CN203799040U - 无旁瓣角度选择激光滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无旁瓣角度选择激光滤波器，包括用于对入射光进行第一次衍射的第一体布拉格光栅以及对从所述第一体布拉格光栅出射的衍射光进行第二次衍射的第二体布拉格光栅，所述第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互平行，所述第一体布拉格光栅的衍射次级大对应于第二体布拉格光栅的衍射零值。本实用新型的无旁瓣角度选择激光滤波器有效解决普通角选择激光滤波器的旁瓣缺陷，可实现更优质的空间滤波；结构紧凑；实现对各光谱成分优秀的低通滤波能力；可承载的激光功率较高。

Description

无旁瓣角度选择激光滤波器

技术领域

本实用新型涉及光学滤波技术领域，特别是涉及一种兼具衍射旁瓣抑制和角度选择滤波能力的无旁瓣角度选择激光滤波器。 

背景技术

体布拉格光栅由于其具有优秀的角度和光谱选择性，对光束传输和空间滤波技术具有革命性的意义。基于体布拉格光栅的二维角度选择空间滤波技术不同于传统的空间滤波技术，由于直接在强激光束传输近场实施空间滤波，省去了聚焦过程，因此传统空间滤波的诸多固有缺陷得到根本解决。同时可以有效地消除中高频调制对光束的影响、降低传统空间滤波器的截止频率和低频损耗，有效控制放大自发辐射的传输以及激光的近场光束分布，极大地提高系统的可靠性，降低装置的体积和成本，是当今先进激光技术发展的主要单元技术之一，对于促进先进激光技术的发展具有重要的意义。 

但是，由于单块普通的体布拉格光栅输出光束衍射旁瓣的存在，以及第一级衍射零值(即角选择滤波器的截止频率)的限制，决定了其滤波效果无法达到最佳状态。通常情况下，单块体布拉格光栅的第一级旁瓣高度约为10％甚至更高，因此在实际的滤波过程中，光束衍射旁瓣所对应的空间频率依然会有一定的强度残留在光束中。在低功率条件下残留的空间频率可以忽略，但是在先进高功率激光装置领域却是个极大的缺陷。这意味着放大过程中这些中高频调制依然有可能因为非线性效应而获得放大，破坏光束质量，威胁全激光系统的安全与稳定。另一方面，由于体布拉格光栅结构参数之间的相互限制，单块体布拉格光栅的第一级衍射零值宽度通常无法做到跟小，严重限制了角选择滤波器的截止频率。 

国内可见一种体全息光栅整形装置，其用途是对超短脉冲激光束进行整形(中国专利200610024096.0)；可见一种窄带光滤波器，由一块透射式体布拉格光栅和一块反射式体布拉格光栅组合而成的公开专利报道(中国专利200910089834.3)，获得皮米量级激光输出；可见一种高功率激光衍射型空间滤波器，使用了分离式体积布拉格光栅或双片集成式光栅的公开专利报道(中国专利200910312157.7)。可见一种超短脉冲激光滤波装置，由同光轴依次设置的第一1/4波片、第一正透镜、小孔光阑、非线性正色散透明固体材料、第二正透镜、第二1/4波片和检偏器构成，所述非线性正色散透明固体材料为BK7玻璃的公开专利报道(中国专利200710038661.3)。可见国防科技大学光电科学与工程学院郑光威等人发表的公开文献报道(郑光威，何焰蓝等,“透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波”,《光学学报》，2009年29卷第4期；郑光威，刘莉等,“透射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性研究”，《光学学报》，2009年29卷第1期；郑光威，谭吉春等，“反射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性分析”，《光学学报》，2009年第12期)研究了体相位光栅对激光的衍射特性，这与应用体光栅制作成滤波器有关联性；可见用于实现空间滤波的体布拉格光栅的制备，用全息法在光致聚合物中记录了体布拉格光栅，完成了激光光束二维空间低通滤波的实验的公开文献报道(郑浩斌，何焰蓝等，“用于实现空间滤波的体布拉格光栅的制备”，《光电工程》，2009年第1期)。 

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种无旁瓣角度选择激光滤波器。 

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是针对普通角选择激光滤波器的核心元件体布拉格光栅光束衍射旁瓣以及角度选择性不足等局限性，提供一种同时具有旁瓣抑制能力和低截止频率的无旁瓣角度选择激光滤波器，在光束近场直 接实现高质量的空间滤波。 

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供的技术方案如下： 

一种无旁瓣角度选择激光滤波器，所述无旁瓣角度选择激光滤波器包括用于对入射光进行第一次衍射的第一体布拉格光栅以及对从所述第一体布拉格光栅出射的衍射光进行第二次衍射的第二体布拉格光栅，所述第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互平行，所述第一体布拉格光栅的衍射次级大对应于第二体布拉格光栅的衍射零值。 

作为本实用新型的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均为透射型光栅，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为位相型体布拉格光栅。 

作为本实用新型的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为均匀周期体光栅。 

作为本实用新型的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为双块组合式透射型体布拉格光栅。 

作为本实用新型的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均由两块光栅栅纹正交的子体光栅组合而成。 

作为本实用新型的进一步改进，所述两块子体光栅的光栅厚度或周期不同。 

作为本实用新型的进一步改进，所述无旁瓣角选择激光滤波器在第二体布拉格光栅外侧还包括回复反馈棱镜。 

本实用新型具有以下有益效果： 

1、体布拉格光栅的衍射旁瓣高度从10％甚至更高抑制至1％以下，实现输出光束中空间频率成分的净化； 

2、无旁瓣角选择激光滤波器能获得更小的截止频率，提高了滤波能力。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本实用新型一实施例中无旁瓣角度选择激光滤波器的结构示意图； 

图2为不同光栅厚度实现无旁瓣角度选择激光滤波器原理； 

图3为不同光栅周期实现无旁瓣角度选择激光滤波器原理； 

图4为无旁瓣角度选择激光滤波器的角度选择特性测量曲线； 

图5为相同空间调制光束在普通角选择激光滤波器与无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束剖面曲线对比； 

图6为相同空间调制光束在普通角选择激光滤波器与无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束PSD对比； 

图7为体布拉格光栅内的光波矢量关系示意图； 

图8为本实用新型的无旁瓣角度选择激光滤波器的优选实施例的结构示意图。 

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。 

本实用新型提供了一种通过两块体布拉格光栅优秀的叠加，且控制各体 布拉格光栅的结构参数(厚度、周期)，实现对单体布拉格光栅光束衍射旁瓣的有效抑制，构成在激光传输近场实现高质量空间滤波的无旁瓣角度选择激光滤波器。本新型无旁瓣角度选择激光滤波器，有效解决了体布拉格光栅衍射旁瓣对普通角选择激光滤波器的限制，同时突破了单块体布拉格光栅角选择性不足对截止频率的限制，结构简单，效率高。 

在图1所示的本实用新型的无旁瓣角度选择激光滤波器的实施例的结构示意图中，所述新型无旁瓣角度选择激光滤波器包括体第一布拉格光栅1和第二体布拉格光栅2，第一体布拉格光栅1的衍射光以布拉格角入射第二体布拉格光栅2。第一体布拉格光栅1与第二体布拉格光栅2的光栅矢量相互平行，且第一体布拉格光栅1的衍射次级大对应于第二体布拉格光栅2的衍射零值，即，第一体布拉格光栅1的衍射光中对应衍射旁瓣的空间频率成分无法被第二体布拉格光栅2衍射。在衍射光中对滤波后光束空间频率的净化，实现无旁瓣角度选择激光滤波技术。 

优选地，体布拉格光栅为透射型光栅，且为位相型体布拉格光栅。体布拉格光栅为均匀周期体光栅。体布拉格光栅为双块组合式透射型体布拉格光栅，由两块光栅栅纹正交的子体光栅组合而成，两块子体光栅的光栅厚度或周期可以不同。 

体布拉格光栅均由光致热敏折射率玻璃制备而成，光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。 

第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2用作角度选择滤波元件具有优秀的角度、波长选择特性以及高的衍射效率，被认为是理想的光谱和角度选择器件，具有很高的可调性。入射角、衍射角、中心波长、角度(光谱)选择性等参数，可以通过改变光栅厚度、折射率调制度、光栅周期、光栅矢量倾斜角等光栅结构参数来调节。第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2优秀的光学性能主要表现在： 

(1)角度选择达0.1～10mrad(透射型)，或10～100mrad(反射型)； 

(2)光谱选择性达0.3～20nm(透射型)，或0.01～10nm(反射型)； 

(3)衍射效率高，633nm到1550nm范围可达99％(透射型)或97％(反射型)； 

(4)损伤阈值高，对于1ns的YAG激光，损伤阈值可以达到7～10J/cm²，对于8～10ns的激光可达30～40J/cm²； 

(5)损耗小，光栅损耗小于2.5％。 

体布拉格光栅角度滤波的原理：体布拉格光栅具有极好的角度选择性。当入射角偏离布拉格条件时，体布拉格光栅衍射效率迅速降低。正是由于这一特性，体布拉格光栅是角选择滤波技术中的关键元件。根据傅里叶光学，任意分布光束可展开为无数个不同传播方向的平面波的叠加。由于体布拉格光栅具有良好的角度敏感性和选择性，因此光束中不同的空间频率成分经过体布拉格光栅之后的衍射特性不同。中高频成分发散角偏离布拉格角大，几乎不能被体布拉格光栅衍射，因此在衍射光束中中高频成分基本被滤除。 

详细分析如下： 

由Kogelnik的耦合波理论，有吸收的位相型体布拉格光栅的衍射效率为： 

其中负指数项为吸收因子，C_R、C_I为倾斜因子。 

布拉格入射，所以参量Г＝0；栅线倾斜，有C_R≠C_I。公式(1)中， 

${\ℵ}_r=\frac{1}{2}{D}_0(1-\frac{C_R}{C_I}),$

衍射效率公式化简为： 

在吸收系数α₀很小的情况下，假设则有： 

设则 

所以，

衍射效率： 

其中， $D_0=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{\δ}}{C_R};C_R=\cos \mathrm{\ψ},C_I=\frac{k_D\cos \mathrm{\ψ}-k_F\cos \mathrm{\φ}}{k_D};k_D=\frac{{2\mathrm{\πn}}_0}{\mathrm{\λ}},k_F=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}},$ 各矢 量关系如图7所示。 

ψ为照明光波在介质中的入射角，φ为光栅矢量与z轴的夹角，光栅倾斜角为θ₁，布拉格角θ_b＝ψ_b+θ₁。 

因为， $\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_1,$ 故 

$\cos \mathrm{\φ}=\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_1)=\sin {\mathrm{\θ}}_1$

$C_I=\frac{K_D\cos \mathrm{\ψ}-k_F\sin {\mathrm{\θ}}_1}{k_D},$

考虑到实际光栅倾斜角很小，以532nm体光栅为例，其倾斜角为0.03°，若取近似： 

sinθ₁≈0， 

则， 

衍射效率公式(3)简化为： 

其中，ψ＝θ_b-θ₁(定义布拉格入射时照明光波矢与光栅峰值强度面的夹角为布拉格角)。 

公式(4)的约束条件： 

由于入射体光栅的光束始终满足其布拉格条件，所以参量 

$\mathrm{\Γ}=k_F\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})-\frac{{k_F}^2\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\πn}}_0}=0,$

即 

$\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})=\frac{k_F\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\πn}}_0}$

$\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})\≈\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ψ})=\sin \mathrm{\ψ}=\frac{k_F\mathrm{\λ}}{{4\mathrm{\πn}}_0}$

$\⇒\sin \mathrm{\ψ}=\frac{\mathrm{\λ}}{{2\mathrm{\Λn}}_0}.$

若不取近似，衍射效率公式即为公式(3)，公式中各参量的表达式在上文中陆续已有交代，现归纳如下： 

$D_0=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{\δ}}{C_R}=\frac{{\mathrm{\α}}_0\mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\ψ}}$

$\left\{\begin{array}{c}{C}_R=\cos \mathrm{\ψ}\\ C_I=\cos \mathrm{\ψ}-\frac{k_F\sin {\mathrm{\θ}}_1}{k_D}=\cos \mathrm{\ψ}-\frac{\mathrm{\λ}\sin {\mathrm{\θ}}_1}{{\mathrm{\Λn}}_0}\end{array}\right.$

其中，α₀为吸收常数；δ为光栅厚度，n₁为折射率调制度，λ为空气中的波长，ψ为光波在介质中的入射角，Λ为光栅周期，θ₁为光栅倾斜角(相对于z轴)。由推导所得的衍射效率公式可以指导体光栅结构参数的设计，以实现所需的衍射带宽。 

图2是在入射光波长为532nm时第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2(不同厚度)以及叠加后的角度选择特性模拟图。虚线代表单块体布拉格光栅的角度选择特性，实现代表叠加后的角度选择性。可见衍射旁瓣被明显抑制(旁瓣高度0.66％)，且曲线第一零值跟小。此体第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2的参数为：布拉格波长532nm，光栅厚度2.5mm、2.9mm，光栅周期为0.9μm，光栅矢量倾斜角为0.03°。 

图3是在入射光波长为1064nm时第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2(不同周期)以及叠加后的角度选择特性模拟图。虚线代表单块体布拉格光栅的角度选择特性，实现代表叠加后的角度选择性。可见衍射旁瓣被明显抑制(旁瓣高度0.32％)，且曲线第一零值更小。此第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2的参数为：布拉格波长1064nm，光栅厚度3.5mm，光栅周期为2.5μm、2.9μm，光栅矢量倾斜角为0.16°、-0.14°。 

图4是普通角度选择激光滤波器与无旁瓣角度选择激光滤波器的角度选择特性测量曲线，可见叠加后角度选择曲线中的旁瓣明显被抑制。普通的角选择激光滤波器滤波后光束存在大量由旁瓣引起的细纹；相同的发散光经过无旁瓣的角选择激光滤波器选择后，这些细纹完全消失，同时主峰宽度降低。 

相同空间调制光束在普通角选择激光滤波器与无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束近场分布对比，光束调制1mm^-1至10mm^-1。普通的角选择滤波器滤波只能将光束中的较高空间频率滤除，光束中依然存在一定的空间调制(1mm^-1)，经过无旁瓣角选择滤波器滤波后，光束中的空间频率被彻底滤除。图5更好的显示了无旁瓣角选择滤波器的滤波能力。普通角选择滤波器滤波后光束平顶区域依然存在较明显的空间调制，如图5(b)图所示。但无旁瓣角选择滤波器滤波后光束平顶区域更加平滑，无明显的空间调制，如图5(c)图所示。 

相同空间调制光束在普通角选择激光滤波器与无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束远场强度分布对比。入射光束远场分布中明显存在大量空间频率，经过普通角选择滤波器滤波后空间频率基本被滤除，但依然残留一部分空间频率(1mm^-1)。相同调制光束经过无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束远场分布更加圆滑。 

图6是相同空间调制光束在普通角选择激光滤波器与无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束PSD对比。入射光(均匀超高斯光束)的PSD曲线较为平 滑，基本没有明显的特征频率，如图6(a)图所示。入射光束透过调制后被引入了大量的1mm^-1，2mm^-1，3mm^-1……的特征频率，如图6(b)图所示。经过普通角选择滤波器滤波之后，大于等于2mm^-1的空间频率被完全滤除，但1mm^-1的空间频率依然残留在光束中，如图6(c)图所示。经过无旁瓣角选择滤波器滤波后，残留的1mm^-1空间频率也被完全滤除，如图6(d)图所示。 

表1是相同空间调制光束在普通角选择激光滤波器与无旁瓣角选择激光滤波器滤波后光束近场对比度、调制度对比。入射光束近场调制度为1.06，近场对比度为1.66％；调制光束近场调制度为2.54，近场对比度为83.73％；经过普通的角选择滤波器滤波后光束近场调制度为1.25，近场对比度为7.25％，此时光束依然无法完全满足先进激光装置的要求；经过无旁瓣角选择滤波器滤波后光束近场调制度为1.17，近场对比度为4.42％，则完全可满足先进激光装置的要求。 

表1： 

本实用新型的无旁瓣角选择激光滤波器滤波可实现更干净的激光输出和更低的截止频率，大大提升普通角选择激光滤波器的滤波能力。针对不同目标波长，可通过选择第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅的结构参数设计，获得优秀的体布拉格光栅，实现各种无旁瓣角选择激光滤波器的实际应用。 

在图8所示的本实用新型的无旁瓣角选择激光滤波器的优选实施例的结构示意图中，所述无旁瓣角选择激光滤波器还包括回复反馈棱镜3，回复反馈棱镜3用于对入射光以光轴产生反射，且光束沿光轴方向旋转90°。本实施例中使用了回复反馈棱镜3，目的是实现二维的旁瓣角选择激光滤波输出。第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2的结构参数的设计方法与第一优选实施例相同。 

作为本实用新型的无旁瓣角选择激光滤波器的优选实施例，第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2均为透射型光栅，第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均为位相型体布拉格光栅。透射型光栅可以很好的实现新型低截止频率空间滤波器并且位相型体布拉格光栅可以实现位相的调制。 

作为本实用新型的无旁瓣角选择激光滤波器的优选实施例，第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅不是用普通全息材料(卤化物银感光乳液、二色性凝胶、感光性树脂等)制备的，这些材料在热处理过程中会收缩，对于湿度也很敏感，不能承受高功率激光辐照。本实用新型所用的体布拉格光栅1、2是以光致热敏折射率(Photo-Thermo-Refractive：PTR)玻璃为材料制备而成。PTR玻璃是目前制备体布拉格光栅的理想材料，其独特的光学特性主要表现在： 

(1)工作波长范围400～2700nm，适合近紫外到近红外的各种应用； 

(2)折射率调制度可达1200ppm； 

(3)空间频率0～10000mm^-1； 

(4)热稳定性好，可达400oC,空间畸变小于10^-4； 

(5)表面激光破坏阈值高，达32～40J/cm²(脉宽8ns)，或8～10J/cm²(脉宽1ns)。 

本实施方式与现有空间滤波技术相比具有以下有益效果： 

1、体布拉格光栅的衍射旁瓣高度从10％甚至更高抑制至1％以下，实现 输出光束中空间频率成分的净化； 

2、无旁瓣角选择激光滤波器能获得更小的截止频率，提高了滤波能力。 

综上所述，本实用新型无旁瓣角选择激光滤波器具有以下有益效果： 

1、有效抑制单块体布拉格光栅衍射旁瓣，净化了滤波光束中的空间频率成分，同时获取更低的截止频率； 

2、采用体布拉格光栅1、2作为角度选择元件，在光束传输近场直接实现高质量的空间滤波，有效解决传统空间滤波器诸多固有限制； 

3、采用PTR玻璃作为制备体光栅的材料，可承载的激光功率较高； 

4、不改变入射光的偏振态； 

5、插入损耗低，衍射效率高； 

6、结构简单，容易实现； 

7、稳定性好，抗干扰能力强。 

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 

Claims (7)

1.一种无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述无旁瓣角度选择激光滤波器包括用于对入射光进行第一次衍射的第一体布拉格光栅以及对从所述第一体布拉格光栅出射的衍射光进行第二次衍射的第二体布拉格光栅，所述第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互平行，所述第一体布拉格光栅的衍射次级大对应于第二体布拉格光栅的衍射零值。

2.根据权利要求1所述的无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均为透射型光栅，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为位相型体布拉格光栅。

3.根据权利要求1所述的无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为均匀周期体光栅。

4.根据权利要求1所述的无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为双块组合式透射型体布拉格光栅。

5.根据权利要求4所述的无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均由两块光栅栅纹正交的子体光栅组合而成。

6.根据权利要求5所述的无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述两块子体光栅的光栅厚度或周期不同。

7.根据权利要求1所述的无旁瓣角度选择激光滤波器，其特征在于，所述无旁瓣角选择激光滤波器在第二体布拉格光栅外侧还包括回复反馈棱镜。