CN1400479A - 利用超短激光脉冲制备光栅器件和实现全息存储的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用超短激光脉冲制备光栅器件的方法以及实现全息存储的方法。制备光栅器件的方法是：将超快激光的单脉冲通过分光系统分成两束或多束激光，入射到双光子吸收聚合物材料样品的表面或体内，在时间、空间上重叠，得到干涉条纹；通过调制入射激光所分离出来光束的数目，各束激光之间的夹角、相位和强度等有关参数，可制备出所设计的一维、二维或三维微小周期光栅结构。实现全息存储的方法是：在光栅器件制备方法中，分光后的一光束通过空间光调制器耦合上信息信号，信息信号光束与参考光束干涉，记录到双光子吸收聚合材料介质上，写入的光栅结构即为带有信息信号的全息光栅，通过控制光栅阵列写入位置可得到高密度多层全息存储。

Description

利用超短激光脉冲制备光栅器件和实现全息存储的方法

技术领域：

本发明属于光栅及光电子学器件制备技术领域和光学全息与信息处理技术领域。

背景技术：

当前高科技领域，各种光子学及光电子学器件不断集成化，要求尺寸越来越小，从而在技术上需要进行具有更高精度的微细结构制备。光栅是其中常见的基础元件，广泛应用于通信领域中的波导光栅(光纤光栅)、光栅耦合器、波分复用通信部件和分路器等器件中。因此光栅的精密制备技术占据了非常重要的地位。

传统的光栅加工方法有机械刻划、离子束刻蚀、紫外写入和全息曝光等。前两种方法只能在样品表面制作光栅、工艺流程复杂、误差大、制作效率低、加工速度缓慢，对材料限制也很多。后两种方法虽然可以在样品体内写入，但不能在材料中实现多层制备，也不易于三维体集成。所以传统的技术对微型可集成器件中的光栅制作用途有限。

在光学全息存储与信息处理领域，传统全息写入的方法基本为单光子吸收全息曝光技术，写入速度缓慢、制作效率低、信息存储量小、不能多层高密度存储。

发明内容：

超短激光具有超快超强特性，如单脉冲能量小而峰值功率高，与材料相互作用时间极短等，这些优点为微光电子学器件制备提供了新的手段。空间调制的超短激光脉冲作用于具有双光子吸收有机聚合物材料体内，引发聚合产生一定结构的折射率变化。与单光子过程不同，双光子聚合只有在曝光能量达到一定阈值以上才能发生聚合反应，这样就可以实现结构比较细锐的聚合加工。双光子聚合的局域性和光束的可深入性又适合多层和集成的体加工制备。

本发明的目的是提供一种利用超短激光单脉冲，在双光子吸收材料表面或体内，精密制备一维、二维或三维可集成光栅结构器件的方法。

本发明的另一目的在于提供一种利用超短激光单脉冲，实现高密度全息快速写入的方法。

本发明利用超短激光脉冲制备光栅器件的方法是：

将超短激光光源输出的超短激光单脉冲，通过分光系统分成两束或多束，入射到双光子吸收聚合物材料样品的表面或体内拟加工光栅的位置上，调节光束之间的时空重叠，即可得到干涉的光强明暗分布，明亮照射区域聚合形成光栅。通过选择光束的数目，各光束之间的夹角、相位和强度等有关参数，可制备出所设计的一维、二维或三维微小周期光栅结构。

所述超短激光光源为皮秒或飞秒脉冲激光器。如输出波长为760-1220nm，重复频率为1Hz-200kHz的飞秒放大脉冲激光器或者兆赫兹量级的飞秒脉冲激光器。

所述分光系统为半透半反镜，超短激光光束经过半透半反镜分成两束，其中一束经过可变光学延迟线改变其光程，利用相关测量原理，微调激光束之间的光程差，实现时间上的重合。

所述分光系统还可以是各种光束分束器，超短激光光束经过分束器分成多束同相位或者固定相位差的光束，该多个光束时间零点基本重合，只要调制分光后的各束激光束之间的夹角、相位、强度，即可得到所设计的一维、二维或三维的空间周期干涉结构，对样品曝光即得到光栅。

下面根据分光系统的不同，具体描述光栅器件制备的操作规程：

第一种方法：采用半透半反镜的分光系统，制备装置如图1所示。

(一)空间重叠的调制

超短激光光源输出超短激光单脉冲经过半透半反镜分成两束，选取合适焦距和数值孔径的聚焦透镜将各光束聚焦，入射并重叠在样品的确定位置，利用CCD监视调节空间重叠情况。调节透镜焦点位置和重叠区域之间的距离，可得到合适大小的光斑。

(二)时间重合的调制

由半透半反镜分束所得两束光，在其中一束光束上加上光学延迟线，根据和频自相关测量原理，微调光束的相对光程，以实现两束光时间上重合，根据和频信号的强弱判断光束的时间上的重合。

(三)光栅结构的设计和制备

一维光栅结构的设计，一般只考虑空间周期。由公式d＝λ/2sin(θ/2)，调节两束入射激光之间夹角θ，得到相应空间周期。调节透镜焦点位置和重叠区域之间的距离，可得到大小合适的干涉区域。

二维光栅结构的设计，周期控制方法如上述一维光栅制作方法相同，只需将样品绕两入射光束夹角平分线旋转一定角度。

注意对体内光栅的制备要考虑样品的折射率与空气不同，光栅结构的周期应采用修正的公式：

                 d＝λ_s/2sinθ_s＝λ_air /2sinθ_air

一维光栅的制备：激光束分成两束光干涉即可；对于复频光栅的制备，调制两光束之间夹角并在样品上已经制备光栅的位置再次写入即可得到。

二维光栅的制备：在一维光栅制备之后，将样品绕两入射光束夹角平分线旋转90度，在原来样品上制作另一个正交一维光栅，即可得到二维光栅结构。对于其他角度复用的光栅，旋转不同角度即可得到。

三维光栅的制备：多次利用半透半反镜分成多光束，多光束干涉可制备三维光栅。

(四)样品加工平台的控制

根据需要选择在空间上移动位置精确到微米或纳米量级的精密移动平台，可以精密调节光栅制备的位置。精度要求不高时，也可采用一般的光学调节架。

(五)曝光控制

采用快门选取激光器输出的单个脉冲，当样品加工平台把样品移动到合适位置，快门打开放出一个脉冲完成光栅制备。制备二维光栅时，平台转动再打开快门放出一个脉冲完成制备。不采用快门时，只要配合激光输出重复率，选择一定速度移动样品也可以实现单脉冲写入。

(六)光栅检测

对于制备得到的光栅，其衍射效率是关键品质。利用He-Ne激光器等作为检测光源。根据光栅Bragg衍射公式，将He-Ne激光束入射到光栅上，调节检测激光的入射角度，得到最强的一级Bragg衍射。对比衍射光强与入射光强即得到衍射效率。

第二种方法：采用光束分束器的分光系统，制备装置如图2所示。

(一)分光系统的调制：激光光源输出激光脉冲入射到各种光束分束器，分成多束同相位或固定相位差的光束。先用合适的聚焦透镜将各束光准直平行传输，然后用合适焦距的聚焦透镜将平行光聚焦到样品上，即得到干涉条纹。只要调制分光后的激光束数目以及各激光束之间的夹角、相位、强度等参数，可得到所设计的一维、二维或三维的空间周期干涉结构，对样品曝光即得到光栅。

(二)时空重叠系统的调制

光束分束器分成的光束，采用合适聚焦透镜将光束聚焦到样品上即实现空间重合。对称分布的光束光程相等，不需要调节相位差即自动满足时间零点重合，不对称分布的光束可以在小孔光阑阵列对应小孔上进行相位补偿。如果分束器所分出光束比较多，可在各光束准直之后，加上一个小孔光阑阵列，选取其中合适的光束输出。

(三)光栅结构的设计

一维光栅结构的设计，选择适当的焦距的聚焦透镜，即可得到合适的光束夹角θ，从而得到相应周期。

二维光栅结构的设计，利用多束光相干后的光强分布公式计算周期分布： $I={\⟨|E_1+E_2+\…+E_n|}^2\⟩$ $E_1=E_0\cos ({\stackrel{\→}{k}}_1\·\stackrel{\→}{r}-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)$ $E_2=E_0\cos ({\stackrel{\→}{k}}_2\·\stackrel{\→}{r}-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$ $E_n=E_0\cos ({\stackrel{\→}{k}}_n\·\stackrel{\→}{r}-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n)$

其中，Φ₁，Φ₂，...，Φ_n为各光束经分束器和小孔光阑阵列及相位补偿后的相对相位。只要控制好所分光束的数目、各光束的相对相位、各光束的光强大小就可精确制备出周期光栅。如果改变各光束的相位差，可得到不同的阵列分布。

三维光栅结构的设计，同样可用多束光相干后的光强叠加公式计算周期分布： $I=\⟨{|E_1+E_2+\…+E_n|}^2\⟩$ $E_1=E_0\cos ({\stackrel{\→}{k}}_1\·\stackrel{\→}{r}-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1)$ $E_2=E_0\cos ({\stackrel{\→}{k}}_2\·\stackrel{\→}{r}-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_2)$ $E_n=E_0\cos ({\stackrel{\→}{k}}_n\·\stackrel{\→}{r}-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n)$

同样控制光束的数目、各光束的相对相位、各光束的光强大小就可精确制备出周期光栅。如果改变各光束的相位差，可得到不同的空间阵列分布。

注意对体内光栅的制备要考虑样品的折射率与空气不同，光栅结构的周期应采用修正的公式：

                       d＝λ_s/2sinθ_s＝λ_air/2sinθ_air

一维光栅的制备：利用合适的光束分束器将激光分成两束同相位或者固定相位差的光束干涉即可；对于复频光栅的制备，调制两光束之间夹角并在样品上已经制备光栅的位置再次写入即可得到。

二维光栅的制备：利用合适的光束分束器将激光分成三束或多束同相位或者固定相位差的光束，可用来制作二维结构光栅。对于不同角度复用的光栅，旋转样品不同角度进行曝光可制备得到。也可以将光束分束器旋转，或采用分束器输出的不同光束干涉得到。

三维光栅的制备：根据光栅结构设计的需要，利用合适的分束器将激光束分成多束干涉得到。

(四)样品加工平台的控制：同第一种方法中所述。

(五)曝光控制：同第一种方法中所述。

(六)光栅检测：同第一种方法中所述。

本发明的利用超短激光脉冲实现全息存储的方法是：

在本发明的光栅器件制备方法中，分光系统分光后的一光束通过一个空间光调制器耦合上信息信号，耦合上信息信号的光束与参考光束干涉，记录到双光子吸收聚合材料介质上，写入的光栅结构即为带有信息信号的全息光栅；通过选择聚焦透镜控制光栅阵列写入位置，可得到高密度多层全息存储。

本发明的制备光栅器件的方法具有如下优点：

(1)光栅器件制备速度快。根据超快激光脉冲的特性，单个激光脉冲即能完成制备，原则上单脉冲写入速度可达到激光重复频率量级。

(2)适合集成器件的加工。根据双光子吸收材料的优点，容易在样品体内精密制备一维、二维或三维小周期光栅；将激光干涉光束聚焦到样品体内，可在样品体内多层制备；或将各种器件直接连接成一体，结构精致紧凑，减少各种损耗。

(3)制备的光栅器件质量好。超短激光单脉冲与样品作用时间极短，可以避免热积累效应和机械震动等不良因素的影响；双光子吸收材料制备的光栅结构细锐，衍射效率高。

本发明的实现全息存储的方法具有如下优点：

(1)全息写入速度快。根据超快激光脉冲的特性，单个激光脉冲即能完成信息记录，原则上单脉冲写入速度可达到激光重复频率量级。

(2)高密度存储，容量大。双光子吸收的空间局域和超短脉冲激光的特性决定了高密度全息存储容量大；在单层材料上可写入光栅阵列，进行多层记录，存储容量更高。

(3)可用于集成器件进行信息处理。双光子吸收有机聚合物材料适合集成器件制备。

(4)全息写入质量好。超短激光单脉冲与样品作用时间极短，可以避免热积累效应和机械震动等不良因素的影响；双光子吸收材料制备的光栅结构细锐，衍射效率高。

附图说明：

图1为采用半透半反镜进行分光制备光栅器件的装置示意图；

图2为采用分束器进行分光制备光栅器件的装置示意图；

图3为采用本发明的方法所制备的一维光栅的图像，其周期为3.4微米。

图4为图3所示光栅的1级布拉格衍射图像。

图中，1-超短脉冲激光器，2-激光光束，3-能量衰减器，4-快门，5-分束器，6-能量计，7-计算机，8-半透半反镜，9-反射镜，10-光学延迟线，11-聚焦透镜，12-样品，13-样品移动平台，14-信号线，15-光束分束器，16-小孔光阑阵列，17-准直透镜，18-聚焦透镜。

具体实施方式：

下面两个例子分别说明两种不同分光系统一维周期光栅的制备方法。对于二维或三维光栅的制备按照发明内容中所述方法即可得到。全息记录只需把信号耦合到分束后的光束上即可。

实施例1：

如图1所示，超短脉冲激光器1采用钛蓝宝石飞秒激光器，其输出的激光束的波长为800nm(纳米)、脉宽为120fs(飞秒)，激光的平均功率为700mW，采用能量衰减器3控制写入激光能量大小，快门4选取单个激光脉冲，分束器5分出小部分光用能量计6探测能量。激光束2单脉冲能量约为400uJ，经过半透半反镜8将激光分成能量相同的两束光，其中一束经过一个光学延迟线10，另一束光由反射镜9反射，同时利用聚焦透镜11聚焦到样品12上，微调反射镜9和聚焦透镜11让两束光在样品12表面位置上重叠。样品移动平台13控制制备光栅的位置，计算机7通过信号线14对快门4、能量计6和样品移动平台13进行同步操作。

采用的样品配置如下：

成膜剂：醋酸纤维素(CAB)，占样品重量50.28％；

单体：2-苯氧基乙基丙烯酸酯(POEA)，占样品重量46.55％；

引发剂：1，1’，2，2’-二(邻氯苯基)-4，4’，5，5’-四苯基双咪唑，占样品重量1.19％；

链转移剂：4-甲基-4氢-1，2，4-三唑-3-硫醇，占样品重量1.91％；

光敏剂：2，7-双[(4-二甲胺基)-苯基]亚甲基环庚酮，占样品重量0.07％。

配成的样品涂在玻璃基片上，涂层厚度为40μm。当激光分束后的两个光束的夹角是14度时，制备得到光栅的空间周期为3.4μm，其图像如图3所示。利用He-Ne激光器测量光栅衍射情况，其一级布拉格衍射图像如图4所示。经过120℃热化学定影后，衍射效率提高到54％以上。

根据公式 $\mathrm{\Δn}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\πd}}\cos \mathrm{\γ}\arcsin \sqrt{\mathrm{\η}}$ ，只要选取折射率调制度(Δn)大的聚合物材料，考虑样品薄膜的厚度(d)就可以使衍射效率达到近100％。

实施例2：

如图2所示，超短脉冲激光器1采用钛蓝宝石飞秒激光器，其输出的激光束2波长为800nm(纳米)、脉宽为120fs(飞秒)，激光的平均功率为700mW，采用能量衰减器3控制写入激光能量大小，快门4选取单个激光脉冲，分束器5分出小部分光用能量计6探测能量。激光束2的单脉冲能量约为400μJ。经过光束分束器15将激光分成能量相同、对称分布的光束，通过准直透镜17进行准直，再经小孔光阑阵列16选取对称的两束光，同时利用聚焦透镜18聚焦到样品12上，两束光在样品12表面位置上重合。样品移动平台13控制样品制备光栅的位置，计算机7通过信号线14对快门4、能量计6和样品移动平台13进行同步操作。

采用样品配置同实施例1所述，—维光栅制备结果与实施例1也相同。

Claims (5)

1.利用超短激光脉冲实现光栅器件的方法，其特征是：将超短激光光源输出的超短激光单脉冲，通过分光系统分成两束或多束，入射到双光子吸收聚合物材料样品的表面或体内拟加工光栅的位置上，调节光束之间的时空重叠，得到干涉的光强明暗分布，明亮照射区域聚合形成光栅；通过选择光束的数目，各光束之间的夹角、相位和强度有关参数，制备出所设计的一维、二维或三维微小周期光栅结构。

2.如权利要求1所述的利用超短激光脉冲实现光栅器件的方法，其特征是：所述超短激光光源为皮秒或飞秒脉冲激光器。

3.如权利要求1或2所述的利用超短激光脉冲实现光栅器件的方法，其特征是：所述分光系统为半透半反镜，超短激光光束经过半透半反镜分成两束，其中一束经过光学延迟线调节时间，实现时间上的重合。

4.如权利要求1或2所述的利用超短激光脉冲实现光栅器件的方法，其特征是：所述分光系统为光束分束器，超短激光光束经过分束器分成多束同相位或者固定相位差的光束。

5.利用超短激光脉冲实现全息存储的方法，其特征是：在如权利要求1所述的光栅器件制备方法中，分光系统分光后的一光束通过一个空间光调制器耦合上信息信号，耦合上信息信号的光束与参考光束干涉，记录到双光子吸收聚合材料介质上，写入的光栅结构即为带有信息信号的全息光栅；通过选择聚焦透镜控制光栅阵列写入位置，可得到高密度多层全息存储。

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