CN1200288C - 光折变平板透镜 - Google Patents
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Abstract
一种用于光束转换的平板光学器件的光折变平板透镜，主要应用于激光通信、激光雷达、激光对抗等领域中的激光准直、激光发射、激光接收、激光扫描等。它由光折变晶体平板及其内的体全息光栅透镜构成，该光折变晶体平板是一种双掺杂的铌酸锂长方形薄板，其几何尺寸长a、宽b和厚c满足关系a≥b＞c，而且厚度c远大于入射光波的波长，所述的体全息光栅透镜是一种对入射平行光束产生横向传输并聚焦的而对入射点光源产生的发散光束产生横传且准直的全息透镜。与在先技术相比，本发明采用有限体积光折变体全息方案，在一块光折变晶体平板内可以实现光束的转换。体积小，结构简单可靠，抗干扰能力强，有良好的波长和视场选择性，用途广，衍射效率高。
Description
技术领域：
本发明是一种采用有限体积光折变体全息原理的光折变平板透镜，主要用于激光通信，激光雷达，激光对抗、微小化卫星等信息光学领域。
背景技术：
激光在空间应用，如激光通信、激光雷达、激光对抗、微小化卫星中，光学透镜系统是一种关键器件。透镜系统主要用于激光准直、激光发射、激光接收、激光扫描等。传统的透镜系统主要采用球面或者非球面透镜来实现，有的也使用比较先进的二元光学衍射器件。但是透镜的聚焦或准直作用必定需要一段衍射传播距离(体积)才能实现，因此这类传统的透镜系统都占据了一个很大的立体空间，并且在激光总体应用系统中的尺寸最大。此外，传统透镜的光学玻璃的比重很高，那么透镜的机械支撑结构的重量也很大，这些在空间应用中是非常不利的因素。因此，有效减小透镜系统的体积、重量是激光应用发展的必然趋势。平板透镜技术是对传统光学的一项技术革新，平板透镜器件可以对输入光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传的准直，从而能大大地减小整个系统的体积。平板透镜器件主要是采用光致折射率变化的全息记录方法产生的。
在先技术[1](参见G.Hatakoshi，H.Fujima and K.Goto，Appl.Opt.，23(11)，1984，pp.1794-1753，Waveguide grating lenses for optical couplers)中所描述的是波导光栅衍射透镜，其工作原理是用全息记录方法或电子束蚀刻方法在波导表面形成光栅透镜，该光栅透镜可以对波导内的光束进行衍射，形成只进入衬底的球面波，然后折射到空气中聚焦到一点。这种光栅透镜只对波导内传播的一定模式的导波光进行光束转换，在波导表面的厚度很小，只能达到微米量级，波长的选择性和光栅透镜的复用性差。而且透镜和传播基质(衬底)不是同种介质，稳定性和可靠性差。另外，波导衍射器件的应用面积增大时，衍射效率会变得很低。
在先技术[2](参见Jian Ma，B.Catanzaro，J.E.Ford，Y.Fainman and S.H.Lee，J.Opt.Soc.Am.A，11(9)，1994，pp.2471-2480，Photorefractive holographic lenses andapplications for dynamic focusing and dynamic image shifting)中所描述的是光折变射体全息透镜，其基本原理是Kogelnik的反射体全息的耦合波理论和KuKtarev的关于光折变材料的输运方程。它是由两束球面波以一定角度在掺铁LiNbO3晶体薄片上干涉形成的。是一种转换光束方向、对入射光束可以进行反射离轴聚焦的三维光学元件。事实上，它与传统透镜工作方式差别不大，整个光束系统占用的空间体积大，不易于微小化集成。
在先技术[3](参见S.M.Schultz，E.N.Glytsis and T.K.Gaylord，Appl.Opt.39(8)，pp.1223-1232，Design，fabrication，and performance of preferential-order volume gratingwaveguide couplers)中所描述的是转换光束方向用的体光栅波导耦合器。它是由两光束借助棱镜和柱透镜入射到波导表面，在波导层内相互干涉形成具有倾斜条纹和变波矢量的体光栅，当导波光入射到体光栅上时，变波矢量的体光栅将导波光衍射，不同角度的衍射光会聚到一点。通过改变体光栅形成时的波矢量的变化行为，可以实现不同焦距的体光栅波导耦合器。但该体光栅只对限制在波导内传播的导波光进行衍射，衍射效率低。而且这种变波矢量的体光栅形成时的精确控制比较难，所以获得低像差的会聚焦点很难。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种光折变平板透镜，是一种体积小，结构简单可靠，抗干扰能力强，衍射效率高，具有良好的波长和视场选择性的透镜。
本发明的技术解决方案是：
一种光折变平板光学透镜，其特征在于它由光折变晶体平板和体全息光栅透镜两部分构成，该光折变晶体平板是一种双掺杂铌酸锂长方形的薄板，其几何尺寸长a、宽b和厚c满足关系a≥b＞c，而且厚度c远大于入射光波的波长，所述的体全息光栅透镜是一种对入射平行光束产生横向传输并聚焦的而对入射点光源产生的发散光束产生横传且准直的全息透镜。
所述光折变平板光学透镜的制备方法，其特点是所述的体全息光栅透镜的形成过程如下：
①用均匀紫外光照射晶体；
②在均匀紫外光继续照射的同时，用空间干涉的调制双红光照射晶体；
③关闭紫外光，只用一束红光照射晶体，形成深能级中心的体全息光栅。
下面对本发明的工作原理作进一步详细说明。
本发明是利用有限体积光折变体全息原理，在光折变晶体平板内可以对输入光束产生横向传输并聚集，或对输入光点产生横传的准直。
本发明光折变平板光学透镜的结构包括两部分，光折变晶体平板和体全息光栅透镜；其工作过程分两步，在光折变晶体平板内记录体全息光栅(即形成体全息光栅透镜)和体全息光栅透镜的读出。
光折变晶体平板是双掺杂的LiNbO3晶体平板，一种光折变体全息记录材料，它可以通过光折变效应形成体全息光栅。其形状是长方形的薄板，几何尺寸为a×b×c，其中a≥b＞c，但晶体材料的厚度c远大于入射光波的波长。在光的辐照下，晶体材料的折射率随光强的空间分布而变化。双掺杂的LiNbO3晶体是在LiNbO3晶体中掺入两种不同能级深度的杂质离子形成两个俘获中心即深能级中心和浅能级中心，比如有LiNbO3:Fe:Mn，LiNbO3:Ce:Mn，LiNbO3:Ce:Cu，LiNbO3:Fe:Cu等双掺杂的LiNbO3晶体。该类晶体内载流子的产生由双中心带输运模型来描述。
在光折变晶体平板内记录体全息光栅是利用晶体的光折变效应的基本原理，用空间双光束干涉全息记录法和局域全光固定记录。在带输运模型下发生光折变效应的过程为：电光晶体内的杂质、空位或缺陷充当电荷的施主或受主，当晶体在光辐照下，光激发电荷进入邻近的能带；光激发载流子在带中或因浓度梯度扩散，或在电场作用下漂移，或由光生伏打效应而运动；迁移的电荷可以被受主重新俘获，经过再激发，再迁移，再俘获，最后离别了光照区而定居于暗光区；这些就形成了与光强空间调制分布相对应的电荷分布，电荷分布按泊松方程形成了空间电荷场，最后通过线性电光效应形成折射率在空间的周期性变化，或者说在晶体内写入体全息相位栅。
对于双掺杂的LiNbO3晶体，载流子的输运机制由两中心带输运模型来描述，其记录原理是Buse等人提出的双色光两中心全息记录法(参见K.Buse，A.Adibi，et al.，Nature，397(7)，pp.665-668，1998，Nonvolatile holographic storage hologramsin doubly doped lithium niobate crystals)。图1所示为本发明光折变平板透镜的双光束干涉全息记录和紫外光局域固定示意图。LiNbO3晶体中掺入不同能级深度的杂质中心形成深能级中心和浅能级中心，用双红光记录、紫外光敏化和固定。在红光记录全息的同时用均匀紫外光来照明晶体中要记录全息的部分，红光只能激发浅能级施主中的电子，紫外光能同时激发深能级和浅能级中心的电子，从而可以有效实现电子从浅能级中心向深能级中心的转移。
双掺杂LiNbO3晶体的空间双光束干涉全息记录和局域全光固定的过程结合图1说明如下：
①用均匀紫外光照射晶体，使电子通过导带从深能级中心激发到浅能级中心中去，以增加晶体对记录红光的灵敏度；②在均匀紫外光继续照射的同时用空间干涉的调制双红光照射晶体，红光的周期性干涉光强引起深能级中心和浅能级中心的电荷重新分布，分别在两个能级中心形成空间电荷场，进而通过线性电光效应形成深能级中心的体全息光栅和浅能级中心的体全息光栅。③关闭紫外光，只用一束红光照射晶体，红光将擦除浅能级中心的体全息光栅，使所有电子都陷入到深能级中心去，保留了对红光不敏感的深能级中心的体全息光栅。当用红光在进行读出时，深能级中心的体全息光栅不会被擦除，从而实现了光折变晶体体全息光栅的非挥发性记录和局域全光固定。
体全息光栅透镜可以使平行读出光束产生横向传输并聚焦，也可以使点光源产生的发散光束经衍射平行射出即产生横传的准直。体全息光栅透镜的读出过程结合图2和图3说明如下：
当读出光束R1入射到体全息光栅上，因符合布拉格匹配条件而受到体全息光栅的衍射，衍射的会聚球面波在光折变晶体平板内传播并聚焦到一点o，不满足布拉格匹配条件的光波将透过光栅垂直光折变晶体平板直接透射传播。同理激光光源在o点发射的发散光束R2入射到体全息光栅上，也可以因符合布拉格匹配条件而受到体全息光栅的衍射，衍射光束S2垂直光折变晶体平板平行射出，不满足布拉格匹配条件的光波将透过光栅发散传播。
与在先技术相比：在先技术[1]的波导光栅衍射透镜中，光栅的厚度小，波长选择性和光栅的复用性差，只对在波导内传播的导波光进行光束转换，透镜和传播基质(衬底)不是同种介质，稳定可靠性差，而且波导衍射器件的应用面积增大时衍射效率低。在先技术[2]是一种离轴聚焦的光折变反射体全息透镜，它的光束聚焦系统占用的空间体积大，和传统透镜系统的工作原理差别不大，不易于微小化集成。在先技术[3]是体光栅波导耦合器，通过变波矢量的体光栅衍射实现光束的会聚。这种体光栅波导耦合器只对空间光激励的导波光发生衍射，形成时波矢量变化行为的精确控制难，会聚焦点的像差大。本发明如上述结构利用有限体积光折变体全息原理，用一块光折变晶体平板就可以实现对于输入的自由空间的光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传的准直。与在先技术相比，其突出的优点和特点是：
(1)体积小、重量轻，厚度可以达到1毫米，因此比传统透镜系统体积能够缩小至百分之一左右，而且透镜和传播基质为同种介质的光折变晶体平板，稳定可靠，抗环境干扰能力强；
(2)光折变晶体平板内可以通过光折变效应记录若干个分立的局域体全息，通过衍射光的互联在单片晶体内可以实现多种功能器件组合的微小化三维光学集成系统；
(3)体全息光栅透镜对衍射效应的利用可以产生良好的波长和视场选择性，能有效抑制光谱噪声；
(4)基于体全息原理，因而可以进行像差补偿，特别是能够实现特殊的波面转换，可以制成多功能的光学信息处理器件；
(5)光折变晶体平板采用晶体材料具有良好的压电、光弹、声光、电光、热光、和非线性光学等效应，使用电光效应或者其他各种可控制的效应能够同时实现电光扫描或电光调制等附加功能，具有可控制特性；
(6)光折变晶体作为体全息介质，对记录在其中的体全息光栅来讲具备严格的布拉格选择条件，当光折变全息读出时，任意角度或波长的改变将使布拉格条件失配衍射效率急剧下降。这种角度和波长的选择性使得可以利用不同角度或波长的入射光在同一体积内记录许多全息，可以实现体全息复用和海量存储。
附图说明：
图1为本发明光折变平板透镜系统的双光束干涉全息记录和紫外光局域固定示意图。
图2为平行光束读出体全息光栅透镜衍射光横向传输并聚焦的示意图。
图3为点光源发出的球面波读出体全息光栅透镜衍射光平行射出的示意图。
具体实施方案：
如上述图1所示的本发明的光折变平板透镜的结构，选用光折变晶体平板为20mm×10mm×2mm大小的双掺杂的LiNbO3:Cu:Ce晶体，Cu作为深能级中心，Ce作为浅能级中心。在本实施例中，采用He-Ne气体激光器作为光源，波长为632.8nm。对于此波长，红光在LiNbO3晶体的折射率为2.28647，两束记录红光的光强均为10.5mW/cm2；75W的球形高压汞灯，用透紫外的滤光片滤光后经过会聚透镜聚焦，作为非偏振的紫外敏化光源。用来敏化的紫外光的光强为23mW/cm2，波长为365nm。
记录过程：首先用均匀紫外光对要记录的部分进行1小时左右的预敏化，均匀紫外光照射LiNbO3:Cu:Ce晶体时，处于深浅两能级中的电子都能被激发到导带，再分别被深浅两个能级俘获；然后用周期性调制的红光(一束平行光波，一束会聚球面光波)和均匀的紫外光同时照射晶体进行干涉全息记录，待记录稳定后，关闭紫外光和其中的一束红光，用另一束红光照射已经记录全息的部分，进行局域全光固定，红光只能激发浅能级中的电子到导带中去，保留了深能级中的体光栅。于是在LiNbO3:Cu:Ce晶体中记录了非挥发性的体全息光栅透镜。
读出过程：用与记录红光强度相同的平行光束按原方向垂直照射体全息光栅透镜，该平行光束在体全息光栅透镜内由于满足布拉格匹配条件而被衍射，形成会聚光束后，继续传播，聚焦到一点；在会聚焦点处，用与记录球面波共轭的发散球面波照射体全息光栅透镜，该发散光束在体全息光栅透镜内由于满足布拉格匹配条件而被衍射，形成的平行光束沿与记录平行光束相反的方向出射。
Claims (2)
1、一种光折变平板透镜，其特征在于它由光折变晶体平板及其内的体全息光栅透镜构成，该光折变晶体平板是一种双掺杂的铌酸锂长方形薄板，其几何尺寸长a、宽b和厚c满足关系a≥b＞c，而且厚度c远大于入射光波的波长；所述的体全息光栅透镜是一种对入射平行光束产生横向传输并聚焦的而对入射点光源产生的发散光束产生横传且准直的全息透镜。
2、根据权利要求书1所述的光折变平板透镜的制备方法，其特征在于所述的体全息光栅透镜的形成过程是：用均匀紫外光照射晶体；在均匀紫外光继续照射的同时，用空间干涉的调制双红光照射晶体；关闭紫外光，只用一束红光照射晶体，形成深能级中心的体全息光栅。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20050504 Termination date: 20140127 |