到凹槽深度连续变化的矩形光栅或内部折射率分布连续变化的体布拉格光栅实现。
实施例4
如图9所示，波长为a的光由点光源16出射后，通过菲涅尔双棱镜16，在菲涅尔双棱镜16后部分区域发生干涉。
波长为b的光由激光器2出射后，经过扩束透镜5、滤波针孔6和准直透镜7后扩束、滤波和准直后，得到的扩束光束的光强是呈高斯分布的，为了得到光强均匀分布的光束，应再经过整形透镜8，将其光强均匀化。在光强均匀分布的波长为b的光束后叠加透过率连续变化型中性滤光片13，可以得到连续光强变化的波长为b的光12。得到的扩束光束也可以直接通过自由曲面的整形透镜直接得到连续光强变化的波长为b的光12。
波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射在光敏材料14上。光敏材料是实施例1或2中提到的一种光固化材料或者光致折射率变化的材料，在波长为a的光干涉后与连续光强变化的波长为b的光12同时照射后，光敏材料14被曝光后的部分即可在载玻片10上得到凹槽深度连续变化的矩形光栅9或者内部折射率分布规律连续变化的体布拉格光栅9。其中，载玻片10的两端设有不透光的侧墙11，避免其它光线的影响。
在本实施例中，光敏材料为实施例1或2中使用的光敏材料。透过率连续变化型反射中性滤光片为在人造熔融石英玻璃基板表面上镀上厚度连续变化的铬膜。最终得到的凹槽深度连续变化的矩形光栅9或者内部折射率分布规律连续变化的体布拉格光栅9与实施例1或2中的光栅具有相同性质。
本实施例给出一种实现光栅衍射效率连续变化的方法，即将波长为a的光干涉后与强度变化的波长为b的光同时照射在光敏材料上，通过得到凹槽深度连续变化的矩形光栅或内部折射率分布连续变化的体布拉格光栅实现。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：采用两束光谱波段互相不重叠的光，分别为第一束光和第二束光；第一束光进行干涉后形成干涉光，第二束光形成空间上有连续光强变化的光；将干涉光与空间上有连续光强变化的光同时照射到光敏材料上，得到衍射效率连续变化的光栅；其中，所述光敏材料为光固化材料，干涉光使光敏材料固化，空间上有连续光强变化的光抑制光敏材料固化。
2.根据权利要求1所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一束光由激光器出射后，经过分束器得到两束光，这两束光经过反射镜反射后形成一定夹角，之后分别经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后互相干涉形成干涉光，并照射在光敏材料上；或所述第一束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，再经过楔形平板形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
3.根据权利要求1所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一束光由点光源出射后，经过菲涅尔双棱镜后形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
4.根据权利要求1所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束；扩束光束经过整形透镜后得到光强均匀分布的光束；光强均匀分布的光束叠加透过率连续变化型中性滤光片得到空间上有连续光强变化的光。
5.根据权利要求1所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束后直接通过自由曲面的整形透镜形成空间上有连续光强变化的光束。
6.一种衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：采用两束光谱波段互相不重叠的光，分别为第一束光和第二束光；第一束光进行干涉后形成干涉光，第二束光形成空间上有连续光强变化的光；将干涉光与空间上有连续光强变化的光同时照射到光敏材料上，得到衍射效率连续变化的光栅；其中，所述光敏材料为光致折射率变化的材料。
7.根据权利要求6所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一束光由激光器出射后，经过分束器得到两束光，这两束光经过反射镜反射后成一定夹角，之后分别经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后互相干涉形成干涉光，并照射在光敏材料上；或所述第一束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，再经过楔形平板形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
8.根据权利要求6所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一束光由点光源出射后，经过菲涅尔双棱镜后形成亮暗干涉条纹照射在光敏材料上。
9.根据权利要求6所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束；扩束光束经过整形透镜后得到光强均匀分布的光束；光强均匀分布的光束叠加透过率连续变化型中性滤光片得到空间上有连续光强变化的光。
10.根据权利要求6所述的衍射效率连续变化的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二束光由激光器出射后，经过扩束透镜、滤波针孔和准直透镜后，得到呈高斯分布的扩束光束；再通过自由曲面的整形透镜形成空间上有连续光强变化的光束。
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