CN112327398B - 一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法。本发明根据入射光束锥角设计样品架，使用该样品架对样品进行曝光，曝光后使用马弗炉对样品进行热处理，热处理后将样品前后表面抛光，在样品前后表面镀制1064nm标准增透膜，制成矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器。本发明方法可对记录在样品中的体布拉格光栅进行矢量补偿，使锥角入射光束满足布拉格条件，可以有效提高体布拉格光栅角度偏转器对于锥角入射光束的衍射效率，应用于二维光束扫描系统中可实现高效率的二维方向的光束扫描，具有制备方法简单，可大批量生产的优点，在二维激光光束扫描技术领域具有重要的实用前景。

Description

一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法
技术领域
本发明涉及体布拉格光栅，特别是一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法。
背景技术
传统的记录在光热敏折变玻璃内的体布拉格光栅在入射光束满足布拉格条件时可以实现大角度的光束偏转(图1(a))，并且具有高衍射效率、低吸收、散射损耗和高功率耐受性。液晶光学相控阵可以实现小角度范围(典型的为±3°～5°)、高精度的光束偏转，与体布拉格光栅相结合可以制成二维光束扫描系统，实现二维方向、大角度、准连续的光束扫描。
对于二维光束扫描系统来说，其是采用“液晶光学相控阵-水平偏转体布拉格光栅-液晶光学相控阵-竖直偏转体布拉格光栅”的方案实现的(图2)，即光束通过第一组液晶光学相控阵进行水平方向的小角度偏转，调节至设计的光栅通道对应的入射角时，光束被水平偏转体布拉格光栅的光栅通道大角度衍射出去实现大角度水平偏转，再经过第二组液晶光学相控阵进行竖直方向的小角度偏转，调节至设计的光栅通道对应的入射角，光束被竖直偏转体布拉格光栅的光栅通道大角度衍射出去实现大角度竖直偏转，最终实现光束在二维方向的光束扫描。但是，当光束经过水平偏转后入射到竖直偏转体布拉格光栅时，入射光束与设计满足布拉格条件的光束入射平面(图4-YOZ面)存在一个0°～45°的锥角，导致入射光束偏离布拉格入射条件(图1(b))，实际工作波长与设计工作波长失配，进而导致二维光束扫描系统对入射光束的衍射效率降低。目前，尚未见到相关文献或专利针对这一问题给出较好的解决方案。
发明内容
为提高体布拉格光栅角度偏转器对锥角入射光束的衍射效率和实现高效率的二维光束扫描，本发明提出了一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法。本发明使用可调矢量补偿器对样品进行曝光，对记录在光敏材料(特别是光热敏玻璃)内的体布拉格光栅进行矢量补偿，使体布拉格光栅角度偏转器工作时的锥角入射光束满足布拉格条件，可以有效提高体布拉格光栅角度偏转器对于锥角入射光束的衍射效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法，其特点在于：该方法包括如下步骤：
步骤1)根据矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器工作时的入射光束锥角θ的范围设计样品架：该样品架由底板和固定在该底板上的夹板组组成，所述的夹板组由两块夹板连接构成，其中一块夹板垂直固定在所述的底板上，另一块倾斜固定在所述的底板上，两块夹板之间的夹角为θ'；
步骤2)将所述的样品架固定在一维弧摆台上，样品固定在夹板组内，调整一维弧摆台的转动角度α，使曝光光束入射样品的入射光束锥角θ”＝θ'±α；
步骤3)对样品进行曝光，曝光后使用马弗炉对样品进行热处理；
步骤4)热处理后对样品前后表面进行抛光；
步骤5)在样品前后表面镀制1064nm标准增透膜，取下样品，即得到矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器。
所述的一维弧摆台的转动角度范围为-30°～30°。
所述的可调矢量补偿器可以对入射光束锥角θ在θ'-30°～θ'+30°范围内的体布拉格光栅角度偏转器进行矢量补偿。
所述的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器工作时的入射光束锥角θ等于曝光光束入射样品的入射光束锥角θ”。
所述制成的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器，在曝光时对记录在光敏材料(特别是光热敏玻璃)内的体布拉格光栅进行矢量补偿，制备的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器在工作时可使原本偏离布拉格条件的锥角入射光束满足布拉格条件。
与现有技术相比，本发明的优点：
1、可调矢量补偿器的角度调节范围大，可针对常规角度范围的锥角入射光束进行矢量补偿；
2、经过矢量补偿的体布拉格光栅角度偏转器相比未矢量补偿的体布拉格光栅角度偏转器对锥角入射光束具有更高的衍射效率，角度选择性好，高功率耐受性优异；
3、制备矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的方法简单，易于实现批量化生产；
4、制备的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器应用于二维光束扫描系统中可有效提高其对入射光束的衍射效率。
附图说明
图1为体布拉格光栅的矢量关系图，其中(a)为满足布拉格条件，(b)为偏离布拉格条件。
图2为采用体布拉格光栅与液晶光学相控阵结合的二维光束扫描系统的示意图。
图3为本发明设计使用的可调矢量补偿器的结构示意图，其中(a)为样品架，(b)为一维弧摆台，(c)为组合构成的可调矢量补偿器。
图4为本发明制备的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的结构示意图。
图5为矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器与未矢量补偿的体布拉格光栅角度偏转器对于锥角入射光束的相对衍射效率对比图。
图中：
1-样品架底板，2-样品架夹板组，3-一维弧摆台，4-锥角入射体布拉格光栅角度偏转器的光束，5-第1增透膜系，6-矢量补偿的体布拉格光栅，7-第2增透膜系，θ-入射光束的锥角，θ'-样品架夹板组的两块夹板的夹角。
具体实施方式
下面结合附图和附表对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。
图3给出了本发明设计使用的可调矢量补偿器的结构示意图。由图可见。所述的可调矢量补偿器，构成是：样品架底板1、样品架夹板组2、一维弧摆台3。
图4给出了采用本发明方法制备的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的结构示意图。由图可见。本发明矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器，构成是：沿入射光方向依次是矢量补偿的体布拉格光栅6的前表面的第1增透膜5、矢量补偿的体布拉格光栅6和矢量补偿的体布拉格光栅的后表面的第2增透膜7。
实施例
本实施例采用光热敏折变(PTR)玻璃为记录材料，工作波长为1064nm，设计的样品架夹板组两块夹板的夹角θ'为15°，与一维弧摆台组合可实现-15°～45°的角度调整范围，满足常规0°～45°的锥角入射光束的角度范围。本例实施的锥角入射光束的锥角角度θ为20°，因此调整一维弧摆台角度α为5°。根据需求设计光栅通道入射角度为0°和出射角度为30°。根据kogelnik耦合波理论，在确定光栅通道的入射角度和出射角度后，计算出光栅通道的周期和倾斜角参数。表1给出了体布拉格光栅的通道角度偏转特性、结构参数和矢量补偿角度。
表1
Figure GDA0003168758530000041
在确定体布拉格光栅的结构参数后，基于双光束干涉原理搭建相应的紫外双光束干涉曝光光路。共制备2块体布拉格光栅，VBG1为使用可调矢量补偿器进行矢量补偿的体布拉格光栅，VBG2为使用传统样品架未进行矢量补偿的体布拉格光栅。2块体布拉格光栅的曝光量一致，均为800mJ/cm2。将曝光后的PTR玻璃在510℃下热处理3h。完成2块体布拉格光栅的制备后，对VBG1和VBG2前、后表面进行抛光，在VBG1和VBG2的前表面和后表面镀制1064nm标准增透膜，制成矢量补偿的体布拉格光栅角度偏转器和未矢量补偿的体布拉格光栅角度偏转器。
使用时，光束从矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的前端入射，光束入射角度由前端的液晶光学相控阵在小角度范围内进行连续调控。光束入射角度为光束与XOZ面(图4)的夹角，光束锥角入射的锥角角度θ为光束与YOZ面(图4)的夹角。当光束入射角度对应设计的光栅通道的入射角时，会被选择性的衍射出去。例如光束锥角入射的锥角角度θ为20°，光束入射角度为0°，此时对应设计的0°入射、30°出射的光栅通道，会被VBG1竖直偏转至30°出射。
图5给出实施例所制备出的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器与未矢量补偿的体布拉格光栅角度偏转器对于角度θ为20°的锥角入射光束的衍射效率对比图。实验表明，本发明方法制备的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器能够达到80％以上的相对衍射效率，相比未矢量补偿制备的体布拉格光栅角度偏转器，对于锥角入射光束的相对衍射效率提高6.5％，光束衍射角与设计值相差不超过0.5°，能够满足需要。本发明方法具有矢量补偿角度范围大，矢量补偿方法简单，制备方式难度低，易于大批量生产等优点，制备的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器是理想的提高二维光束扫描系统的衍射效率的器件，在二维激光光束扫描技术领域具有良好实用前景。

Claims (5)

1.一种矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1)根据矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器工作时的入射光束锥角θ的范围设计样品架：该样品架由底板(1)和固定在该底板(1)上的夹板组(2)组成，所述的夹板组(2)由两块夹板连接构成，其中一块夹板垂直固定在所述的底板(1)上，另一块倾斜固定在所述的底板(1)上，两块夹板之间的夹角为θ'；
步骤2)将所述的样品架固定在一维弧摆台(3)上，样品固定在夹板组(2)内，调整一维弧摆台的转动角度α，使曝光光束入射样品的入射光束锥角θ”＝θ'±α；
步骤3)对样品进行曝光，曝光后使用马弗炉对样品进行热处理；
步骤4)热处理后对样品前后表面进行抛光；
步骤5)在样品前后表面镀制1064nm增透膜，取下样品，即得到矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器。
2.根据权利要求1所述的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法，其特征在于：所述的一维弧摆台(3)的转动角度α的范围为-30°～30°。
3.根据权利要求1所述的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法，其特征在于：可调矢量补偿器包括样品架底板、样品架夹板组和一维弧摆台；所述的可调矢量补偿器对锥角入射光束角度θ在θ'-30°～θ'+30°范围内的体布拉格光栅角度偏转器进行矢量补偿。
4.根据权利要求1所述的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法，其特征在于：所述的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器工作时的入射光束锥角θ等于曝光光束入射样品的入射光束锥角θ”。
5.根据权利要求1所述的矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器的制备方法，其特征在于：在曝光时对记录在光敏材料内的体布拉格光栅进行矢量补偿，矢量补偿体布拉格光栅角度偏转器在工作时使原本偏离布拉格条件的锥角入射光束满足布拉格条件。
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