CN115793117A - 一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统及其写入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，包括激光干涉光路和条纹锁定系统，激光器发出的相干光通过分束镜分为反射光和透射光，在反射光路上依次设置有反射镜、第一光阑、第一空间滤波器、第一准直透镜；在透射光路上依次设置有第二光阑、第二空间滤波器和第二准直透镜，最后反射光和透射光对称入射至基片框，所述基片框上设置有待写入的反射式体布拉格光栅和用作条纹锁定的面光栅；本发明同时提供制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统的写入方法；通过上述方式，本发明利用透射式曝光方式制作反射式光栅，其全息曝光光路干涉角度方便可调，确保光栅周期精确改变，同时干涉光束稳定性好，可保证小周期体光栅的稳定写入。
Description
技术领域
本发明涉及基于光热敏玻璃的体布拉格光栅技术领域，特别是涉及一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统及其写入方法。
背景技术
体布拉格光栅，作为一种新型的激光元器件，通过对光热敏折变玻璃进行全息曝光以及热显影，在玻璃内部形成折射率的周期性改变，从而形成体布拉格光栅；光热敏折变玻璃材料中的Ce3+、Sb3+、Sn2+作为光敏因子，Ag+作为成核因子，利用紫外激光双光束干涉形成光栅条纹照射到玻璃表面，玻璃内部由于光敏性出现的银颗粒诱导NaF晶相的析出与生长，产生玻璃内部的折射率调制，实现光敏记录。
基于光热敏折变玻璃制备的体布拉格光栅，具有良好的角度选择性和光谱选择性，特别是具有极高的破坏损伤阈值，体布拉格光栅在光束波长合成、超短脉冲激光的压缩与展宽、高功率激光系统角选择近场滤波、半导体激光输出光谱稳定、窄化以及模式选择中都有广泛的应用，可以极大的提高激光器及其系统的性能，在工业、科研、国防等领域具有非常重要的用途。
由于反射式体布拉格光栅的共振波长、光栅周期、光栅尺寸规格变化范围宽，且光敏区域为280～350nm，目前体布拉格光栅的制备大都采用紫外激光双光束干涉曝光，即全息曝光方案，全息曝光系统结构简单，可调节范围广，分辨率高，图形对比度好，工程实用性更强。
然而，目前国内的反射式体布拉格光栅尚未实现大规模量产，制作工艺尤其是曝光写入方式仍需研究；同时，相较于透射型体布拉格光栅，反射式体布拉格光栅的周期更小，且对于中心波长的精度要求更高，即对于光栅周期的精度要求极高，需达到0.1nm；但是在现有全息曝光光路中，两干涉光夹角大小由两反射镜与基片的相对位置有关，且反射镜后方的各个光学元件都是独立的，若反射镜发生偏转，光束角度改变后，后方的所有光学元件均需重新拆卸安装，调节复杂困难，耗时较长，且调节精度低，很难一次性调节至所需的光栅周期，因此现有的曝光写入相关技术有待继续优化改进或者重新设计。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统及其写入方法，利用透射式曝光方式制作反射式光栅，其全息曝光光路干涉角度方便可调，确保光栅周期精确改变，根据光栅周期即可计算出反射式体布拉格光栅的理论中心波长，同时干涉光束稳定性好，可保证小周期体光栅的稳定写入。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，包括激光干涉光路和条纹锁定系统，激光器发出的相干光通过分束镜分为反射光和透射光，在反射光路上依次设置有反射镜、第一光阑、第一空间滤波器、第一准直透镜；在透射光路上依次设置有第二光阑、第二空间滤波器和第二准直透镜，最后反射光和透射光对称入射至基片框上，所述基片框上设置有待写入的反射式体布拉格光栅和用作条纹锁定的自制面光栅。
优选的，所述条纹锁定系统包括设置在所述反射式体布拉格光栅上方的自制面光栅，自制面光栅是由涂覆光刻胶的玻璃基片制成，在同一干涉光路下曝光显影完成后制成的光刻胶掩模光栅，放回原光路，基片框后方体现出自制面光栅和光场光栅形成的莫尔干涉条纹相位变化实现条纹锁定功能。
优选的，所述基片框的后方设置有光屏，所述基片框的前方设置有相机和计算机。
优选的，所述反射镜、第一光阑、第一空间滤波器和第一准直透镜设置在光学平板上，所述光学平板下方设置有电动转台，所述第二光阑、第二空间滤波器和第二准直透镜采用同样的光学平板和电动转台设计，所述基片框设置在线性电动位移台上。
优选的，所述分束镜和反射镜之间设置有可调衰减片，用于改变光功率，提升干涉条纹对比度。
优选的，所述反射镜的一侧设置有压电陶瓷，用于条纹锁定的实现。
优选的，所述第一空间滤波器和第二空间滤波器结构相同，均由显微物镜和针孔滤波器组成，且针孔滤波器的孔径为微米级，有效滤除杂散光，提升光束质量。
优选的，所述第一准直透镜和第二准直透镜均为单片非球面透镜，用于提升光束质量，减少像差。
本发明还提出了一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统的写入方法，包括如下步骤：
(a)根据所需反射式体布拉格光栅的尺寸，计算透射曝光面尺寸和反射体布拉格光栅通光尺寸，加工出合适尺寸的光敏玻璃基片，用于制备反射式体布拉格光栅；
(b)将光敏玻璃基片的前表面和后表面均抛光，并放置于基片框的下半部分，基片框的上半部分放置自制面光栅用作条纹锁定；
(c)激光器发出的相干光通过上述全息曝光光路系统后，形成的两激光干涉光束以角度θ相交于光敏玻璃基片的前表面，其中两激光干涉光束相对于光敏玻璃基片的前表面对称且干涉条纹的方向垂直于厚度方向；
(d)微调自制面光栅，在后方光屏上可观察到干涉条纹，该干涉条纹为自制面光栅和光场光栅形成的莫尔条纹，莫尔条纹的相位变化反应了光场干涉光束的相位差值，相机将拍摄的莫尔条纹传至计算机中，通过驱动反射镜偏转，即可改变光路中干涉光束的相位差，通过锁定莫尔条纹的相位即可保证干涉光束的稳定性；
(e)曝光和热处理完成后，光栅内部析晶颗粒形成的栅线处折射率调制度产生变化，再将光敏玻璃基片的厚度方向两个面抛光，此时栅线存在于光敏玻璃基片的内部，且栅线面与入射光垂直，即为制备出的反射式体布拉格光栅。
优选的，上述第(b)步中自制面光栅的过程为，自制面光栅由涂敷光刻胶的玻璃基片制成，在同一干涉光路下曝光，曝光显影完成后制成光刻胶掩模光栅，放回原光路。
本发明的有益效果是：
本发明利用透射式曝光方式曝光写入反射式体布拉格光栅，根据析晶颗粒在光热敏折变玻璃内部的排列方式，即按照透射式曝光所形成的光栅栅线位置，调整光栅的通光面用作反射式体布拉格光栅；通过本发明提出的全息曝光光路系统，利用一整套调节机构精确调整反射式体布拉格光栅周期，在同一干涉光路下曝光制作自制面光栅，自制面光栅与光场光栅形成莫尔条纹，利用条纹锁定系统锁定干涉光束的相位变化，有效提升全息曝光的稳定性，此全息曝光光路系统干涉夹角方便可调，反射式体布拉格光栅的共振波长位置调节范围宽，调节精度可到0.1nm，且反射式体布拉格光栅0°入射角度下的衍射效率可达到90％以上，本发明提出的此种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统及其写入方法，不仅技术创新性好，而且市场推广价值高，可保证小周期体光栅的稳定写入，为现有国内反射式体布拉格光栅的写入技术提供了有力支撑。
附图说明
图1是本发明制备的反射式体布拉格光栅栅线示意图；
图2是本发明制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统示意图；
图3是本发明方便调节干设计角度的全息曝光光路局部示意图；
图4是本发明光栅周期调节原理示意图；
附图中各部件的标记如下：
1、激光器；2、分束镜；3、反射镜；4、第一光阑；5、第一空间滤波器；
6、第一准直透镜；7、第二光阑；8、第二空间滤波器；9、第二准直透镜；
10、基片框；11、反射式体布拉格光栅；12、自制面光栅；13、光屏；14、相机；15、计算机；16、光学平板；17、电动转台；18、线性电动位移台；19、可调衰减片；20、压电陶瓷。
具体实施方式
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：
如图1所示，根据所需反射式体布拉格光栅的尺寸，计算透射曝光面尺寸和反射体布拉格光栅通光尺寸，加工出合适尺寸的光敏玻璃基片，用于制备反射式体布拉格光栅；本实施例体现的是：光敏玻璃基片的尺寸为L*H*T，两激光干涉光束以一定的角度θ相交于光敏玻璃基片的前表面H*L，H*L的两个面需提前抛光，两激光干涉光束相交于光敏玻璃基片的前表面对称，干涉条纹的方向平行于H方向，垂直于L方向，干涉条纹形成在光敏玻璃基片的前表面，且垂直于厚度T方向。
如图1所示，曝光以及热处理完成后，光栅内部析晶颗粒形成的栅线也是平行于H方向，垂直于L方向，垂直于T方向，栅线处的折射率调制度产生变化，再将光敏玻璃基片的厚度方向H*T两个面抛光，此时栅线存在于光敏玻璃基片的内部，且栅线面与入射光垂直，即制备出反射式体布拉格光栅，此时反射式体布拉格光栅的通光面为H*T，厚度为L，反射式体布拉格光栅的周期由干涉光束的夹角决定
其中：λ为激光波长，θ为两激光干涉光束之间的夹角；反射式体布拉格光栅对应的中心波长λ0＝2n0Λcosθ0，其中n0为光敏玻璃基片的平均折射率，θ0为入射角，Λ为光栅周期，与干涉光束夹角有关。
如图2所示，制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，包括激光干涉光路和条纹锁定系统，激光器1发出的相干光通过分束镜2被分为反射方向和透射方向两束光，在反射光路上依次设置有反射镜3、第一光阑4、第一空间滤波器5、第一准直透镜6，在透射光路上依次设置有第二光阑7、第二空间滤波器8和第二准直透镜9，最后反射光路和透射光路的光束对称入射到基片框10上。
如图2所示，第一光阑4和第二光阑7能滤除部分杂散光，且方便后续的光路调节；相干光通过第一空间滤波器5和第二空间滤波器8后变为发散球面波，第一空间滤波器5和第二空间滤波器8的结构相同，均由显微物镜和针孔滤波器组成，且针孔滤波器的孔径为微米级，能有效消除各种杂散光，调节时针孔滤波器需放置在显微物镜的焦点位置处。发散球面波经过第一准直透镜6和第二准直透镜9后变为平行光，第一准直透镜6和第二准直透镜9均为单片非球面透镜，尽可能减小平行光的像差。反射方向光路上在分束镜2和反射镜3之间设置有可调衰减片19，通过调节衰减片19的通光位置，可改变其中一束激光的功率，从而使得最终发生干涉的两束平行光强度保持一致，提高干涉条纹的对比度。
如图2所示，激光器1发出相干光通过分束镜2分为的反射光和透射光最后对称入射至基片框10上，基片框10分为上下两个部分，下半部分放置待写入的反射式体布拉格光栅11，上半部分放置自制面光栅12用作条纹锁定，即条纹锁定系统。条纹锁定系统包括自制面光栅12，自制面光栅12是由涂覆光刻胶的玻璃基片制成，在同一干涉光路下曝光显影完成后制成的光刻胶掩模光栅，放回原光路，在基片框10的后方设置有光屏13，基片框10的前方设置有相机14和计算机15，微调自制面光栅12的位置，在后方的光屏13上可观察到干涉条纹，该干涉条纹为自制面光栅和光场光栅形成的莫尔条纹，相机14将莫尔条纹拍摄传至计算机15中，莫尔条纹的相位变化反应了光场干涉光束的相位差变化，反射镜3背离分束镜2的一侧设置有压电陶瓷20，通过压电陶瓷20的运动驱动反射镜3偏转，即可改变光路中干涉光束的相位差，通过锁定莫尔条纹的相位即可保证干涉光束的稳定性，提升全息曝光的质量。
如图2所示，本发明全息曝光光路中的条纹锁定系统，采用自制面光栅作为参考光栅，自制面光栅和反射式体布拉格光栅设置在同一块基片框上，自制面光栅和光场光栅形成的莫尔条纹作为评判标准，此时自制面光栅是不动的，则莫尔条纹的相位变化反应了干涉光束的相位差值，将莫尔条纹锁定不动，即锁定了光场中的干涉光束，极大提高曝光过程中的干涉条纹稳定性，通过驱动压电陶瓷使得反射镜受到外力，经过反射镜后的光束相位发生变化，干涉光束的相位差发生变化，通过莫尔条纹的相位变化负反馈压电陶瓷的驱动电压，使得莫尔条纹的相位不变，实现条纹锁定功能。
如图2和图3所示，由于反射式体布拉格光栅对于中心波长的精度要求高，即对于反射式体布拉格光栅周期精度要求高，需达到0.1nm，而在传统的全息曝光光路中，两干涉光夹角大小由两反射镜与基片的相对位置有关，且反射镜后方的各个光学元件都是独立的，若反射镜发生偏转，光束角度改变后，所有光学元件均需重新拆卸安装，调节复杂困难，耗时较长，且调节精度低，很难一次性调节至所需的光栅周期，本发明提出的全息曝光光路系统，同样能够有效的解决上述技术问题：反射镜3、第一光阑4、第一空间滤波器5和第一准直透镜6设置在同一光学平板16上，集成在一起形成一个整体，光学平板16下方设置有电动转台17，只需通过电动转台17的偏转即可改变曝光光路中一束干涉光的入射角度，其上的光学元件无需再拆卸调整；同时第二光阑7、第二空间滤波器8和第二准直透镜9也采用同样的光学平板和电动转台设计，电动转台17的偏转精度高，角度偏转范围大，可实现角度自动、精准调节。另外，基片框10设置在线性电动位移台18上，当光束夹角改变后，基片框10仅需前后移动保证干涉光场始终保持在基片的前表面，光栅周期调整方便，调整精度高。
进一步的，根据本发明提出的制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统对应的光栅周期调节原理如图3和图4所示，根据需要的光栅周期∧以及激光器波长λ计算出干涉夹角，由光栅方程得到：
再由三角形定理：
得到两反射镜之间的距离x和反射镜到干涉平面之间的距离L，搭建激光双光束干涉曝光系统，将两反射镜偏转一定的角度Δθ，两干涉光束的重合区域发生变化，则相应基片也需移动Δx，使得基片前表面置于干涉光场上，移动距离与偏转角度的关系如下：
其中
此时两干涉光束的夹角发生改变，即光栅周期可方便地调整；光栅周期的变化范围：
即与反射镜的偏转角度Δθ有关，选取较大口径的反射镜能有效提高反射镜偏转角度的范围，从而增大光栅的周期调节范围。
最后，按照上述反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其相应的写入方法按照如下步骤：
(a)根据所需反射式体布拉格光栅的尺寸，计算透射曝光面尺寸和反射体布拉格光栅通光尺寸，加工出合适尺寸的光敏玻璃基片，用于制备反射式体布拉格光栅；
(b)将光敏玻璃基片的前表面和后表面均抛光，并放置于基片框10的下半部分，基片框10的上半部分放置自制面光栅用作条纹锁定，其中：自制面光栅的过程为，自制面光栅由涂敷光刻胶的玻璃基片制成，在同一干涉光路下曝光，曝光显影完成后制成光刻胶掩模光栅，放回原光路；
(c)激光器1发出的相干光通过上述全息曝光光路系统后，形成的两激光干涉光束以角度θ相交于光敏玻璃基片的前表面，其中两激光干涉光束相对于光敏玻璃基片的前表面对称且干涉条纹的方向垂直于厚度方向；
(d)微调自制面光栅，在后方光屏上可观察到干涉条纹，该干涉条纹为自制面光栅和光场光栅形成的莫尔条纹，莫尔条纹的相位变化反应了光场干涉光束的相位差值，相机14将拍摄的莫尔条纹传至计算机15中，通过驱动反射镜3偏转，即可改变光路中干涉光束的相位差，通过锁定莫尔条纹的相位即可保证干涉光束的稳定性；
(e)曝光和热处理完成后，光栅内部析晶颗粒形成的栅线处折射率调制度产生变化，再将光敏玻璃基片的厚度方向两个面抛光，此时栅线存在于光敏玻璃基片的内部，且栅线面与入射光垂直，即为写入完成的反射式体布拉格光栅。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：包括激光干涉光路和条纹锁定系统，激光器(1)发出的相干光通过分束镜(2)分为反射光和透射光，在反射光路上依次设置有反射镜(3)、第一光阑(4)、第一空间滤波器(5)、第一准直透镜(6)；在透射光路上依次设置有第二光阑(7)、第二空间滤波器(8)和第二准直透镜(9)，最后反射光和透射光对称入射至基片框(10)上，所述基片框(10)上设置有待写入的反射式体布拉格光栅(11)和用作条纹锁定的自制面光栅(12)。
2.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述条纹锁定系统包括设置在所述反射式体布拉格光栅(11)上方的自制面光栅(12)，自制面光栅(12)是由涂覆光刻胶的玻璃基片制成，在同一干涉光路下曝光显影完成后制成的光刻胶掩模光栅，放回原光路，基片框(10)后方体现出自制面光栅和光场光栅形成的莫尔干涉条纹相位变化实现条纹锁定功能。
3.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述基片框(10)的后方设置有光屏(13)，所述基片框(10)的前方设置有相机(14)和计算机(15)。
4.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述反射镜(3)、第一光阑(4)、第一空间滤波器(5)和第一准直透镜(6)设置在光学平板(16)上，所述光学平板(16)下方设置有电动转台(17)，所述第二光阑(7)、第二空间滤波器(8)和第二准直透镜(9)采用同样的光学平板和电动转台设计，所述基片框(10)设置在线性电动位移台(18)上。
5.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述分束镜(2)和反射镜(3)之间设置有可调衰减片(19)，用于改变光功率，提升干涉条纹对比度。
6.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述反射镜(3)的一侧设置有压电陶瓷(20)，用于条纹锁定的实现。
7.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述第一空间滤波器(5)和第二空间滤波器(8)结构相同，均由显微物镜和针孔滤波器组成，且针孔滤波器的孔径为微米级，有效滤除杂散光，提升光束质量。
8.根据权利要求1所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：所述第一准直透镜(6)和第二准直透镜(9)均为单片非球面透镜，用于提升光束质量，减少像差。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统的写入方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)根据所需反射式体布拉格光栅的尺寸，计算透射曝光面尺寸和反射体布拉格光栅通光尺寸，加工出合适尺寸的光敏玻璃基片，用于制备反射式体布拉格光栅；
(b)将光敏玻璃基片的前表面和后表面均抛光，并放置于基片框(10)的下半部分，基片框(10)的上半部分放置自制面光栅用作条纹锁定；
(c)激光器(1)发出的相干光通过上述全息曝光光路系统后，形成的两激光干涉光束以角度θ相交于光敏玻璃基片的前表面，其中两激光干涉光束相对于光敏玻璃基片的前表面对称且干涉条纹的方向垂直于厚度方向；
(d)微调自制面光栅，在后方光屏上可观察到干涉条纹，该干涉条纹为自制面光栅和光场光栅形成的莫尔条纹，莫尔条纹的相位变化反应了光场干涉光束的相位差值，相机(14)将拍摄的莫尔条纹传至计算机(15)中，通过驱动反射镜(3)偏转，即可改变光路中干涉光束的相位差，通过锁定莫尔条纹的相位即可保证干涉光束的稳定性；
(e)曝光和热处理完成后，光栅内部析晶颗粒形成的栅线处折射率调制度产生变化，再将光敏玻璃基片的厚度方向两个面抛光，此时栅线存在于光敏玻璃基片的内部，且栅线面与入射光垂直，即为制备出的反射式体布拉格光栅。
10.根据权利要求9所述的一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统，其特征在于：上述第(b)步中自制面光栅的过程为，自制面光栅由涂敷光刻胶的玻璃基片制成，在同一干涉光路下曝光，曝光显影完成后制成光刻胶掩模光栅，放回原光路。
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| CN202211543607.5A CN115793117A (zh) | 2022-12-03 | 2022-12-03 | 一种制作反射式体布拉格光栅的全息曝光光路系统及其写入方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116430496A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-07-14 | 北京至格科技有限公司 | 一种曝光光路复现、光栅复现方法 |
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2022
- 2022-12-03 CN CN202211543607.5A patent/CN115793117A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116430496A (zh) * | 2023-06-08 | 2023-07-14 | 北京至格科技有限公司 | 一种曝光光路复现、光栅复现方法 |
| CN116430496B (zh) * | 2023-06-08 | 2023-08-22 | 北京至格科技有限公司 | 一种曝光光路复现、光栅复现方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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