CN115201954B - 一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器及其制备方法，其中，复用体光栅角度放大器包括沿入射光方向依次设置的位于第一复用透射式体布拉格光栅前表面的第一增透膜、第一复用透射式体布拉格光栅、第二复用透射式体布拉格光栅和位于第二复用透射式体布拉格光栅后表面的第二增透膜，本发明将复用透射式体布拉格光栅的通道入射角和出射角进行调整，将原本入射角和出射角的正值与正值相对应调整为一正一负；此外，为了避免角谱半高宽较大的通道相邻，将原本出射角的角度依次递增的关系进行调整，将角谱半高宽较大的通道间隔开来。本发明通过优化光栅通道参数，制备了12通道复用的体光栅角度放大器，测试结果表明其串扰显著降低。

Description

一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光光束扫描技术领域，特别涉及一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器及其制备方法。

背景技术

光束偏转作为一种重要的光束控制技术，广泛应用于激光雷达、空间激光通信、光开关和高能激光系统等领域。特别是结合液晶光学相控阵和体布拉格光栅实现大角度光束偏转的光束扫描系统，在多种光束偏转技术中具有独特的优势，具有小型化、重量轻、结构简单、响应时间短、大偏转角度等。体布拉格光栅是一种基于光热折变玻璃的体全息器件，它使入射光在布拉格角度范围内偏转，并直接以其它角度透射入射光。在同一块光热折变玻璃上写入具有不同结构参数的体布拉格光栅被称为多通道复用体光栅，即利用多通道体光栅的角选择性设计入射角和出射角的角度区间以实现不同角度的放大。

在多通道复用体光栅应用过程中，信道中的串扰会限制多路复用信道的数量，降低通道的衍射效率。现有技术“多块多通道复用体布拉格光栅级联角度偏转器（CN108873316B）”中所述的多通道复用角度偏转器通道串扰较为严重。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器及其制备方法，旨在解决现有多通道复用角度偏转器通道串扰严重的问题。

本发明的技术方案如下：

一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器，其中，包括沿入射光方向依次设置的位于第一复用透射式体布拉格光栅前表面的第一增透膜、第一复用透射式体布拉格光栅、第二复用透射式体布拉格光栅和位于第二复用透射式体布拉格光栅后表面的第二增透膜，所述第一复用透射式体布拉格光栅和第二复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块复用透射式体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角；所述复用体光栅角度放大器包含a-l共12个通道，光栅通道a/g、b/h、c/i、d/j、e/k、f/l的入射角度分别为：0.8°/-0.8°、1.6°/-1.6°、2.4°/-2.4°、3.2°/-3.2°、4°/-4°、4.8°/-4.8°，出射角度分别为：-15°/15°、-30°/30°、-22.5°/22.5°、-37.5°/37.5°、-45°/45°、-7.5°/7.5°，空间频率分别为：257.25mm^-1、502.71mm^-1、401.7mm^-1、636.21mm^-1、748.73mm^-1、201.35mm^-1，条纹倾斜角度分别为94.7254°/85.2746°、99.251°/80.749°、96.6248°/83.3752°、100.9647°/79.0353°、102.801°/77.199°、90.9016°/89.0984°。

所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器，其中，所述第一块复用透射式体布拉格光栅和第二块复用透射式体布拉格光栅的厚度均为3-5nm。

一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器的制备方法，其中，包括步骤：

将a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l这12个通道划分为第一组通道a、c、e、g、i、k和第二组通道b、d、f、h、j、l；

将所述第一组通道和第二组通道的参数分别写入两块光热折变玻璃中，每个通道的曝光剂量50-100mJ/cm²；

对所述两块光热折变玻璃进行热显影处理，得到第一复用透射式体布拉格光栅、第二复用透射式体布拉格光栅；

将所述第一复用透射式体布拉格光栅和第二复用透射式体布拉格光栅精抛光后用匹配液级联在一起，并在所述第一复用透射式体布拉格光栅的前表面和第二复用透射式体布拉格光栅的后面表分别层叠第一增透膜和第二增透膜，制得所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器。

所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器的制备方法，其中，对所述两块光热折变玻璃进行热显影处理的步骤中，热显影处理的温度为480℃-520℃，热显影时间为180-250min。

有益效果：本发明针对性地提出一种降低复用体光栅角度放大器通道串扰的方法，指出在不影响多通道复用体光栅性能的前提下，引起串扰的主要因素是光栅通道角谱半高宽较大。本发明通过优化光栅通道参数，制备了一种低通道串扰的12通道复用的体光栅角度放大器，测试结果表明其串扰显著降低，将12通道复用体光栅的通道最大角谱半高宽从2.9278mrad减小到1.6051mrad。

附图说明

图1为本发明一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器的结构示意图。

图2为不同通道的光栅厚度与角谱半高宽的关系曲线图。

图3为不同通道的角谱半高宽与倾斜角的关系曲线图。

图4为角谱半高宽与空间频率的关系曲线图。

图5为单通道体光栅记录与再现示意图。

图6中a为多通道复用体光栅角放大器优化前的入射角谱曲线图，b为多通道复用体光栅角放大器优化后的入射角谱曲线图。

图7为本发明制备的12通道复用体光栅角度放大器的入射角谱曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为本发明提供的一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器结构示意图，如图所示，其包括沿入射光方向依次设置的位于第一复用透射式体布拉格光栅20前表面的第一增透膜10、第一复用透射式体布拉格光栅20、第二复用透射式体布拉格光栅30和位于第二复用透射式体布拉格光栅30后表面的第二增透膜40，所述第一复用透射式体布拉格光栅20和第二复用透射式体布拉格光栅30通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块复用透射式体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角；所述第一复用透射式体布拉格光栅20包含光栅通道a、c、e、g、i、k，所述第二复用透射式体布拉格光栅30包含光栅通道b、d、f、h、j、l；光栅通道a/g、b/h、c/i、d/j、e/k、f/l的入射角度分别为：0.8°/-0.8°、1.6°/-1.6°、2.4°/-2.4°、3.2°/-3.2°、4°/-4°、4.8°/-4.8°，出射角度分别为：-15°/15°、-30°/30°、-22.5°/22.5°、-37.5°/37.5°、-45°/45°、-7.5°/7.5°，空间频率分别为：257.25mm^-1、502.71mm^-1、401.7mm^-1、636.21mm^-1、748.73mm^-1、201.35mm^-1，条纹倾斜角度分别为94.7254°/85.2746°、99.251°/80.749°、96.6248°/83.3752°、100.9647°/79.0353°、102.801°/77.199°、90.9016°/89.0984°。

本发明通过研究发现，从多通道复用体布拉格光栅的角度选择性曲线可以直观地看出引起通道串扰的因素包含相邻通道的布拉格角间隔和角谱半高宽。由于光栅通道的布拉格角与所设计的角度放大器的性能相关，不能轻易改变，因此本发明重点是减小通道角谱曲线的半高宽值，并将半高宽值较大的光栅通道调整到与半高宽较小通道相邻。本发明通过进一步研究发现，光栅通道的角谱半高宽值与空间频率成反比，且光栅通道介质内出射角和入射角差值绝对值与空间频率成正比，为了增大差值绝对值，本发明将原本光栅通道（CN108873316B）入射角和出射角正值与正值相对应调整为一正一负；此外，为了避免角谱半高宽较大的通道相邻，将原本出射角的角度依次递增的关系进行调整，将角谱半高宽较大的通道间隔开来。

本发明通过优化光栅通道参数，制备了一种低通道串扰的12通道复用的体光栅角度放大器，测试结果表明其串扰显著降低，将12通道复用体光栅的通道最大角谱半高宽从2.9278mrad减小到1.6051mrad。

在一些实施方式中，所述第一块复用透射式体布拉格光栅和第二块复用透射式体布拉格光栅的厚度均为3-5nm。在该范围内，可以保证多通道复用体光栅角放大器的总

（折射率调制度）不超过光热折变玻璃最大

的同时，减小光栅通道的角谱半高宽，从而降低通道间的串扰。

下面通过具体实施例对本发明做进一步的解释说明：

首先，根据布拉格条件，多通道复用体布拉格光栅的衍射角度取决于体光栅的空间频率：

， （1），其中，

为入射布拉格角，

为体光栅的工作波长，

为体光栅的空间频率，

为光热折变玻璃在工作波长处的折射率。

对于透射体光栅，其衍射效率为：

， (2)，其中，

为当满足布拉格条件体光栅效率最大时的耦合强度，

是布拉格失配量，用于描述入射布拉格角

或工作波长

与布拉格条件的偏差。

在布拉格条件下的耦合强度可表示为：

，(3) ，其中d为光栅厚度，

为折射率调制度，

为倾斜因子，

，(4)。

耦合参数

考虑到了与布拉格角最小角度偏差

或与使用波长最小波长偏差

，可表达为：

, (5)，这里的

为倾斜角。

当衍射效率等于0时，等式（2）可变成

(6)；

当

和等式（6）j=1时，通过等式（5）可以推导出入射布拉格角的角谱半高宽为

， (7)；

体光栅在介质外的入射角

的角度选择性表达式可由等式(7)及snell定律的微分形式获得

，(8)；

从等式（7）和等式（8）中可以得到，角谱半高宽

与光栅厚度d、倾斜角

、空间频率

和折射率调制度

有关。

当耦合参数

为0时，等式（2）可以转变为

，(9)；当衍射效率

为定值时，光栅厚度d和折射率调制度

是成反比例关系。由于折射率调制度数值与紫外曝光和热处理过程相关，难以实现精确控制。而厚度d仅与记录体光栅的介质厚度相关，相比折射率调制度

更容易控制。因此本实施例将厚度d作为研究的因素之一。

基于上述理论基础，以12通道复用体光栅角放大器为例对通道串扰影响因素光栅厚度d、倾斜角

、空间频率

进行具体分析，该角放大器可对1064nm的光实现±45°的角度放大，其优化前的通道参数如表1所示

表1. ±45°角放大器的每一通道的体光栅设计参数

（1）光栅厚度d

制备多通道复用体光栅角放大器常用的光热折变玻璃厚度为0.5- 5mm。 将表1中的光栅参数代入式(7)，可以观察到角谱半高宽随厚度d增加的变化趋势，如图2所示。在厚度d相同的情况下，每个光栅通道的角谱半高宽值不同，且与光栅通道的空间频率呈正相关。当厚度d大于3mm时，所有通道的角谱半高宽均小于3mrad。因此，设计的多通道复用体光栅角放大器的厚度应该在3-5mm左右，这样可以在保证多通道复用体光栅角放大器的总

满足光热折变玻璃最大

的同时，减小光栅通道的角谱半高宽和通道间的串扰。

（2）倾斜角

在表1中，光栅通道的倾斜角度范围为70°~ 110°。 其中，厚度d为3 mm,

为170×10^-6，空间频率分别为125mm^-1、166.67mm^-1、250mm^-1和500mm^-1。 角谱半高宽随倾斜角度

增加的变化趋势如图3所示。在给定的倾斜角度和空间频率范围内，角谱半高宽的最大差值仅为0.222mrad，表明倾斜角度对角谱半高宽的影响不大。

（3）空间频率

表1中空间频率的最小值为109.7mm^-1，最大值为608.9mm^-1。以100mm^-1 - 620mm^-1为空间频率范围，可以观察到角谱半高宽随空间频率增加的变化趋势，如图4所示。其中，光栅厚度d为3mm,

为170 ×10^-6，倾斜角度分别取为70°、80°、90°、100°和110°。光栅通道的角谱半高宽与空间频率成反比，当光栅频率为620mm^-1时，角谱半高宽仅为100mm^-1时的1/6。

根据上述影响因素的分析结果，影响光栅通道角谱半高宽最显著的因素是空间频率。 因此，优化方案的重点是在不改变原有角度放大器的放大能力的情况下，尽可能提高通道的空间频率，从而减少通道间的串扰。

从单通道体光栅出发，如图5所示，倾斜角和空间频率的公式为

(10)

(11)

其中，

和

分别为光栅介质内的入射角和出射角。 将式(10)代入式(11)，空间频率表示为

(12)

从公式（12）中可以得到，影响空间频率与光栅通道在介质中的出射角和入射角之差绝对值的正弦值成正比。由此得出优化应在不改变原光栅通道入射角和出射角的情况下，调整它们之间的对应关系，从而提高光栅空间频率。

基于上述理论，本实施例对±45°角放大器的光栅通道设计进行了优化，并对优化前后的角谱半高宽结果进行了比较，如表2和表3所示。 由于12个光栅通道在设计上是对称的，所以图6中只画出了6个光栅通道的角度选择性曲线进行对比。 结果表明，优化后的多通道复用体光栅角度放大器的通道间串扰显著降低，通道最大角谱半高宽从2.9278mrad减小到1.6051mrad。

表2.优化前的通道参数表

从表2的通道参数可以发现，常规设计的光栅通道介质内出射角和入射角差值绝对值最小仅为4.3898°，其次为8.731°，对应的角谱半高宽分别为2.9278mrad和1.4636mrad。在设计时两个光栅通道相邻，较大的角谱半高宽必然导致通道相互重叠，产生串扰。

由于光栅通道介质内出射角和入射角差值绝对值与空间频率成正比，为了增大差值绝对值，将原本光栅通道入射角和出射角正值与正值相对应调整为一正一负相对应。此外，为了避免角谱半高宽较大的通道相邻，将原本出射角的角度依次递增的关系进行调整，将角谱半高宽较大的通道间隔开来。

表3.优化后的通道参数表

从优化后表3的通道参数可见，优化设计后的光栅通道介质内出射角和入射角差值绝对值最小为8.0634°，其次为10.3062°，对应的角谱半高宽分别为1.6051mrad和1.263mrad。且此时这两个通道被调整分布在一组光栅通道的首尾，与之相邻的通道角谱半高宽均较小，可以有效避免通道互相重叠，从而降低通道间的串扰。

与CN108873316B中相同，本实施例制备的角度放大器的入射角和出射角的范围分别为±4.8°和±45°，工作波长是1064nm，光栅厚度设计选择为4 mm，优化后的多通道复用体光栅角度放大器的参数如表4所示。

表 4. 优化设计后的 ±45°多通道复用体光栅角度放大器参数表

将12个通道分为两组6通道复用体光栅，即#a, #c, #e, #g, #i, #k和#b, #d, #f, #h, #j, #l，分别写入两块4mm厚的光热折变玻璃中，曝光剂量为50-100mJ/cm²，然后采用510℃恒温热处理180分钟得到两块6通道复用角度放大器，最后将这两片角度放大器精抛光后级联便形成了±45°多通道复用体光栅角度放大器，其角谱测试结果如图6所示。通道平均衍射效率为87.5%，最大衍射效率为95%，最小衍射效率为75%。在本申请中衍射效率并不是关键要求，其通过提升光热折变玻璃的折射率调制度、优化曝光和热处理工艺可以达到很高的衍射效率。CN108873316B中公开的角谱曲线显示不仅在底部有相互重叠而且半高宽较宽，所以其串扰严重。与之相比，图7显示的角谱测试曲线并未发生通道曲线重叠的情况，而且光谱半高宽有明显的降低，这都是通道串扰降低的表现。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种低通道串扰的复用体光栅角度放大器，其特征在于，包括沿入射光方向依次设置的位于第一复用透射式体布拉格光栅前表面的第一增透膜、第一复用透射式体布拉格光栅、第二复用透射式体布拉格光栅和位于第二复用透射式体布拉格光栅后表面的第二增透膜，所述第一复用透射式体布拉格光栅和第二复用透射式体布拉格光栅通过折射率匹配液贴合成一个整体，每一块复用透射式体布拉格光栅的各路光栅通道对应着特定的入射角和出射角；所述复用体光栅角度放大器包含a-l共12个光栅通道；光栅通道a/g、b/h、c/i、d/j、e/k、f/l的入射角度分别为：0.8°/-0.8°、1.6°/-1.6°、2.4°/-2.4°、3.2°/-3.2°、4°/-4°、4.8°/-4.8°，出射角度分别为：-15°/15°、-30°/30°、-22.5°/22.5°、-37.5°/37.5°、-45°/45°、-7.5°/7.5°，空间频率分别为：257.25mm^-1、502.71mm^-1、401.7mm^-1、636.21mm-1、748.73mm-1、201.35mm-1，条纹倾斜角度分别为94.7254°/85.2746°、99.251°/80.749°、96.6248°/83.3752°、100.9647°/79.0353°、102.801°/77.199°、90.9016°/89.0984°。

2.根据权利要求1所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器，其特征在于，所述第一复用透射式体布拉格光栅和第二复用透射式体布拉格光栅的厚度均为4nm。

3.一种如权利要求1所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

将a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l这12个通道划分为第一组通道a、c、e、g、i、k和第二组通道b、d、f、h、j、l；

将所述第一组通道和第二组通道的参数分别写入两块光热折变玻璃中，每个通道的曝光剂量50-100mJ/cm²；

对所述两块光热折变玻璃进行热显影处理，得到第一复用透射式体布拉格光栅、第二复用透射式体布拉格光栅；

将所述第一复用透射式体布拉格光栅和第二复用透射式体布拉格光栅精抛光后用匹配液级联在一起，并在所述第一复用透射式体布拉格光栅的前表面和第二复用透射式体布拉格光栅的后面表分别层叠第一增透膜和第二增透膜，制得所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器。

4.根据权利要求3所述低通道串扰的复用体光栅角度放大器的制备方法，其特征在于，对所述两块光热折变玻璃进行热显影处理的步骤中，热显影处理的温度为480℃-520℃，热显影时间为180-250min。

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