CN117192668B - 一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法。所述衍射效率补偿方法包括步骤：提供体布拉格光栅，所述体布拉格光栅由光致热折变玻璃制备而成；提供激光装置，所述激光装置包括激光器；采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿。本发明通过局部加热的方法使目标区域内部玻璃晶化程度得到提升，从而实现目标区域衍射效率的补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法。
背景技术
由于体布拉格光栅在材料的制备与加工、紫外曝光与热显影工艺上的均匀性限制，导致制备完成的体布拉格光栅存在衍射效率分布不一致的现象。将体布拉格光栅进行衍射效率补偿的方案主要有以下两种：使用箱式加热炉对体布拉格光栅进行整体加热处理，这种方法处理完之后可能依然存在衍射效率高低差过大的情况，且衍射效率整体都会发生变化，难以实现针对体布拉格光栅的部分区域进行有效补偿，此方法由于在密闭的高温加热炉中进行，因此不方便直接观察体布拉格光栅实际的加热情况；另外还有使用非箱式加热炉如加热平台对体布拉格光栅进行加热的方法，这种方法很难解决体布拉格光栅与加热区域接触面与非接触面的温差，可能造成玻璃材料或内部光栅结构损坏，且加热时难以保证体布拉格光栅与加热设备时刻保持良好接触，无法进行有效补偿。
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体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，旨在解决现有衍射效率补偿方法难以针对体布拉格光栅的部分区域进行有效补偿的问题。
基于光致热折变玻璃的体布拉格光栅制备过程分为紫外曝光过程以及热显影过程，通过紫外曝光过程在光致热折变玻璃内部发生银离子捕获、形成潜象，再经热显影过程形成以银团簇为中心生长的晶相结构，光致热折变玻璃微晶化导致了区域性的材料折射率改变，在光致热折变玻璃内部形成周期性光栅结构。由于紫外曝光与热显影过程中各种原因，使得光致热折变玻璃紫外曝光区形成的晶粒在数量、尺寸或形态上有较大的分布差异，导致体布拉格光栅的衍射效率分布不均匀。因此，本发明提供了一种局部加热的方法对需要补偿的光栅区域进行再次热处理（即加热处理），以实现该光栅区域衍射效率的补偿。
本发明的技术方案如下：
一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其中，包括步骤：
提供体布拉格光栅，所述体布拉格光栅由光致热折变玻璃制备而成；
提供激光装置，所述激光装置包括激光器；
采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿。
可选地，所述激光装置还包括激光加热平台、工装和调节器；
所述采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿的步骤，具体包括：
首先，将所述体布拉格光栅置于所述激光加热平台上，使用所述工装固定所述体布拉格光栅，使用所述调节器对所述激光器射出的激光进行光斑整形和/或匀化处理，使激光光斑的大小大于等于目标区域的大小，目标区域的激光能量均匀性≥85%；
然后，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿。
可选地，所述激光器射出的激光波长为350-800nm。
可选地，所述激光器射出的激光波长在1800nm以上。
可选地，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，使所述目标区域加热至400-650℃。
可选地，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理的时间为0.5-60min。
可选地，所述激光器射出的激光为780nm激光。
可选地，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理的同时，还包括步骤：采用红外测温仪实时观察所述体布拉格光栅的表面温度。
可选地，所述体布拉格光栅通过以下方法制备得到：将光致热折变玻璃依次进行紫外曝光和热显影后，得到所述体布拉格光栅。
可选地，所述体布拉格光栅的厚度为0.5-5mm。
有益效果：本发明采用激光器射出的激光对体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，激光穿过体布拉格光栅目标区域，由于光致热折变玻璃对激光具有一定的吸收，吸收的光能转化成热能，将目标区域加热至预定温度，该预定温度大于等于光致热折变玻璃的转变温度。通过加热使目标区域内部玻璃析晶程度得到提升，从而实现目标区域衍射效率的补偿。本发明采用局部加热的方法对需要补偿的区域进行再次热处理，使该区域内部玻璃析晶程度得到提升，实现针对该区域的衍射效率的补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性。
附图说明
图1为本发明的一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法的光路示意图。
具体实施方式
本发明提供一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，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。
基于光致热折变玻璃的体布拉格光栅是利用光致热折变玻璃组分的光敏和热敏性质，经过紫外曝光以及热处理后，光致热折变玻璃内部产生晶体，使得区域性的材料折射率改变，形成周期性折射率调制现象而制备而成的。然而，在制备过程中由于材料或工艺导致晶体生长与预期不符，从而产生衍射效率不达标和分布不均匀的现象。基于此，本发明通过对衍射效率不满足需求的情况下（通常指衍射效率小于预期目标值）进行二次热处理，以补偿晶体生长，实现衍射效率补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性。
具体地，本发明实施例提供一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其中，包括步骤：
提供体布拉格光栅，所述体布拉格光栅由光致热折变玻璃制备而成；
提供激光装置，所述激光装置包括激光器；
采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿。
需说明的是，所述目标区域指的是衍射效率不达标的区域，也是所需处理的区域。
本实施例中，采用激光器射出的激光对体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，激光穿过体布拉格光栅目标区域，由于光致热折变玻璃对激光具有一定的吸收，吸收的光能转化成热能，将目标区域加热至预定温度，该预定温度大于等于光致热折变玻璃的转变温度。当然该预定温度也不宜过高，温度过高玻璃内部过度析晶，导致玻璃内部结构损坏。通过加热使目标区域内部产生足够晶体后，即可实现衍射效率补偿。本实施例采用激光加热的方法对需要补偿的区域进行热处理，实现针对该区域的有效衍射效率补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性。
与现有方法相比，本实施例激光加热的方法具有加热直接、定位精准的优势。通过局部加热，实现目标区域的有效衍射效率补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性。另外可以利用激光能量强度分布进行不同程度的衍射效率补偿。
在一些实施方式中，所述预定温度为400-650℃，如400℃、500℃、600℃或650℃等。在该温度范围内，可以确保目标区域内部产生足够晶体，从而实现该区域衍射效率补偿，同时可以避免过度析晶的现象。
在一些实施方式中，所述激光装置还包括激光加热平台、工装和调节器；
所述采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿的步骤，具体包括：
首先，将所述体布拉格光栅置于所述激光加热平台上，使用所述工装固定所述体布拉格光栅，使用所述调节器对所述激光器射出的激光进行光斑整形和/或匀化等处理，使激光光斑的大小大于等于目标区域的大小，目标区域的激光能量均匀性≥85%；
然后，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿。
本实施例中，对所述激光器射出的激光进行光斑整形和/或匀化处理，使所述激光光斑的大小与目标区域的大小相同，或者使所述激光光斑的大小略大于目标区域的大小，目标区域的激光能量均匀性≥85%。通过调节器调节光斑的大小，可以满足不同形状和大小的目标区域。
在一些实施方式中，所述激光器射出的激光波长为350-800nm，或者所述激光器射出的激光波长在1800nm以上。采用该波长的激光加热，可以提高加热效率。
在一些实施方式中，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理的时间为0.5-60min，例如0.5min、10min、15min、30min、40min、50min、60min等。
在一些实施方式中，所述激光器射出的激光为780nm激光。这是因为体布拉格光栅对780nm激光具有一定的吸收，通过激光将目标区域加热至预定温度；并且，780nm激光对体布拉格光栅的穿透相对更高，因此光强在光束路径上不会因为体布拉格光栅而产生明显的衰减，从而确保了目标区域的加热温度，并降低了目标区域内材料内部的温差。
在一些实施方式中，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理的同时，还包括步骤：采用红外测温仪实时观察所述体布拉格光栅的表面温度。
本实施例中，采用红外测温仪实时观察所述体布拉格光栅的表面各处温度，可以方便温度调节。
在一些实施方式中，所述体布拉格光栅的厚度为0.5-5mm，例如，0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm。
结合图1所示，本实施例中将激光器1射出的激光通过调节器2整形和/或匀化至所需的光斑形状和/或能量分布后，从体布拉格光栅3的目标区域射入，在红外测温仪对体布拉格光栅进行温度监控的情况下进行加热，根据体布拉格光栅不同逐步提升激光器功率，防止温差过大导致的碎裂或内部结构损坏，一直加热到预定处理温度（因玻璃组分而异），加热至目标区域内部产生足够晶体后可完成衍射效率补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性，最后可以利用光学垃圾桶4回收透过体布拉格光栅3的剩余激光。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
将光致热折变硅酸盐玻璃经过紫外曝光、热显影后，加工制备成面积30mm×30mm、厚度1.5mm的体布拉格光栅（以下简称样品）。将体布拉格光栅通光面等分成9个区域，分别测量每个区域在中心波长974nm的原始衍射效率值并记录，不同区域间的最小与最大衍射效率分别约为10%和15%。
将样品置于激光加热平台上，使用工装固定样品，以高功率780nm半导体激光器做为处理光源，对中心波长约780nm的半导体激光进行光斑整形及匀化处理，使光斑尺寸与目标区域面积接近，目标区域上的激光能量均匀性≥90%。逐段增加780nm激光器功率，使目标区域逐渐升温，用红外测温仪观察样品温度，在加热过程中应避免样品过度析晶导致的快速放热现象。利用结合比例、积分和微分的反馈控制算法，即PID系统，控制激光加热平台，使样品温度保持在400℃左右一段时间，补偿光栅衍射效率。选择样品中的三个不同衍射效率区域（记为区域1、区域2和区域3）进行激光照射，在不同加热处理时间后的测试结果如下表1，从表1可知，可将不同区域的衍射效率改善至小于0.5%的差异。
表1、测试结果
实施例2
一批通光口径2mm×1.5mm、厚度4mm的体布拉格光栅样品，工作中心波长约1550nm，其初始衍射效率分布在20-30%范围。使用高功率1960nm光纤激光器做处理光源，将样品以衍射率由低至高对应激光光斑能量由高至低的排列组合，放置在激光加热平台上，激光完全覆盖所有样品进行辐照加热，用红外测温仪观察样品温度，使温度呈中心高、周围低的400-420℃范围分布，加热时间15min后进行样品检测，加热处理后的样品衍射效率可以提高到45-50%范围且缩小了效率差异。
综上所述，本发明提供的一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，采用激光器射出的激光对体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，激光穿过体布拉格光栅目标区域，由于光致热折变玻璃对激光具有一定的吸收，吸收的光能转化成热能，将目标区域加热至预定温度，该预定温度大于等于光致热折变玻璃的转变温度。通过加热使目标区域内部的玻璃晶化程度得到提升，从而实现衍射效率补偿。本发明采用激光加热的方法对需要补偿的区域进行热处理，实现针对该区域的有效衍射效率补偿，达到体布拉格光栅衍射效率的均匀性。
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 (10)
1.一种体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，包括步骤：
提供体布拉格光栅，所述体布拉格光栅由光致热折变玻璃制备而成；
提供激光装置，所述激光装置包括激光器；
采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿；
所述目标区域为体布拉格光栅衍射效率不达标的区域。
2.根据权利要求1所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，所述激光装置还包括激光加热平台、工装和调节器；
所述采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿的步骤，具体包括：
首先，将所述体布拉格光栅置于所述激光加热平台上，使用所述工装固定所述体布拉格光栅，使用所述调节器对所述激光器射出的激光进行光斑整形和/或匀化处理，使激光光斑的大小大于等于目标区域的大小，目标区域的激光能量均匀性≥85%；
然后，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，实现所述目标区域的衍射效率补偿。
3.根据权利要求1或2所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，所述激光器射出的激光波长为350-800nm。
4.根据权利要求1或2所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，所述激光器射出的激光波长在1800nm以上。
5.根据权利要求1或2所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理，使所述目标区域加热至400-650℃。
6.根据权利要求1或2所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理的时间为0.5-60min。
7.根据权利要求1所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，所述激光器射出的激光为780nm激光。
8.根据权利要求1所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，采用所述激光器射出的激光对所述体布拉格光栅的目标区域进行加热处理的同时，还包括步骤：采用红外测温仪实时观察所述体布拉格光栅的表面温度。
9.根据权利要求1所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，所述体布拉格光栅通过以下方法制备得到：将光致热折变玻璃依次进行紫外曝光和热显影后，得到所述体布拉格光栅。
10.根据权利要求1所述的体布拉格光栅的衍射效率补偿方法，其特征在于，所述体布拉格光栅的厚度为0.5-5mm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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