CN112799160A - 基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置及啁啾体光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置及啁啾体光栅的制备方法，所述的曝光装置至少包括一个发散柱面透镜系统和一个会聚柱面透镜系统，所述的啁啾体光栅的制备方法为变焦距对称入射的双柱面波干涉法，包括使不同焦距的一束发散柱面光束和一束会聚柱面光束在光致热折变玻璃处干涉，并在其体内形成周期渐变的干涉条纹，经热显影处理后得到任意啁啾率的啁啾体光栅。本发明提供了一种啁啾体光栅制备的曝光夹角、曝光距离、柱面透镜系统焦距等参数的计算方法，并在此基础上形成了啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置及啁啾体光栅的制备方法，实现任意啁啾率的啁啾体光栅的制备。

Description

基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置 及啁啾体光栅的制备方法

技术领域

本发明属于啁啾体光栅的制备领域，特别是满足基于光致热折变玻璃的任意啁啾率的啁啾体光栅的条纹写入技术，经过热显影后的啁啾体光栅应用于不同类型的啁啾脉冲放大系统中。

背景技术

啁啾脉冲放大技术(CPA)是目前高功率激光系统的核心技术。脉冲展宽器和压缩器是啁啾脉冲放大系统中最重要的器件之一，激光脉冲能量的提高受其性能的限制。展宽器和压缩器的色散量直接决定了激光脉冲展宽后的最大脉冲宽度，它们的色散量越大，激光脉冲在增益介质未发生损伤时能够获取的能量上限就越大。它们之间的色散匹配是获得无时间形变脉冲的关键。另外，脉冲压缩器作为CPA系统最后一级，其色散能力、衍射效率、损伤阈值等特性决定了整个系统的最终能量输出。

棱镜、色散镜、光纤、衍射光栅都是目前常用的色散元件。但因为它们的色散能力一般、功率耐受性差、元件体积大等问题，故研究人员迫切需要一种具有很高抗损伤阈值、较低损耗、大色散能力、结构紧凑等优势的光学元件，可被用于高功率激光系统中的脉冲压缩与展宽的器件。啁啾体光栅(Chirped Volume Bragg Gratings，简称CVBG)因其尺寸结构精巧、良好的环境稳定性等优点，作为脉冲压缩器被广泛应用于光纤啁啾脉冲放大系统中。它是一种光栅周期沿厚度方向逐渐增大或逐渐减小的啁啾体光栅，人们常使用啁啾率表示其周期沿厚度方向变化的快慢。

本世纪初，美国中佛罗里达大学和密歇根大学等研究机构的科研人员在光致热折变玻璃(Photo-Thermo-Refractive Glass，简称PTRG或PTR玻璃)成功制备了CVBG，并且为将其用于高功率激光系统进行了一系列实验研究。目前利用全息干涉曝光技术制备啁啾体光栅的方法，主要有平面波与柱面波干涉、双柱面波干涉两种方法，其原理如图1所示。在对称入射的情况下，根据双光束干涉原理可知，PTR玻璃内部的光栅面与这两束干涉光束所形成夹角的平分线平行。但是在使用平面波与柱面波干涉法制备的CVBG时，因为平面波与柱面波干涉时干涉夹角平分线方向会随样品上的曝光位置不同而不断变化，所以最终在PTR玻璃内形成光栅面的方向也会随之不断变化。为了避免因此引起的光栅不均匀性问题，一般采用对称入射的双柱面波干涉法。

在干涉曝光光路中，需在每一路的扩束物镜和准直透镜后使用不同的柱面透镜系统，使得光束经过柱面透镜系统后得到指定焦距的会聚柱面光束和发散柱面光束。目前商用的啁啾体光栅有许多种，它们的啁啾率各不相同，且一般小于1nm/cm。当制备不同啁啾率的啁啾体光栅时，需要使用不同焦距的柱面透镜系统。

鉴于以上问题，有必要提出一种啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置及啁啾体光栅的制备方法，使其能够满足任意啁啾率的啁啾体光栅的制备要求。

发明内容

本发明的目的是针对啁啾体光栅制备中所需考虑的曝光夹角、曝光距离、柱面透镜系统焦距等参数的计算方法，并在此基础上形成了啁啾率可调的曝光装置和啁啾体光栅的制备方法。采用变焦距对称入射的双柱面波干涉法，实现啁啾体光栅的啁啾率可调。本发明理论计算清晰和实际操作简单，可根据啁啾率、光栅厚度、中心波长等参数指标，仅计算所需要的柱面透镜系统的焦距和曝光夹角，即可满足任意啁啾率的啁啾体光栅的低成本、批量化制造的要求。

本发明原理如下：

一、根据啁啾体光栅的设计指标，所述的设计指标包括啁啾体光栅的啁啾率C、中心波长λ₀、光栅厚度d、测试和应用时光束的入射角度φ等，计算在采用变焦距对称入射的双柱面波干涉法制备啁啾体光栅时的曝光夹角θ和曝光距离D，所述的发散柱面光束的光轴所在直线与光致热折变玻璃的中心的法线的夹角，和会聚柱面光束的光轴所在直线与光致热折变玻璃的中心的法线的夹角相同，定义为曝光夹角θ；所述的发散柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃中心的间距，与会聚柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃中心的间距相同，定义为曝光距离D。

首先根据由柯西模型经典公式得到的PTR玻璃的色散曲线函数

计算在不同中心波长时对应的光致热折变玻璃折射率n₀＝n(λ₀)，其中A₁、A₂、A₃为PTR玻璃的色散曲线函数系数，λ的单位为nm；

然后计算曝光夹角θ，关系式为：

其中，λ_r为双柱面波干涉曝光时激光器的波长，即记录波长，Λ₀为啁啾体光栅的中心周期设计值。CVBG的中心周期可通过中心波长λ₀计算得到，关系式为

其中，λ₀为啁啾体光栅的中心波长，即啁啾体光栅在测试和应用条件下的激光波长，n₀为在该中心波长下的PTR玻璃折射率，

为测试条件下光束的入射角，一般为0°。

二、分别计算发散光路和会聚光路的柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃的中心的间距D₁、D₂，因为发散光路和会聚光路的柱面透镜系统的焦点关于光致热折变玻璃所在直线轴对称，所以D₁＝D₂＝D。相关计算步骤如下：

1.CVBG的衍射带宽设计值为B＝2n₀Cdcosφ，其中n₀为在CVBG中心波长下的PTR玻璃折射率，C为CVBG的啁啾率，d为光栅厚度即CVBG的厚度；

2.CVBG对应的衍射带两侧端点处的波长分别为

3.CVBG衍射带两侧端点处对应的介质外干涉角为

中心波长对应的介质外干涉角为

该介质外干涉角i₀和曝光夹角θ相等；

4.以光致热折变玻璃的中心为原点、沿啁啾体光栅的厚度方向为X轴正方向建立坐标系，柱面透镜的焦点的纵坐标为

横坐标为x₀＝|y₀|tan(i₀)；

5.最终，曝光距离D的计算表达式为

三、根据曝光距离D，测量发散柱面透镜系统、会聚柱面透镜系统与光致热折变玻璃的中心的距离l_D、l_C，然后计算发散柱面透镜系统和会聚柱面透镜系统的焦距。假设发散柱面透镜系统和会聚柱面透镜系统的焦距分别为f_D、f_C，由几何关系可知：

f_D＝D-l_D

f_C＝D+l_C

其中，l_D、l_C均大于零，所以发散柱面透镜系统的焦距f_D＜D，会聚柱面透镜系统的焦距f_C＞D。在本发明中，根据啁啾率C、中心波长λ₀、光栅厚度d、测试和应用时光束的入射角度φ等指标的变化，需要在所述的曝光距离D的计算结果基础上，结合发散柱面透镜系统、会聚柱面透镜系统与光致热折变玻璃的中心的距离l_D、l_C，灵活调整柱面透镜系统的焦距f_D和f_C，以满足制备任意啁啾率的CVBG的要求。

为实现本发明目的，本发明的技术解决方案如下：

一种基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置，包括发散柱面透镜系统和会聚柱面透镜系统，且所述的发散柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃中心的间距，与会聚柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃中心的间距相同，定义为曝光距离D，满足如下条件式：

其中，d为光致热折变玻璃的厚度(即啁啾体光栅的光栅厚度)，n₀为啁啾体光栅的中心波长对应的光致热折变玻璃的折射率，φ为基于光致热折变玻璃的啁啾体光栅在测试和应用时光束的入射角度，λ_r为曝光时激光器的波长(记录光束的波长)，λ₀为基于光致热折变玻璃的啁啾体光栅的中心波长，C为基于光致热折变玻璃的啁啾体光栅的啁啾率。

一束紫外准直光束经所述的发散柱面透镜系统形成发散柱面光束，另一束紫外准直光束经所述的会聚柱面透镜系统形成会聚柱面光束，所述的发散柱面光束和会聚柱面光束会聚于光致热折变玻璃的中心，且所述的发散柱面透镜系统的焦距f_D和会聚柱面透镜系统的焦距f_C满足f_D＜D，f_C＞D和如下关系式：

f_C＝D-l_D

f_C＝D+l_C

式中，发散柱面透镜系统与光致热折变玻璃的中心的距离为l_D，会聚柱面透镜系统与光致热折变玻璃的中心的距离为l_C，满足l_D＞0，l_C＞0。

所述的发散柱面光束的光轴所在直线与光致热折变玻璃的中心的法线的夹角，和会聚柱面光束的光轴所在直线与光致热折变玻璃的中心的法线的夹角相同，定义为曝光夹角θ，其计算表达式如下：

一种啁啾率可调的啁啾体光栅的制备方法，包括如下步骤：

(A)根据啁啾体光栅的光栅厚度d、啁啾率C、中心波长λ₀、测试和应用时光束的入射角度φ、记录光束的波长λ₀和所述的啁啾体光栅的中心波长对应的光致热折变玻璃的折射率n₀的设计要求，计算发散柱面透镜系统和会聚柱面透镜系统的曝光距离D、两束相干的发散柱面光束和会聚柱面光束的曝光夹角θ；

(B)根据计算得到的曝光距离D，测量所述的发散柱面透镜系统与所述的光致热折变玻璃的中心的间距l_D的范围、会聚柱面透镜系统与所述的光致热折变玻璃的中心的间距l_C的范围，计算所述的发散柱面透镜系统的焦距f_D和会聚柱面透镜系统的焦距f_C；

(C)在光路中产生二束紫外准直光，其中，一束紫外准直光束经所述的发散柱面透镜系统形成发散柱面光束，另一束紫外准直光束经所述的会聚柱面透镜系统形成会聚柱面光束，所述的发散柱面光束和会聚柱面光束会聚于光致热折变玻璃的中心；

(D)根据所述的曝光夹角θ，调整发散柱面光束的光轴所在直线与光致热折变玻璃的中心的法线的夹角、会聚柱面光束的光轴所在直线与光致热折变玻璃的中心的法线的夹角，使其均等于曝光夹角θ；

(E)调整发散柱面透镜系统和会聚柱面透镜系统的焦距，使其分别等于f_D、f_C；

(F)调整所述的发散柱面透镜系统与所述的光致热折变玻璃的中心的间距、会聚柱面透镜系统与所述的光致热折变玻璃的中心的间距，使其分别等于l_D、l_C；

(G)根据光致热折变玻璃的特性、记录光束的波长与功率，计算曝光时间；

(H)对经曝光后的光致热折变玻璃进行热显影处理，使其内部折射率按照一定分布发生永久性变化，从而得到周期渐变的光栅结构，即啁啾体光栅；

(I)改变啁啾率C，重复步骤(A)至(H)即可实现任意啁啾率的啁啾体光栅的制备。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.通过灵活调整发散柱面透镜系统和会聚柱面透镜系统的焦距，实现任意啁啾率的啁啾体光栅的低成本、批量化的制备。

2..采用变焦距对称入射的双柱面波干涉法，使用光致热折变玻璃记录发散柱面波和会聚柱面波的干涉条纹，实现干涉条纹周期渐变的啁啾体光栅的制备；

3.理论计算清晰和实际操作简单。

附图说明

图1为本发明中使用的变焦距双柱面波干涉曝光装置光路示意图。

图2为本发明中使用的变焦距双柱面波干涉曝光原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1和图2，图1是本发明中使用的变焦距双柱面波干涉曝光装置光路示意图。图中，1为激光源，2为快门、3为反射镜、4为分束镜、5为反射镜、6为物镜与滤波小孔、7为准直透镜、8为发散光路中经过准直透镜后的准直光束、9为发散光路光束光轴所在直线、10为发散柱面透镜系统、11为经过发散柱面透镜系统后的发散光束、12为光致热折变玻璃、13为样品台、14为光致热折变玻璃的中心处的法线、15为反射镜、16为物镜与滤波小孔、17为准直透镜、18为会聚光路中经过准直透镜后的准直光束、19为会聚光路光轴所在直线、20为会聚柱面透镜系统、21为经过会聚柱面透镜系统后的会聚光束、θ为曝光夹角、A为发散柱面透镜系统的焦点，即发散柱面光束的焦点、B为会聚柱面透镜系统的焦点，即会聚柱面光束的焦点。

图2是本发明中所使用的变焦距双柱面波干涉曝光原理示意图。图中，A为发散光束焦点、B为会聚光束焦点、22为光致热折变玻璃的中心与发散光束焦点的垂直距离|y₀|、23为光致热折变玻璃的中心与发散光束焦点的水平距离|x₀|、24为啁啾体光栅的光栅厚度即光致热折变玻璃的厚度d、25为光致热折变玻璃的宽度H、26为发散柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃的中心的间距、27为会聚柱面透镜系统的焦点与光致热折变玻璃的中心的间距、a为会聚光束在样品左侧的入射光线、b为会聚光束在光致热折变玻璃的中心处的入射光线、c为会聚光束在样品右侧的入射光线、d为发散光束在样品左侧的入射光线、e为发散光束在光致热折变玻璃的中心处的入射光线、f为发散光束在样品右侧的入射光线、g为发散光柱面波、h为会聚光柱面波、i_max为发散光束在样品左侧的入射光线与样品表面法线的夹角、i₀为发散光束在光致热折变玻璃的中心处的入射光线与样品表面法线的夹角、i_min为发散光束在样品右侧的入射光线与样品表面法线的夹角、2β_max为会聚光束与发散光束在样品左侧的入射光线的夹角、2β₀为会聚光束与发散光束在光致热折变玻璃的中心处的入射光线的夹角、2β_min为会聚光束与发散光束在样品右侧的入射光线的夹角。

由图可见，在本发明中使用一束会聚柱面波和一束发散柱面波干涉，它们在厚度为d、宽度为H的光致热折变玻璃材料内干涉形成沿X轴周期逐渐变大的明暗相间干涉条纹。发散柱面光束的焦点为A(|x₀|,|y₀|)，会聚柱面光束的焦点为B(|x₀|,-|y₀|)，A点和B点关于X轴对称，它们与光致热折变玻璃的中心的水平距离和垂直距离分别为|x₀|、|y₀|。在PTR玻璃内，从A点发出的发散入射光线d、e、f分别与焦点为B点的会聚入射光线a、b、c的夹角为2β_max、2β₀、2β_min。另外，从A点发出的发散入射光线d、e、f与PTR玻璃表面法线的夹角为i_max、i₀、i_min。

在本发明实施例中，从所述的激光器1出射的激光，依次经过快门2、反射镜3和分束镜4，采用分振幅法对光束进行分束，在经过所述的分束镜4后形成两束光，一束是反射光，另一束是透射光。反射光经过反射镜5反射，然后依次经过物镜与滤波小孔6、准直透镜7，在经过所述的准直透镜7后扩束，最后经过发散柱面透镜系统10形成发散柱面光束11。透射光经过反射镜15反射，然后依次经过物镜与滤波小孔16、准直透镜17，在经过所述的准直透镜17后扩束，最后经过会聚柱面透镜系统20形成会聚柱面光束21。发散柱面光束11和会聚柱面光束21在样品台13处干涉，形成周期渐变的干涉条纹，这些干涉条纹被记录在光致热折变玻璃12中，形成啁啾体光栅。

本发明实施例中，采用厚度d为50mm、宽度为H为5mm的光致热折变玻璃(PTR玻璃)为记录材料，使用记录波长λ_r为325nm的激光制备工作波长λ₀为1030nm，啁啾率C为5nm/cm的啁啾体光栅。计算得到发散光路与会聚光路的夹角均为28.37°，曝光距离D为1.1105m。对于啁啾率C为5nm/cm的啁啾体光栅，根据上述公式计算，其曝光光路中的发散光路的柱面透镜系统的焦距为f_D＝-70cm，所以其与光致热折变玻璃的中心的距离l_D＝41.05cm；会聚光路的柱面透镜系统的焦距为f_C＝150cm，所以其与光致热折变玻璃的中心的距离l_C＝38.95cm。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

实验表明，本发明能够满足啁啾率任意可调的制备要求，该曝光装置结构简单紧凑、易搭建、调整灵活，计算方法简单精确，在高功率啁啾脉冲放大系统中具有良好的实用前景。

Claims (4)

1.一种基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置，其特征在于，包括发散柱面透镜系统(10)和会聚柱面透镜系统(20)，且所述的发散柱面透镜系统(10)的焦点(A)与光致热折变玻璃(12)中心的间距，和会聚柱面透镜系统(20)的焦点(B)与光致热折变玻璃(12)中心的间距相同，定义为曝光距离D，满足如下条件式：

其中，d为光致热折变玻璃(12)的厚度(即啁啾体光栅的光栅厚度)，n₀为啁啾体光栅的中心波长对应的光致热折变玻璃(12)的折射率，φ为基于光致热折变玻璃的啁啾体光栅在测试和应用时光束的入射角度，λ_r为曝光时激光器的波长(记录光束的波长)，λ₀为基于光致热折变玻璃的啁啾体光栅的中心波长，C为基于光致热折变玻璃的啁啾体光栅的啁啾率。

2.根据权利要求1所述的一种基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置，其特征在于，一束紫外准直光束(8)经所述的发散柱面透镜系统(10)形成发散柱面光束(11)，另一束紫外准直光束(11)经所述的会聚柱面透镜系统(20)形成会聚柱面光束(21)，所述的发散柱面光束(11)和会聚柱面光束(21)会聚于光致热折变玻璃(12)的中心，且所述的发散柱面透镜系统(10)的焦距f_D和会聚柱面透镜系统(20)的焦距f_C满足f_D＜D，f_C＞D和如下关系式：

f_D＝D-l_D

f_C＝D+l_C

式中，发散柱面透镜系统(10)与光致热折变玻璃(12)中心的间距为l_D，会聚柱面透镜系统(20)与光致热折变玻璃(12)中心的间距为l_C，满足l_D＞0，l_C＞0。

3.根据权利要求1所述的一种基于光致热折变玻璃的啁啾率可调的啁啾体光栅的曝光装置，其特征在于，所述的发散柱面光束(11)的光轴所在直线(9)与光致热折变玻璃(12)的中心的法线(14)的夹角，和会聚柱面光束(21)的光轴所在直线(19)与光致热折变玻璃(12)的中心的法线(14)的夹角相同，定义为曝光夹角θ，其计算表达式如下：

4.一种啁啾率可调的啁啾体光栅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(A)根据啁啾体光栅的光栅厚度d、啁啾率C、中心波长λ₀、测试和应用时光束的入射角度φ、记录光束的波长λ₀和所述的啁啾体光栅的中心波长对应的光致热折变玻璃(12)的折射率n₀的设计要求，计算发散柱面透镜系统(10)和会聚柱面透镜系统(20)的曝光距离D、两束相干的发散柱面光束(11)和会聚柱面光束(21)的曝光夹角θ；

(B)根据计算得到的曝光距离D，测量所述的发散柱面透镜系统(10)与所述的光致热折变玻璃(12)的中心的间距l_D的范围、会聚柱面透镜系统(20)与所述的光致热折变玻璃(12)的中心的间距l_C的范围，计算所述的发散柱面透镜系统(10)的焦距f_D和会聚柱面透镜系统(20)的焦距f_C；

(C)在光路中产生二束紫外准直光，其中，一束紫外准直光束(8)经所述的发散柱面透镜系统(10)形成发散柱面光束(11)，另一束紫外准直光束(11)经所述的会聚柱面透镜系统(20)形成会聚柱面光束(21)，所述的发散柱面光束(11)和会聚柱面光束(21)会聚于光致热折变玻璃(12)的中心；

(D)根据所述的曝光夹角θ，调整发散柱面光束(11)的光轴所在直线(9)与光致热折变玻璃(12)的中心的法线(14)的夹角、会聚柱面光束(21)的光轴所在直线(19)与光致热折变玻璃(12)的中心的法线(14)的夹角，使其均等于曝光夹角θ；

(E)调整发散柱面透镜系统(10)和会聚柱面透镜系统(20)的焦距，使其分别等于f_D、f_C；

(F)调整所述的发散柱面透镜系统(10)与所述的光致热折变玻璃(12)的中心的间距、会聚柱面透镜系统(20)与所述的光致热折变玻璃(12)的中心的间距，使其分别等于l_D、l_C；

(G)根据光致热折变玻璃(12)的特性、记录光束的波长与功率，计算曝光时间；

(H)对经曝光后的光致热折变玻璃(12)进行热显影处理，使其内部折射率按照一定分布发生永久性变化，从而得到周期渐变的光栅结构，即啁啾体光栅；

(I)改变啁啾率C，重复步骤(A)至(H)即可实现任意啁啾率的啁啾体光栅的制备。

Images