CN113031140B - 一种全息光栅的制备系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全息光栅的制备系统和方法，包括：光源和全息材料；扩束装置，设置在光源和全息材料之间的光路上，用于将经过的光束进行扩束；分光装置，用于将光源发射的源光束分成第一分光光束和第二分光光束；第一反光设备和第二反光设备，分别用于将第一分光光束和第二分光光束反射至所述全息材料；移动挡板，设置在扩束装置和全息材料之间，移动挡板按预设参数移动改变所述第一分光光束和所述第二分光光束射向所述全息材料的光束的横截面积；控制系统，用于控制移动挡板按预设参数移动；全息材料，用于被第一分光光束和第二分光光束形成的干涉条纹曝光，形成全息光栅。本发明可制得衍射效率变化的高品质全息光栅。
Description
技术领域
本发明属于全息光栅领域，具体地说涉及一种全息光栅的制备系统和方法。
背景技术
全息波导指的是在一块平整的透明平板介质上依附有多块全息光栅，全息光栅按作用可分为三类：耦合输入光栅、折叠光栅和耦合输出光栅。耦合输入全息光栅的作用是将光机发出的光线耦合进入波导基底中，在波导基底中以大于全反射角度传播，到达折叠光栅后，一部分光线改变传播角度，另一部分光线继续向原来方向传播，改变角度的光线传向耦合输出光栅，耦合输出光栅将光线从波导中输出，投向人眼。
波导上的全息光栅是全息材料经过两束相干激光曝光后形成的，没有优化的全息光栅的效率是均一的，这就导致耦合输出光栅上按传播方向先输出的光强最强，到后面的光强越来越弱，使得输出光强分布严重不均匀，如图1所示，可以看到亮度由下到上逐渐减弱。为了使输出光栅上的光强均匀，需要耦合输出光栅以及折叠光栅的效率在光线传播方向上越来越强，耦合输入光栅的效率越高越好，不需要变衍射效率。
目前要实现衍射效率沿某一方向递增的常用方法有两种，一种是控制全息光栅的厚度沿一个方向逐渐变化，通常是使用间隔子来实现，这种方法会导致波导两个表面的不平行，图像分辨率会下降，而且在耦合输出光栅的衍射效率沿传播方向递增而耦合输入光栅不需要变衍射效率的情况下，全息波导设计复杂、制备困难；另一种是在制备全息光栅的光路中添加透过率沿某一方向逐渐变化的衰减片，通过控制光栅上不同区域的曝光光强来实现不同区域的效率不同，但是由于衰减片的自干涉，如图2所示，一束激光照射在衰减片上后，透过衰减片后光线传输方向与原照射方向相同(实线部分)，在衰减片发生反射后再次输出(虚线部分)，虚实两束光束为相干光，会在重叠区域发生干涉，从而形成干涉图案，影响到全息光栅的效率，而且在制备不同尺寸的全息光栅时，衰减片的尺寸需要改变，同时衰减片上的各部分衰减度需要重新做，灵活性非常低。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种全息光栅的制备系统和方法。
本发明提供的全息光栅的制备系统，包括：光源和全息材料；扩束装置，设置在所述光源和所述全息材料之间的光路上，用于将经过的光束进行扩束；分光装置，用于将所述光源发射的源光束分成第一分光光束和第二分光光束；第一反光设备和第二反光设备，分别用于将所述第一分光光束和第二分光光束反射至所述全息材料；移动挡板，设置在所述扩束装置和所述全息材料之间，所述移动挡板按预设参数移动改变所述第一分光光束和所述第二分光光束射向所述全息材料的光束的横截面积；控制系统，用于控制所述移动挡板按预设参数移动；所述全息材料，用于被所述第一分光光束和第二分光光束形成的干涉条纹曝光，形成全息光栅。
与现有技术相比，本技术方案摒弃衰减片，不再通过改变全息材料的曝光光强来改变全息光栅的衍射效率，而是通过改变全息材料不同区域的曝光时间来达到全息光栅各区域内效率不同的目的，本技术方案设置移动挡板，通过控制系统控制移动挡板按预设参数移动，使得射向全息材料的第一分光光束和第二分光光束的横截面积按要求变化，则第一分光光束和第二分光光束在全息材料上形成干涉条纹的区域也按要求变化，以达到控制全息材料不同区域的曝光时间的目的，制得衍射效率按照需求分布的全息光栅。本技术方案可以避免衰减片的自干涉影响，而且操作时控制系统和移动挡板均不与光学平台接触，可以避免移动带来的震动对全息干涉的影响，得到高品质的全息光栅，还可以适应不同尺寸全息光栅的制备需求，灵活性较高。
优选的，所述预设参数包括用于指示所述移动挡板移动方向的方向参数、用于指示所述移动挡板移动速率的速率参数。根据方向参数和速率参数指示移动挡板的移动，以达到改变光束横截面积的目的。
优选的，所述扩束装置设置在所述光源和分光装置之间，所述移动挡板设置在所述扩束装置和所述分光装置之间，所述移动挡板按预设参数移动，用于改变所述源光束的横截面积。虽然本优选方案只适用于将扩束装置设置在光源和分光装置之间的制备系统，但是其有益效果也很突出：通过改变分束之前的源光束的横截面积，间接地同时改变分束后形成的第一分光光束和第二分光光束的横截面积，只需控制一个移动挡板即可达到目的，方便控制，结构简单。
优选的，所述移动挡板包括第一移动挡板和第二移动挡板，所述预设参数包括第一预设参数、第二预设参数；所述第一移动挡板设置在所述分光装置和所述第一反光设备之间，所述第一移动挡板按第一预设参数移动，用于改变所述第一分光光束的横截面积；所述第二移动挡板设置在所述分光装置和所述第二反光设备之间，所述第二移动挡板按第二预设参数移动，用于改变所述第二分光光束的横截面积；或，所述第一移动挡板设置在所述第一反光设备和所述全息材料之间，所述第一移动挡板按第一预设参数移动，用于改变所述第一分光光束的横截面积；所述第二移动挡板设置在所述第二反光设备和所述全息材料之间，所述第二移动挡板按第二预设参数移动，用于改变所述第二分光光束的横截面积。本优选方案的有益效果为：设置两个移动挡板，使其分别按第一预设参数和第二预设参数移动，直接改变第一分光光束和第二分光光束的横截面积，无论第一分光光束和第二分光光束是如何入射至全息材料上，只要控制第一预设参数和第二预设参数，使得第一分光光束和第二分光光束在全息材料上形成干涉条纹，即可满足不同尺寸和类型的全息光栅的制备，使该优选方案的制备系统更为灵活，适用范围更广。
优选的，所述第一预设参数包括用于指示所述第一移动挡板移动方向的第一方向参数和用于指示所述第一移动挡板移动速率的第一速率参数；所述第二预设参数包括用于指示所述第二移动挡板移动方向的第二方向参数和用于指示所述第二移动挡板移动速率的第二速率参数。本优选方案的有益效果为：分别控制第一移动挡板和第二移动挡板的移动方向和移动速率，更适用于各种灵活多变的制备系统，使得制备系统中各组件的位置受限更小，适于制备各种全息光栅。
优选的，所述预设参数还包括关系参数，所述关系参数用于关联所述第一预设参数和第二预设参数。本优选方案的有益效果为：通过关系参数的设置，使得无论第一移动挡板和第二移动挡板无论如何移动，都能使得第一分光光束和第二分光光束在全息材料上形成干涉条纹，对全息材料进行曝光，成功制得全息光栅。
优选的，所述第一分光光束和所述第二分光光束从所述全息材料的同侧或异侧入射至所述全息材料。本优选方案的有益效果为：可以制备反射式全息光栅和透射式全息光栅。
优选的，还包括导光棱镜，所述导光棱镜设置在所述第二分光光束的光路中，用于将所述第二分光光束耦合进入所述全息材料中；所述导光棱镜通过折射率匹配液与所述全息材料粘结。本优选方案的有益效果为：导光棱镜可以控制第二分光光束的传播方向，通过选用合适的导光棱镜即可满足不同要求的全息光栅的制备，无需大幅度调整制备系统，该优选方案使得制备系统灵活性更高，使用范围更广，操控简单；折射率匹配液使得导光棱镜更为准确高效地起到导光作用，引导光线的传播角度。
优选的，所述全息材料为银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料中的一种；所述移动挡板由黑纸或金属制成。本优选方案的有益效果为：银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料感光性能优良，根据不同光栅要求可以选用不同的材料；移动挡板可以选用能将照射至其上的光线全部吸收或者全部反射的材质制成，黑纸或金属制成的移动挡板的挡光性能优良，而且形状容易控制，便于夹持。
优选的，所述控制系统包括用于夹持所述移动挡板的夹持件、用于提供动力的动力装置以及用于控制动力装置的控制装置。该优选方案的控制装置可以为电脑等智能设备，以便实现自动化控制。
本发明提供的全息光栅的制备方法，包括以下步骤：发射源光束；将所述源光束分成第一分光光束和第二分光光束；对所述源光束进行扩束，或对第一分光光束和第二分光光束进行扩束；分别将所述第一分光光束和所述第二分光光束反射至全息材料；基于全息材料不同区域所需曝光时间，改变射向所述全息材料的所述第一分光光束和第二分光光束的横截面积，所述第一分光光束和所述第二分光光束在所述全息材料上形成干涉条纹，对所述全息材料进行曝光，制得全息光栅。本技术方案提供的制备方法，通过改变射向全息材料的第一分光光束和第二分光光束的横截面积，使得第一分光光束和第二分光光束在全息材料上形成干涉条纹的区域发生变化，进而控制全息材料不同区域的曝光时间，使得制得的全息光栅衍射效率按照需求分布，该方法适于制备多种尺寸和类型的高品质全息光栅，尤其适合制备衍射效率沿传播方向均匀变化的全息光栅。
附图说明
图1为本发明背景技术中未优化的耦合输出全息光栅输出的光线照度分布图；
图2为本发明背景技术中衰减片的自干涉原理示意图；
图3为本发明实施例1中第一分光光束和第二分光光束从异侧入射全息材料的制备系统的示意图；
图4为本发明实施例1中第一分光光束和第二分光光束从同侧入射全息材料的制备系统的示意图；
图5为本发明实施例1中一种要制备的全息光栅的衍射效率分布曲线图；
图6为本发明实施例1中所说的一种全息材料的效率与曝光时间的关系曲线图。
100-光源，200-物镜，300-扩束镜，400-分光装置，510-第一反光设备，520-第二反光设备，610-第一移动挡板，620-第二移动挡板，700-全息材料，800-导光棱镜，600-移动挡板，230-扩束装置，10-源光束，11-第一分光光束，12-第二分光光束。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例提供一种全息光栅的制备系统，如图3-4所示，包括：用于发射源光束10的光源100，设置在光源和全息材料之间用于将经过的光束进行扩束的扩束装置230，用于将所述源光束10分成第一分光光束11和第二分光光束12的分光装置400，用于分别将所述第一分光光束11和第二分光光束12反射至全息材料700的第一反光设备510和第二反光设备520，用于将所述第二分光光束520耦合进入所述全息材料700中的导光棱镜800，用于接收第一分光光束11和第二分光光束12的全息材料700，第一分光光束11和第二分光光束12在全息材料700上形成干涉条纹对全息材料700进行曝光即可制备全息光栅。
本实施例作为一种优选方案，所述第一分光光束11和所述第二分光光束12可以从所述全息材料700的同侧入射至所述全息材料700，如图4所示，也可从异侧入射至全息材料700，如图3所示；本实施例的导光棱镜800设置在所述第二分光光束12的光路中，通过折射率匹配液与所述全息材料700粘结；扩束装置230包括依次设置的物镜200和扩束镜300，扩束装置230可以设置在分光装置400之前，对经过的源光束10进行扩束，也可以设置在分光装置400之后，若设置在分光装置400之后，则需要在第一分光光束11和第二分光光束12的光路上均设置扩束装置230，用于分别对经过的第一分光光束11、第二分光光束12进行扩束；所述分光装置400选用分光棱镜；所述全息材料700可以为银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料中的一种。
最重要的，制备系统还包括至少一个移动挡板600，所述移动挡板600由黑纸或金属制成，设置在所述扩束装置230和所述全息材料700之间的光路上，若扩束装置230设置在分光装置400之前，则制备系统可以设置一个或多个移动挡板600，若扩束装置230设置在分光装置400之后，则制备系统需要设置两个及以上的移动挡板600；所述移动挡板600通过控制系统(图中未示出)带动，按预设参数移动，所述预设参数由全息光栅制备系统的具体结构和光路、全息材料700的性质以及所需全息光栅的效率要求共同决定，所述预设参数包括用于指示所述移动挡板600移动方向的方向参数、用于指示所述移动挡板600移动速率的速率参数，进一步的，若制备系统设置两个及以上移动挡板600，所述预设参数还包括关联各个移动挡板之间移动的关系参数(包括方向关系参数和速率关系参数)，该关系参数受制备系统的具体光路结构影响，控制系统包括用于夹持移动挡板的夹持件、用于提供动力的动力装置、用于控制动力装置的控制装置(比如电脑)，控制系统和移动挡板600与安装其他光学元件的光学平台不接触，以免控制移动挡板600移动时带来的震动影响全息干涉，通过移动挡板600的移动，可以间接或直接地改变射向所述全息材料700的第一分光光束11和第二分光光束12的横截面积，进而改变第一分光光束11和第二分光光束12在全息材料700上形成干涉条纹的区域，控制全息材料700上各区域的曝光时间，使得制得的全息光栅各区域的衍射效率按要求变化。
本实施例作为一种优选方案，设置两个移动挡板600，分别为第一移动挡板610和第二移动挡板620，所述预设参数包括第一预设参数、第二预设参数和关系参数，所述第一预设参数包括用于指示所述第一移动挡板移动方向的第一方向参数和用于指示所述第一移动挡板移动速率的第一速率参数；所述第二预设参数包括用于指示所述第二移动挡板移动方向的第二方向参数和用于指示所述第二移动挡板移动速率的第二速率参数；所述关系参数用于关联所述第一预设参数和第二预设参数；更进一步的，将所述第一移动挡板610设置在所述第一反光设备510和所述全息材料700之间的光路上，所述第一移动挡板610按第一预设参数移动，用于改变射向全息材料700的第一分光光束11的横截面积，将所述第二移动挡板620设置在所述第二反光设备520和所述全息材料700之间的光路上，所述第二移动挡板620按第二预设参数移动，用于改变射向全息材料700的第二分光光束12的横截面积；作为替代方案，也可以将所述第一移动挡板610设置在所述分光装置400和所述第一反光设备510之间的光路上，所述第一移动挡板610按第一预设参数移动，用于改变所述第一分光光束11的横截面积，将所述第二移动挡板620设置在所述分光装置400和所述第二反光设备520之间的光路上，所述第二移动挡板620按第二预设参数移动，用于改变所述第二分光光束12的横截面积。
作为另一种可选方案，图中未示出，制备系统只设置一个移动挡板600，扩束装置230设置在光源100和分光装置400之间，该所述移动挡板600设置在所述扩束装置230和所述分光装置400之间的光路上，所述移动挡板600按预设参数移动，用于改变所述源光束10的横截面积，由于移动挡板600设置在所述分光装置400之前的光路上，此处的源光束是被扩束但未分光的光束，则可间接地同时改变通过分光装置400之后形成的第一分光光束11和第二分光光束12的横截面积。
本实施例还提供了一种全息光栅的制备方法，包括以下步骤：用光源发射源光束；用扩束装置对源光束进行扩束或对第一分光光束和第二分光光束进行扩束；用分光装置将所述源光束分成第一分光光束和第二分光光束；用第一反光设备和第二反光设备分别将所述第一分光光束和所述第二分光光束反射至全息材料；基于全息材料不同区域所需的曝光时间，将至少一个设置在所述扩束装置和所述全息材料之间光路上的移动挡板按预设参数移动，改变射向所述全息材料的所述第一分光光束和第二分光光束的横截面积；所述第一分光光束和所述第二分光光束在所述全息材料上形成干涉条纹，对所述全息材料进行曝光，制得全息光栅。
本实施例的全息光栅制备系统和方法通过控制全息材料上不同区域的曝光时间，从而获得不同的曝光量，不同区域光栅效率不同，曝光量最高(即曝光时间最长)的区域效率最高，曝光量最低(即曝光时间最短)的区域效率最低。根据制备系统的具体结构和光路、全息材料的性质以及所需光栅的要求设定预设参数，比如指示移动挡板的移动方向、移动速率等参数以及不同移动挡板之间的移动关系参数，并用该系统对全息材料进行曝光即可得到所需的全息光栅。例如，用如图3所示的制备系统制备衍射效率沿某一方向变化的全息光栅，要求该全息光栅的衍射效率按图5所示曲线(纵轴为光栅的衍射效率，横轴以全息光栅最低曝光量为起始位置)变化，假设第一分光光束11垂直照射在全息材料700上，第二分光光束12垂直照射在导光棱镜800上，导光棱镜800的斜边与全息材料800的夹角为θ，则预设参数包括：①第一方向参数和第二方向参数，用于分别指示第一移动挡板610和第二移动挡板620均从A向B移动；②第一速率参数和第二速率参数，分别用于指示第一移动挡板和第二移动挡板运动速率大小变化情况，可以由全息材料衍射效率与曝光强度之间的关系(比如，图6为当光束在1mw/cm2时某一种全息材料的效率与曝光时间的关系)以及该要制备的全息光栅的衍射效率分布曲线(即图5)等推导出移动挡板的速率变化情况，进而确定速率参数；③关联第一速率参数和第二速率参数的速率关系参数，用于使得某一时刻第一移动挡板610的瞬时移动速率V1与第二移动挡板620的瞬时移动速率V2之间满足关系V2＝cosθ·V1。确定上述预设参数后，用图3所示的制备系统即可制得所需的全息光栅。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种全息光栅的制备系统，其特征在于，包括：
光源和全息材料；
扩束装置，设置在所述光源和所述全息材料之间的光路上，用于将经过的光束进行扩束；
分光装置，用于将所述光源发射的源光束分成第一分光光束和第二分光光束；
第一反光设备和第二反光设备，分别用于将所述第一分光光束和第二分光光束反射至所述全息材料；
移动挡板，设置在所述扩束装置和所述全息材料之间，所述移动挡板按预设参数移动改变所述第一分光光束和所述第二分光光束射向所述全息材料的光束的横截面积；其中，所述移动挡板包括第一移动挡板和第二移动挡板，所述第一移动挡板设置在所述分光装置和所述第一反光设备之间，所述第一移动挡板按第一预设参数移动，用于改变所述第一分光光束的横截面积，所述第二移动挡板设置在所述分光装置和所述第二反光设备之间，所述第二移动挡板按第二预设参数移动，用于改变所述第二分光光束的横截面积；或，所述第一移动挡板设置在所述第一反光设备和所述全息材料之间，所述第一移动挡板按第一预设参数移动，用于改变所述第一分光光束的横截面积，所述第二移动挡板设置在所述第二反光设备和所述全息材料之间，所述第二移动挡板按第二预设参数移动，用于改变所述第二分光光束的横截面积；
控制系统，用于控制所述移动挡板按预设参数移动；其中，所述预设参数包括用于指示所述移动挡板移动方向的方向参数、用于指示所述移动挡板移动速率的速率参数，具体的，所述预设参数包括第一预设参数、第二预设参数，所述第一预设参数包括用于指示所述第一移动挡板移动方向的第一方向参数和用于指示所述第一移动挡板移动速率的第一速率参数，所述第二预设参数包括用于指示所述第二移动挡板移动方向的第二方向参数和用于指示所述第二移动挡板移动速率的第二速率参数；所述预设参数还包括关系参数，所述关系参数用于关联所述第一预设参数和第二预设参数，具体的，所述关系参数包括用于关联第一速率参数和第二速率参数的速率关系参数；
所述全息材料，用于被所述第一分光光束和第二分光光束形成的干涉条纹曝光，形成全息光栅；
还包括导光棱镜，所述导光棱镜设置在所述第二分光光束的光路中，用于将所述第二分光光束耦合进入所述全息材料中，所述导光棱镜通过折射率匹配液与所述全息材料粘结；
其中，所述第一分光光束垂直照射在全息材料上，所述第二分光光束垂直照射在导光棱镜上，所述速率关系参数使得V2＝cosθ·V1，其中，V1为第一速率参数，V2为第二速率参数，θ为导光棱镜的斜边与全息材料的夹角。
2.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述第一分光光束和所述第二分光光束从所述全息材料的同侧或异侧入射至所述全息材料。
3.根据权利要求1所述的制备系统，其特征在于，所述全息材料为银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料中的一种；所述移动挡板由黑纸或金属制成。
4.一种应用权利要求1~3中任一项所述的制备系统制备全息光栅的方法，其特征在于，包括以下步骤：
发射源光束；
将所述源光束分成第一分光光束和第二分光光束；
对所述源光束进行扩束，或对第一分光光束和第二分光光束进行扩束；
分别将所述第一分光光束和所述第二分光光束反射至全息材料；
基于全息材料不同区域所需曝光时间，改变射向所述全息材料的所述第一分光光束和第二分光光束的横截面积；
所述第一分光光束和所述第二分光光束在所述全息材料上形成干涉条纹，对所述全息材料进行曝光，制得全息光栅。
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