CN112198575A

CN112198575A - 一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法

Info

Publication number: CN112198575A
Application number: CN202011084412.XA
Authority: CN
Inventors: 陈亮; 蒋宇飞; 赵士龙; 徐时清; 郭凌伟; 徐玮鑫
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2021-01-08

Abstract

本发明公开了一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，包括如下步骤：(1)让一束发散的紫外光束垂直入射双棱镜的底面、从双棱镜的两个侧面分波面出射两束平行光，出射的两束平行光在双棱镜前方形成干涉条纹。(2)让干涉条纹照射在所述PTR玻璃上，所述PTR玻璃上在T时间内形成横向啁啾体全息布拉格光栅。保证双棱镜和PTR玻璃的相对静止。本发明中通过双棱镜分波面实现的双光束干涉，可以避免环境震动带来的干涉条纹周期的不确定性，本方法相对于已有报道的相位板法成本更低，约是相位板法成本的四分之一，而且效果更好，因为现有的相位板法存在零级衍射，会影响横向啁啾体全息布拉格光栅的质量，而本方法是没有这个问题的。

Description

一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法。

背景技术

目前，体全息布拉格光栅的刻写一般由两步骤完成，第一步是通过两束激光照射并且相互干涉形成干涉条纹，将PTR玻璃放在干涉条纹位置，使得材料的特性发生周期性变化，形成光栅“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。

上述方法中是使用双光束(一束发散光一束会聚光)干涉并通过调整两束光的夹角来改变干涉条纹的空间频率，通过调整光栅材料的放置的角度来改变布拉格角，这种方法适用性很广，但是缺点很明显：装置冗杂和操作过于复杂，并且不能直接在PTR玻璃上实现横向啁啾的体布拉格光栅。

发明内容

本发明的目的是提供一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，包括如下步骤：

(1)让一束发散的紫外光束垂直入射双棱镜的底面、从双棱镜的两个侧面分波面出射两束平行光，出射的两束平行光在双棱镜前方形成干涉条纹。

(2)将长方体形的PTR玻璃置于干涉条纹内，其长边垂直于双棱镜底面，让干涉条纹照射在所述PTR玻璃上，在T时间内所述PTR玻璃上形成横向啁啾体全息布拉格光栅。

进一步的：保证双棱镜和PTR玻璃的相对静止。

进一步的：所述PTR玻璃为光热折变PTR玻璃。

进一步的：所述T时间为5min——60min。

进一步的：使用剪切干涉仪来监控紫外光束的发散角的调节。

进一步的：所述双棱镜通过机械加工获得，其底角角度误差在5秒以内。

本发明的技术效果是：

发明的曝光方法专门针对横向啁啾体全息布拉格光栅而设计，该方法通过一块双棱镜进行分波面干涉，并且在干涉条纹处用长方体PTR玻璃(长边方向垂直于双棱镜的底面)进行记录，可以通过控制双棱镜的底角和扩束后激光束发散角在PTR玻璃中实现一个横向啁啾的体光栅。同时也避免了双光束干涉的不稳定性带来的周期的偏差和环境震动带来的干涉条纹周期的不确定性。双棱镜可以通过机械加工可以保证其底角角度误差在5秒以内，使得获得的横向啁啾体全息布拉格光栅的周期较之之前的方法更加精准。

本方法可以直接在一块PTR玻璃中实现横向啁啾的体布拉格光栅，实现对高功率半导体激光器输出波长的动态控制。本方法相对于已有报道的相位板法成本更低，约是相位板法成本的四分之一，而且效果更好，因为现有的相位板法存在零级衍射，会影响横向啁啾体全息布拉格光栅的质量，而本方法是没有这个问题的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是使用剪切干涉仪来监控光束的发散角的调节示意图；

图3是制作好的横向啁啾体全息布拉格光栅使用示意图；

图4是实施例三的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

首先通过机械加工，制造一个底角为α的双棱镜；然后将底角角度为α的双棱镜固定。

接着使用一束发散的紫外光垂直入射双棱镜的底面，从对应的两个侧面分波面出射两束平行光并于不远处相干，形成干涉条纹区域。在这里可以用剪切干涉仪来监控光束的发散角的调节，以实现对扩束激光的发散角的精准调控。

第四步是在干涉条纹区域放置一块已完成抛光的长方体PTR玻璃，该玻璃的长边方向垂直于双棱镜底面，实现啁啾光栅的记录。

最后是，保持双棱镜和PTR玻璃的位置(双棱镜和PTR玻璃相对静，PTR玻璃内止)，使干涉条纹在PTR玻璃内保持5分钟到60分钟形成了强度周期性变化的干涉条纹，PTR玻璃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周期一致，使得PTR玻璃形成了啁啾光栅，至此曝光结束。

干涉条纹的周期计算公式为：

其中x_υ＝(x_ctan[α-ξ]-taan[α-δ]x_e-y_c)/(tan[α-ξ]-tan[α-δ])，

y_υ＝(tan[ξ-α]tan[δ-α](x_e-x_c)-tan[δ-α]y_c)/(tan[α-δ]-tan[α-ξ])，

x_e＝a+t_e+W_ptan(α)，

y_c＝atan(θ)+[t_e+(W_p-atan(θ))tan(α)]cos(α)sin(β)/cos(γ)，

x_c＝atan(θ)+[t_e+(W_p-atan(θ))tan(α)]cos(α)cos(β)/cos(γ)。

其中，棱镜宽度为W_p；双棱镜底面的光斑口径为W_b；双棱镜的底角为α；EFHG为干涉条纹区域；双棱镜的侧面上的入射角为γ；折(出)射角为ξ。

因为本发明中入射光线的发散角很小，在μrad量级，可计算得到公式中的a约为10km，即发散光光源到双棱镜的底面的距离约为10km，所以上述公式我们可以对其进行近似化简，在双棱镜底角α为定值时，周期Λ与发散角θ成线性关系。制备好的横向啁啾体全息布拉格光栅的反射波长为

如图2所示，发散角θ可以通过剪切干涉仪对发散光束进行检测来测定发散光束的发散角θ。入射光束的发散角：θ＝d/r[rad]；入射光束的曲率半径：r＝Sδ/λsinθ，其中S是光束分离距离；δ是条纹间距；θ是边缘旋转角；λ是波长。

PTR玻璃的具体形状不做限定，在PTR玻璃内部形成光栅之后，再对PTR玻璃进行切割也可以。

实施例一

如图1、图2所示，使用制作光栅的记录材料为光热折变PTR玻璃，使用的PTR玻璃样品横截面为3mm X3mm，长度7mm。采用了功率为50mW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1.4817。输出的紫外激光首先进行了扩束(扩束镜倍率1X到10X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。

采用如下步骤进行体全息布拉格光栅的紫外曝光：

(1)将一个底角角度为α的双棱镜进行固定。

(2)使用一束发散的紫外光垂直入射双棱镜的底面，从对应的两个侧面分波面出射两束平行光并于不远处相干。并用剪切干涉仪来监控光束的发散角的调节，实现对扩束激光的发散角的精准调控。

(3)在干涉条纹处放置一块已完成抛光的长方体PTR玻璃，该玻璃的长边方向垂直于双棱镜底面，实现啁啾光栅的记录。

(4)保持双棱镜和PTR玻璃的位置，使干涉条纹在PTR玻璃内保持5分钟到60分钟，PTR玻璃内形成了强度周期性变化的干涉条纹，PTR玻璃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周期一致，使得PTR玻璃形成了啁啾光栅，至此曝光结束。

体全息布拉格光栅的周期由双棱镜的底角α和扩束后的入射激光的发散角θ决定，体全息布拉格光栅的周期公式为：

其中

x_υ＝(x_ctan[α-ξ]-taan[α-δ]x_e-y_c)/(tan[α-ξ]-tan[α-δ])，

y_υ＝(tan[ξ-α]tan[δ-α](x_e-x_c)-tan[δ-α]y_c)/(tan[α-δ]-tan[α-ξ])，

y_c＝atan(θ)+[t_e+(W_p-atan(θ))tan(α)]cos(α)sin(β)/cos(γ)，

x_c＝atan(θ)+[t_e+(W_p-atan(θ))tan(α)]cos(α)cos(β)/cos(γ)，

λ_uv是入射光的波长325nm，n_p是双棱镜折射率约为1.4817，P是干涉级数。

采用上述方法进行紫外曝光的横向啁啾体全息布拉格光栅其光栅波矢总是垂直于光栅材料。与分振幅的曝光方法相比，分波面的方法更好的实现了对周期的精准控制，以及可以更好的减少环境震动对最终的光栅周期带来的不稳定。

实施例二

如图3所示，将制备好的横向啁啾体布拉格光栅放置在一个半导体激光器前进行测试，当半导体激光器的激光分别入射到横向啁啾体布拉格光栅上的A点、B点、C点处时，横向啁啾体布拉格光栅反射出的光的波长λ1、λ2、λ3是不同的，因为在A、B、C点处横向啁啾体布拉格光栅的布拉格波长是不同的，通过不断调整横向啁啾体布拉格光栅在横向上的位置，可以达到控制半导体激光器的输出波长的目的。

实施例三

如图4所示，将本横向啁啾体全息布拉格光栅应用于半导体激光输出光合束装置，包括以下几个步骤：

1、根据激光器和衍射光栅的特点及应用要求设计出横向啁啾体全息布拉格光栅的结构及参数。

2、使用双棱镜的紫外曝光方法对已经抛光好的PTR玻璃进行曝光，制作出所需的横向啁啾体全息布拉格光栅。

3、将制备好的横向啁啾体全息布拉格光栅放在经过快准直镜准直过的激光光束后，对每一路激光的波长进行锁定，使每一路激光的波长成准线性变化。

4、将锁定波长的准平行激光光束通过一个透镜汇聚到一块衍射光栅上，通过衍射光栅后出射一束高亮度、高光束质量的平行激光。

本发明的优点在于：该系统横向啁啾体全息布拉格光栅对每一路激光的波长进行锁定，并使其成准线性变化。并且不需要在合束后添加反射腔镜，用来锁定每一路激光光束的波长法横向啁啾体全息布拉格光栅也起到了反射腔镜的作用，大大的提高了该系统的稳定性。而作为其波长锁定的横向啁啾体全息布拉格光栅的材料的PTR玻璃，PTR玻璃的热稳定性也非常好，可以长时间的稳定运行。并且对于横向啁啾体全息布拉格光栅的制备，使用双棱镜的紫外曝光方法，可以简便、快捷而低成本的对其进行制备。整体的系统较之以前的系统和装置，在组装和制备方面更加的简洁，并且提供了更好的系统稳定性和热稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)让一束发散的紫外光束垂直入射双棱镜的底面、从双棱镜的两个侧面分波面出射两束平行光，出射的两束平行光在双棱镜前方形成干涉条纹；

2.根据权利要求1所述的横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，其特征在于：所述PTR玻璃为光热折变PTR玻璃。

3.根据权利要求1所述的横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，其特征在于：所述T时间为5min——60min。

4.根据权利要求1所述的横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，其特征在于：使用剪切干涉仪来监控紫外光束的发散角的调节。

5.根据权利要求1所述的横向啁啾体全息布拉格光栅的制备方法，其特征在于：所述双棱镜通过机械加工获得，其底角角度误差在5秒以内。