RU2199769C2 - Process recording holographic diffraction grating - Google Patents
Process recording holographic diffraction grating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2199769C2 RU2199769C2 RU2001110051A RU2001110051A RU2199769C2 RU 2199769 C2 RU2199769 C2 RU 2199769C2 RU 2001110051 A RU2001110051 A RU 2001110051A RU 2001110051 A RU2001110051 A RU 2001110051A RU 2199769 C2 RU2199769 C2 RU 2199769C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- recording
- crystal
- light beams
- photosensitive material
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оптике и может быть использовано для создания оптических фильтров, основанных на Брэгговской дифракции оптического излучения на дифракционной решетке, записанной в объеме светочувствительного материала, например, в фоторефрактивных кристаллах, светочувствительных полимерах, желатине, халькогенидных стеклах. The invention relates to optics and can be used to create optical filters based on the Bragg diffraction of optical radiation on a diffraction grating recorded in the volume of photosensitive material, for example, in photorefractive crystals, photosensitive polymers, gelatin, chalcogenide glasses.
Известны способы записи голографической дифракционной решетки в светочувствительных материалах, таких как фоторефрактивные кристаллы, например ниобат лития (LiNbO3), светочувствительные полимеры, например метил полиакрилат, основанные на формировании в объеме светочувствительного материала интерференционной картины с помощью двух пересекающихся записывающих когерентных пучков света. Например, в [1] описан способ записи голографической дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле ниобата лития, при котором на кристалл с одной его грани под некоторым углом к ней, отличным от нормального, направляют два когерентных пучка света, пересекающихся в кристалле и формирующих интерференционную картину.Known methods for recording a holographic diffraction grating in photosensitive materials, such as photorefractive crystals, for example lithium niobate (LiNbO 3 ), photosensitive polymers, for example methyl polyacrylate, based on the formation in the volume of the photosensitive material of the interference pattern using two intersecting recording coherent light beams. For example, in [1] a method for recording a holographic diffraction grating in a photorefractive lithium niobate crystal is described, in which two coherent light beams intersecting in the crystal and forming an interference pattern are directed to the crystal from one of its faces at a different angle to it than the normal one.
В соответствии с созданной интерференционной картиной в кристалле происходит перераспределение электрических зарядов и возникает известное локальное изменение показателя преломления, представляющее собой объемную голографическую дифракционную решетку. Поскольку записанные таким образом решетки нестабильны и распадаются под действием света, для увеличения "времени жизни" решеток кристалл нагревают и выдерживают при повышенной температуре определенное время. При этом увеличивается подвижность одновалентных ионов, которые приобретают способность перемещаться в кристалле, компенсируя указанное распределение электронов. После понижения температуры в кристалле остается ионная решетка, которая сохраняет свои свойства в течение нескольких лет даже при интенсивном освещении. In accordance with the created interference pattern, a redistribution of electric charges occurs in the crystal and a well-known local change in the refractive index occurs, which is a volume holographic diffraction grating. Since the lattices recorded in this way are unstable and decay under the influence of light, the crystal is heated and kept for a certain time at an elevated temperature to increase the “lifetime” of the lattices. In this case, the mobility of monovalent ions increases, which acquire the ability to move in the crystal, compensating for the indicated distribution of electrons. After lowering the temperature, an ionic lattice remains in the crystal, which retains its properties for several years even under intense light.
Одним из основных применений фоторефрактивных кристаллов с записанной голографической дифракционной решеткой является создание на их основе узкополосных оптических спектральных фильтров, которые описаны, в частности, в [2, 3, 4]. При освещении кристалла пучком света в направлении, практически параллельном вектору записанной дифракционной решетки, свет с длиной волны, которая удовлетворяет условию Брэгга, отражается от решетки в обратном направлении, а свет в остальном спектральном диапазоне проходит сквозь оптически прозрачный кристалл. Строго говоря, от решетки отражается свет в определенном узком диапазоне длин волн, центральная длина волны которого λr удовлетворяет условию Брэгга
λr = 2 nΛ, (1)
где n - средний показатель преломления кристалла;
Λ - период дифракционной решетки.One of the main applications of photorefractive crystals with a recorded holographic diffraction grating is the creation on their basis of narrow-band optical spectral filters, which are described, in particular, in [2, 3, 4]. When a crystal is illuminated by a light beam in a direction almost parallel to the vector of the recorded diffraction grating, light with a wavelength that satisfies the Bragg condition is reflected from the grating in the opposite direction, and the light in the remaining spectral range passes through an optically transparent crystal. Strictly speaking, light is reflected from the grating in a certain narrow range of wavelengths, the central wavelength of which λ r satisfies the Bragg condition
λ r = 2 nΛ, (1)
where n is the average refractive index of the crystal;
Λ is the period of the diffraction grating.
Для обеспечения высокой спектральной селективности фильтра в кристалле записывают дифракционную решетку малой амплитуды. В этом случае свет дифрагирует на решетке по всей ее длине. Соответственно, длину решетки стараются сделать большой, поскольку спектральная селективность такого фильтра зависит от длины дифракционной решетки и описывается следующим соотношением:
где δλr - ширина спектра, выделяемого сигнала;
Т - длина дифракционной решетки.To ensure high spectral selectivity of the filter, a low-amplitude diffraction grating is recorded in the crystal. In this case, the light diffracts on the grating along its entire length. Accordingly, they try to make the length of the grating large, since the spectral selectivity of such a filter depends on the length of the diffraction grating and is described by the following relation:
where δλ r is the width of the spectrum of the allocated signal;
T is the length of the diffraction grating.
Однако для известных способов записи голографической дифракционной решетки в фоторефрактивных кристаллах возникает следующая техническая проблема. Предположим, что необходимо изготовить оптический спектральный фильтр, работающий в инфракрасном диапазоне длин волн порядка 1500-1600нм. Однако известно, что фоторефрактивные кристаллы обладают низкой чувствительностью записи голограмм в указанном диапазоне длин волн. Поэтому для записи дифракционной решетки применяется более коротковолновое оптическое излучение, при этом запись осуществляют указанным выше способом, когда в кристалле формируют интерференционную картину с помощью двух записывающих когерентных пучков света, направленных на одну из граней кристалла под углом, отличным от нормального. При этом соотношение, связывающее период дифракционной решетки Λ, длину волны записывающего излучения в воздухе λw и угол падения записывающего излучения в воздухе (для симметричной схемы записи), следующее:
Из выражения (1) и (3) следует, что угол составляет
В качестве источника записывающего излучения в этом случае целесообразно использовать полупроводниковые лазеры, длина волны которых λw лежит в диапазоне чувствительности кристалла и составляет порядка 650-800 нм.However, for known methods of recording a holographic diffraction grating in photorefractive crystals, the following technical problem arises. Suppose that it is necessary to fabricate an optical spectral filter operating in the infrared wavelength range of the order of 1500-1600 nm. However, it is known that photorefractive crystals have a low sensitivity for recording holograms in the indicated wavelength range. Therefore, a shorter-wavelength optical radiation is used to record the diffraction grating, while recording is carried out as described above, when an interference pattern is formed in a crystal using two recording coherent light beams directed at one of the faces of the crystal at an angle other than normal. Moreover, the relation between the period of the diffraction grating Λ, the wavelength of the recording radiation in air λ w and the angle of incidence of the recording radiation in air (for a symmetric recording scheme), the following:
From the expression (1) and (3) it follows that the angle makes up
In this case, it is advisable to use semiconductor lasers whose wavelength λ w lies in the sensitivity range of the crystal and is about 650-800 nm as a source of recording radiation.
Однако из соотношения (4) видно, что при записи дифракционной решетки в кристалле с большим показателем преломления n, в частности, в ниобате лития, для которого n=2.2, невозможно обеспечить требуемый период решетки Λ ≈ 350 нм с помощью указанных лазеров, имеющих длину волны λw > 650 нм, так как уже при длине волны λw ≈ 650 нм угол должен быть близок к 90o.However, it can be seen from relation (4) that when recording a diffraction grating in a crystal with a large refractive index n, in particular, lithium niobate, for which n = 2.2, it is impossible to provide the required grating period Λ ≈ 350 nm using these lasers having a length wavelength λ w > 650 nm, since even at a wavelength λ w ≈ 650 nm, the angle should be close to 90 o .
Заметим, что углы θw (относительно нормали к грани кристалла), под которыми пучки записывающего излучения распространяются в кристалле, при тех же требованиях к периоду решетки Λ составляют порядка 25-27o.Note that the angles θ w (relative to the normal to the crystal face) at which the recording radiation beams propagate in the crystal, with the same requirements for the lattice period Λ, are of the order of 25-27 o .
Это означает, что известный способ записи дифракционной решетки имеет существенные ограничения, не позволяющие осуществлять запись решетки с требуемым периодом в чувствительном для кристалла диапазоне длин волн и с использованием доступных источников когерентного излучения. This means that the known method for recording a diffraction grating has significant limitations that do not allow recording gratings with the required period in the wavelength-sensitive range for the crystal and using available sources of coherent radiation.
Отметим, что схема записи дифракционной решетки может быть несимметричной, то есть когда углы падения записывающих пучков света на поверхность кристалла отличаются друг от друга. В этом случае известные выражения (3) и (4) имеют более сложную зависимость. Однако указанная проблема ввода в кристалл записывающего излучения не меняется. Note that the recording scheme of the diffraction grating can be asymmetric, that is, when the angles of incidence of the recording light beams on the crystal surface differ from each other. In this case, the known expressions (3) and (4) have a more complex dependence. However, this problem of introducing recording radiation into the crystal does not change.
Такие же проблемы возникают при записи дифракционной решетки и в других указанных выше светочувствительных материалах, когда с учетом выражения (4) при заданных значениях входящих в это выражение величин невозможно обеспечить ввод в материал записывающих пучков света под углом θw к его поверхности.The same problems arise when recording a diffraction grating and in the other photosensitive materials indicated above, when, taking into account expression (4), for given values of the values included in this expression, it is impossible to ensure that recording light beams are introduced into the material at an angle θ w to its surface.
Заявляемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка. Заявляется три варианта решения поставленной задачи. The invention is aimed at eliminating this drawback. There are three options for solving the problem.
Сущность изобретения по первому варианту заключается в том, что при записи топографической дифракционной решетки в объеме светочувствительного материала, основанной на формировании в светочувствительном материале интерференционной картины с помощью двух пересекающихся записывающих когерентных пучков света, записывающие пучки света формируют от двух когерентных пучков света, пропуская их через призму из оптически прозрачного материала, при этом призма одной из своих граней прилегает к одной из граней светочувствительного материала с образованием оптического контакта, а две другие грани призмы обращены к соответствующим когерентным пучкам света и ориентированы преимущественно нормально к направлению распространения эти пучков света. The essence of the invention according to the first embodiment is that when recording a topographic diffraction grating in the volume of a photosensitive material based on the formation of an interference pattern in the photosensitive material using two intersecting recording coherent light beams, the recording light beams form from two coherent light beams by passing them through a prism of optically transparent material, while the prism of one of its faces is adjacent to one of the faces of the photosensitive material to form an optical contact, the other two sides of the prism facing the respective coherent light beams and oriented predominantly normal to the direction of propagation of the light beams.
За счет того, что записывающий пучок света от источника когерентного излучения попадает на призму под углом к ее поверхности, близким к нормальному, он не испытывает заметного преломления на границе раздела сред "воздух-призма" и проходит через призму к поверхности светочувствительного. Due to the fact that the recording light beam from the coherent radiation source hits the prism at an angle close to normal to its surface, it does not experience noticeable refraction at the air-prism interface and passes through the prism to the photosensitive surface.
Далее этот записывающий пучок света попадает на указанную поверхность светочувствительного материала и в зависимости от соотношения показателей преломления материала, из которого выполнена призма, и светочувствительного материала, с преломлением или без проходит в объем светочувствительного материала. Поскольку показатель преломления материала, из которого выполнена призма, значительно выше, чем показатель преломления воздушной среды, установленные выше ограничения на угол, под которым записывающий пучок света, попадает на поверхность кристалла, существенно меньше: записывающий пучок света можно подавать на поверхность светочувствительного материала под углом, обеспечивающим угол θw существенно большим, чем это можно было бы сделать, подавая записывающие пучки света непосредственно на поверхность светочувствительного материала.Further, this recording light beam enters the indicated surface of the photosensitive material and, depending on the ratio of the refractive indices of the material from which the prism is made, and the photosensitive material, with or without refraction, passes into the volume of the photosensitive material. Since the refractive index of the material from which the prism is made is much higher than the refractive index of the air, the above restrictions on the angle at which the recording light beam hits the crystal surface are much lower: the recording light beam can be fed to the surface of the photosensitive material at an angle providing an angle θ w substantially larger than this could be done by applying recording light beams directly to the surface of the photosensitive material.
Если призму выполнить из материала с показателем преломления, близким к показателю преломления светочувствительного материала, то преломления записывающего пучка света на граница "призма - светочувствительный материал" практически не будет и записывающие пучки света можно подавать под любым требуемым углом .If the prism is made of a material with a refractive index close to the refractive index of the photosensitive material, then there will be practically no refraction of the recording light beam at the “prism - photosensitive material” boundary and the recording light beams can be supplied at any desired angle .
Альтернативным при осуществлении способа является выполнение призмы заодно целое со светочувствительным материалом. An alternative to the implementation of the method is the implementation of the prism integrally with the photosensitive material.
Сущность заявляемого способа по второму варианту заключается в том, что при записи голографической дифракционной решетки в объеме светочувствительного материала, основанной на формировании в светочувствительном материале интерференционной картины с помощью двух пересекающихся записывающих когерентных пучков света, записывающие пучки света формируют от одного когерентного пучка света, пропуская его через призму из оптически прозрачного материала, при этом призма одной из своих граней прилегает к одной из граней светочувствительного материала с образованием оптического контакта, а две другие грани призмы обращены к источнику когерентного пучка света и, по крайней мере, одна из них образует к направлению распространения этого когерентного пучка света угол, отличный от нормального. The essence of the proposed method according to the second embodiment is that when recording a holographic diffraction grating in the volume of a photosensitive material, based on the formation of an interference pattern in the photosensitive material using two intersecting recording coherent light beams, the recording light beams form from one coherent light beam, passing it through a prism of optically transparent material, while the prism of one of its faces adheres to one of the faces is photosensitive of material to form an optical contact, the other two sides of the prism facing the source of the coherent light beam and at least one of them forms the propagation direction of the coherent light beam an angle different from normal.
При осуществлении данного способа записывающий пучок света подают одновременно на две грани призмы, ориентированные к источнику когерентного излучения под некоторыми углами, достаточным, чтобы после преломления на границе "воздух-призма" записывающие пучки света пошли через призму под углами, близкими к θw. При условии, что призма выполнена из материала с показателем преломления, близким к показателю преломления светочувствительного материала, преломления записывающих пучков света на границе "призма-кристалл" не происходит и в объем светочувствительного материала под нужными углами попадает два когерентных записывающих пучка света.When implementing this method, a recording light beam is fed simultaneously to two faces of the prism oriented to the coherent radiation source at certain angles, so that after refraction at the air-prism interface, the recording light beams go through the prism at angles close to θ w . Provided that the prism is made of a material with a refractive index close to the refractive index of the photosensitive material, refraction of recording light beams at the prism-crystal interface does not occur and two coherent recording light beams enter the volume of the photosensitive material at the right angles.
При этом обращенные к источникам когерентного излучения грани призмы могут быть ориентированы под разными углами, в том числе одна из граней может быть ориентирована нормально к направлению этого излучения. Достаточно, чтобы, по крайней мере, одна из этих граней была ориентирована к направлению излучения по углом, отличным от нормального, что обеспечит преломление соответствующего пучка записывающего излучения на границе "воздух-призма" и последующее пересечение в объеме светочувствительного материала обоих записывающих пучков света. In this case, the prism faces facing the sources of coherent radiation can be oriented at different angles, including one of the faces can be oriented normally to the direction of this radiation. It is enough that at least one of these faces is oriented towards the radiation direction at an angle different from the normal one, which will ensure the refraction of the corresponding recording beam at the air-prism interface and the subsequent intersection in the volume of the photosensitive material of both recording light beams.
Альтернативным при осуществлении способа является выполнение призмы заодно целое со светочувствительным материалом. An alternative when implementing the method is the implementation of the prism integrally with the photosensitive material.
Сущность заявляемого способа по третьему варианту заключается в том, что при записи голографической дифракционной решетки в объеме светочувствительного материала, основанной на формировании в светочувствительном материале интерференционной картины с помощью двух пересекающихся записывающих когерентных пучков света, записывающие пучки света формируют от одного когерентного пучка света, пропуская его через призму из оптически прозрачного материала, при этом призма одной из своих граней прилегает к одной из граней светочувствительного материала с образованием оптического контакта, другая грань призмы обращена к упомянутому когерентному пучку света и обеспечивает его прохождение как непосредственно в светочувствительный материал, формируя первый записывающий пучок света, так и на третью грань призмы, ориентированную таким образом, что отраженное от этой грани излучение образует второй записывающий пучок света. The essence of the proposed method according to the third embodiment is that when recording a holographic diffraction grating in the volume of a photosensitive material based on the formation of an interference pattern in the photosensitive material using two intersecting recording coherent light beams, the recording light beams form from one coherent light beam, passing it through a prism of optically transparent material, while the prism of one of its faces is adjacent to one of the faces is photosensitive of the material with the formation of optical contact, the other face of the prism faces the said coherent light beam and ensures its passage both directly into the photosensitive material, forming the first recording light beam, and the third face of the prism, oriented so that the radiation reflected from this face forms second recording beam of light.
При осуществлении данного способа записывающий пучок света от источника когерентного излучения подают на одну из граней призмы, желательно, ориентированную преимущественно нормально к источнику излучения. При этом эту грань ориентируют таким образом, чтобы пучок света, проходящий через нее без преломления или с незначительным преломлением, попадал на грань светочувствительного материала под требуемым углом. Тем самым формируют первый записывающий пучок света. When implementing this method, the recording light beam from the source of coherent radiation is supplied to one of the faces of the prism, preferably oriented mainly normally to the radiation source. At the same time, this face is oriented so that the beam of light passing through it without refraction or with slight refraction falls on the face of the photosensitive material at the required angle. Thereby, a first recording light beam is formed.
Одновременно попавший в призму пучок света попадает также на другую грань призмы и за счет отражения от нее также попадает на грань светочувствительного материала под требуемым углом, образуя второй записывающий пучок света. Отражение пучка света, формирующего второй записывающий пучок света, может быть обеспечено как за счет полного внутреннего отражения при соответствующих значениях угла падения, так и за счет отражающего слоя, нанесенного на внешнюю поверхность этой грани призмы. За счет того, что свет от источника когерентного излучения попадает в призму через грань, ориентированную преимущественно нормально к источнику света, записывающее излучение не испытывает заметного преломления и попадает в призму под требуемым углом. Если призма выполнена из материала с показателем преломления, близким к показателю преломления светочувствительного материала, то попадающие на грань кристалла пучки света (прямой и отраженный от одной из граней призмы) проходят в объем светочувствительного материала, не испытывая преломления на границе "призма - светочувствительный материал", и формируют требуемую интерференционную картину. At the same time, a beam of light that enters the prism also hits the other side of the prism and, due to reflection from it, also hits the face of the photosensitive material at the required angle, forming a second recording light beam. The reflection of the light beam forming the second recording light beam can be achieved both due to total internal reflection at the corresponding values of the angle of incidence, and due to the reflective layer deposited on the outer surface of this face of the prism. Due to the fact that the light from the coherent radiation source enters the prism through a face oriented normally normal to the light source, the recording radiation does not experience noticeable refraction and enters the prism at the required angle. If the prism is made of a material with a refractive index close to the refractive index of the photosensitive material, then light beams incident on the crystal face (direct and reflected from one of the faces of the prism) pass into the volume of the photosensitive material without experiencing refraction at the “prism - photosensitive material” interface , and form the desired interference pattern.
Альтернативным при осуществлении способа является выполнение призмы заодно целое со светочувствительным материалом. An alternative to the implementation of the method is the implementation of the prism integrally with the photosensitive material.
Сущность заявляемого изобретения поясняется графическим материалами на примере использования фоторефрактивного кристалла в качестве светочувствительного материала. На представляемых графических материалах изображено:
фиг. 1 - известная схема записи голографической дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле с использованием записывающих пучков света от двух источников когерентного излучения;
фиг. 2 - пример использования фоторефрактивного кристалла с записанной дифракционной решеткой в качестве оптического спектрального фильтра;
фиг. 3 - схема записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле с использованием призмы в соответствии с первым вариантом заявляемого изобретения;
фиг. 4 - то же, с использованием дополнительной призмы, установленной со стороны выхода записывающих пучков света из кристалла;
фиг. 5 и 6 - схемы записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле в соответствии с первым вариантом заявляемого изобретения, иллюстрирующие зависимость длины записанной решетки от высоты призмы;
фиг. 7 - предпочтительная схема записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле в соответствии с первым вариантом заявляемого изобретения;
фиг. 8 - 10 - примеры осуществления заявляемого изобретения в соответствии с первым вариантом с призмами различной формы;
фиг. 11 - пример осуществления заявляемого изобретения в соответствии с первым вариантом, иллюстрирующий возможность изменения периода записываемой решетки за счет изменения угла падения на грани призмы пучков света от источников излучения;
фиг. 12 - схема записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле от одного источника излучения в соответствии со вторым вариантом заявляемого изобретения;
фиг. 13 - то же, для случая, когда только одна из обращенных к источнику излучения граней ориентирована под углом отличным от нормального к направлению излучения;
фиг. 14 - схема записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле от одного источника излучения в соответствии с третьим вариантом заявляемого изобретения.The essence of the invention is illustrated by graphic materials on the example of the use of a photorefractive crystal as a photosensitive material. Presented graphic materials depict:
FIG. 1 is a known pattern for recording a holographic diffraction grating in a photorefractive crystal using recording light beams from two sources of coherent radiation;
FIG. 2 is an example of using a photorefractive crystal with a recorded diffraction grating as an optical spectral filter;
FIG. 3 is a recording diagram of a diffraction grating in a photorefractive crystal using a prism in accordance with the first embodiment of the claimed invention;
FIG. 4 - the same, using an additional prism mounted on the exit side of the recording light beams from the crystal;
FIG. 5 and 6 are diagrams of recording a diffraction grating in a photorefractive crystal in accordance with the first embodiment of the claimed invention, illustrating the dependence of the length of the recorded grating on the height of the prism;
FIG. 7 is a preferred recording scheme of a diffraction grating in a photorefractive crystal in accordance with a first embodiment of the claimed invention;
FIG. 8 to 10 are examples of the implementation of the claimed invention in accordance with the first embodiment with prisms of various shapes;
FIG. 11 is an example embodiment of the claimed invention in accordance with the first embodiment, illustrating the possibility of changing the period of the recorded lattice by changing the angle of incidence on the edge of the prism of light beams from radiation sources;
FIG. 12 is a recording diagram of a diffraction grating in a photorefractive crystal from a single radiation source in accordance with a second embodiment of the claimed invention;
FIG. 13 - the same for the case when only one of the faces facing the radiation source is oriented at an angle different from normal to the radiation direction;
FIG. 14 is a recording diagram of a diffraction grating in a photorefractive crystal from a single radiation source in accordance with a third embodiment of the claimed invention.
Представленная на фиг. 1 схема иллюстрирует известный способ записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле. На кристалл 101 со стороны грани 102 подается два записывающих пучка света 103 и 104 от источников когерентного излучения (на фиг. 1 не показаны). Пучки 103 и 104 подаются на кристалл 101 под некоторым углом относительно нормали к упомянутой грани 102 таким образом, чтобы в кристалле 101 эти пучки света пересеклись и сформировали интерференционную картину. При переходе в кристалл 101 пучки света 103 и 104 преломляются и проходят в кристалле 101 под углом θw. Угол и длина волны λw пучков света 103 и 104 определяют в соответствии с выражением (3), период Λ записываемой дифракционной решетки.Presented in FIG. 1, a diagram illustrates a known method for recording a diffraction grating in a photorefractive crystal. Two recording beams of
Кристалл 101 с записанной в нем дифракционной решеткой 105 (см. фиг. 2) может быть использован как оптический спектральный фильтр. В этом случае на одну из торцевых поверхностей 106 кристалла 101 вдоль вектора дифракционной решетки 105 подается полихроматическое оптическое излучение 107. В определенном узком диапазоне длин волн, центральная длина волны которого λr удовлетворяет упомянутому условию Брэгга (1), на дифракционной решетке 105 происходит дифракция падающего излучения 107 и отражение указанного диапазона волн в виде светового потока 108. Излучение 107 во всем остальном диапазоне длин волн проходит через оптически прозрачный кристалл 101 в виде прошедшего излучения 109.A
Пример осуществления заявляемого способа по первому варианту представлен на фиг. 3. An example implementation of the proposed method according to the first embodiment is presented in FIG. 3.
Записывающие пучки света 103 и 104 подаются на кристалл 101 через призму 110. При этом грань 111 призмы 110 прилегает к упомянутой грани 102 кристалла 101 с образованием оптического контакта, а две другие грани 112 и 113 призмы 110 ориентированы нормально к пучкам света 103 и 104. При такой ориентации граней 112 и 113 призмы 110 записывающие пучки света 103 и 104, не преломляясь, проходят призму 110 и попадают на грань 102 кристалла. При условии, что кристалл 101 и призма 110 имеют близкие по значению показатели преломления, записывающие пучки света не испытывают заметного преломления на границе "призма-кристалл", попадают в кристалл 101 и, пересекаясь, формируют интерференционную картину, в результате чего в фоторефрактивном кристалле 101 записывается дифракционная решетка 105. Для симметричной схемы записи, которая представлена на фиг. 3, угол между гранями 111 и 112 (или гранями 111 и 113) призмы 110 определяет угол θw. При этом указанный угол можно выбирать в широком диапазоне значений, в том числе он может быть больше предельного значения угла θw для известного способа, поскольку записывающие пучки света 103 и 104 подаются нормально к соответствующим граням 112 и 113 призмы 101 и не испытывают преломления на границе "воздух-призма".The recording light beams 103 and 104 are supplied to the
Для того, чтобы выходящие из кристалла 101 записывающие пучки света при больших значениях угла θw не отражались от грани 114 кристалла 101 и не искажали формируемую в кристалле 101 интерференционную картину, к грани 114, противоположной грани 102 (см. фиг. 4), устанавливают дополнительную призму 115, идентичную по форме призме 110. В этом случае выходящие из кристалла 101 записывающие пучки света не отражаются от его грани 114 и проходят, не преломляясь, через дополнительную призму 115.In order for the recording light beams emerging from the
Длина записываемой в кристалле 101 дифракционной решетки 105 в значительной степени зависит от высоты призмы 110. На фиг. 5 и 6 показаны геометрические соотношения для определения длины дифракционной решетки 105. The length of the
Для случая минимальной высоты h призмы 110 (см. фиг. 5) видно, что в кристалле 101 записывающие пучки света 103 и 104 пересекаются только в пределах небольшой центральной зоны, и длина Т решетки 105 (однородной по всей толщине кристалла) равна
T = 2htanθw (5)
При значении минимальной высоты призмы 110, равной , где L - длина кристалла 101, минимальное значение длины решетки 105 равно
Tmin = Ltan2θw
Для углов θw/ порядка 27o Тmin≈0,17L.For the case of the minimum height h of the prism 110 (see FIG. 5), it can be seen that in the
T = 2htanθ w (5)
With a minimum prism height of 110 equal to where L is the length of the
T min = Ltan 2 θ w
For angles θ w / of the order of 27 o T min ≈0.17 L.
Максимальное значение длины Т решетки 105 может быть получено (см. фиг. 6) для значения , где d - толщина кристалла 101. В этом случае значение длины решетки 105 равно
Tmax = L-2dtan θw
Поскольку длина Т решетки 105 связана со спектральной селективностью фильтра, показанного на фиг. 2, выбор высоты h призмы 110 определяется требуемым указанным параметром фильтра.The maximum value of the length T of the grating 105 can be obtained (see Fig. 6) for the value where d is the thickness of the
T max = L-2dtan θ w
Since the length T of the grating 105 is related to the spectral selectivity of the filter shown in FIG. 2, the selection of the height h of the
Представленная на фиг. 7 предпочтительная схема записи дифракционной решетки 105 в фоторефрактивном кристалле 101 имеет призму 110 с максимально возможной высотой h и включает также идентичную ей дополнительную призму 115, примыкающую к кристаллу 101 с противоположной относительно записывающих пучков света 103 и 104 грани. Дополнительная призма 115, как было указано, служит для предотвращения отражения прошедших через кристалл 101 записывающих пучков света 103 и 104. Presented in FIG. 7, the preferred recording scheme of the grating 105 in the
Для призмы 110 (аналогично, для призмы 115) имеет значение только выполнение указанных на фиг. 3 граней 111, 112 и 113, которые определяют условия прохождения записывающих пучков света 103 и 104. Поэтому, в зависимости от применяемой технологии изготовления или условий осуществления способа, в целом форма призм 110 и 115 может быть различной, в частности, такой, как показано на фиг. 8 - 10. For prism 110 (similarly, for prism 115), only the execution indicated in FIG. 3 faces 111, 112 and 113, which determine the conditions of passage of the recording light beams 103 and 104. Therefore, depending on the manufacturing technology used or the conditions of the method, in general, the shape of the
Применение заявляемого способа позволяет осуществить запись в фоторефрактивном кристалле 101 дифракционной решетки 105 с различным значением периода Λ при одних и тех же призмах 110 и 115, а также одном значении длины волны λw записывающих пучков света 103 и 104. Это возможно при изменении угла падения записывающих пучков света 103 и 104 на грани 112 и 113 призмы 110. На фиг. 11 показана такая возможность. Записывающие пучки света 103 и 104 подают на соответствующие грани 112 и 113 призмы 110 не нормально, как рассматривалось выше, а под некоторым углом θ
где nр - показатель преломления материала призмы 110, который выбирается близким к показателю преломления n кристалла 101.The application of the proposed method allows recording in a
where n p is the refractive index of the material of the
Поскольку записывающие пучки света 103 и 104 проходят в призму 110 под углом θ
В рассмотренных выше примерах осуществления изобретения для упрощения их описания была использована симметричная схема записи, когда призма 110 имела равные углы, прилегающие к грани 102, и когда записывающие пучки света 103 и 104 подавались на соответствующие грани 112 и 113 призмы 110 под равными углами. In the above embodiments, a symmetric recording scheme was used to simplify their description when the
Понятно, что изобретение может быть осуществлено и при несимметричной схеме как за счет разных упомянутых углов призмы 110, так и за счет различающихся упомянутых углов падения записывающих пучков света 103 и 104 на соответствующие грани 112 и 113 призмы 110. В последнем случае, как показано на фиг. 11, изменяя углы падения записывающих пучков света 103 и 104, можно менять период записываемой решетки, что значительно проще, чем заменять призмы или подбирать источники записывающего излучения и требуемой длинной волны. В любом случае несимметричной схемы записи и/или несколько отличного от нормального направления распространения записывающих пучков света 103 и 104 относительно соответствующих граней 112 и 113 призмы 110 заявляемый способ может быть осуществлен с достижением указанного результата. It is clear that the invention can be carried out with an asymmetric design both due to the different mentioned angles of the
Рассмотренные выше способы записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле предполагали наличие двух когерентных пучков света. Обычно для этого используют один лазер с расщепителем луча и системой зеркал, формирующей два когерентных пучка света. Однако для таких двухлучевых схем требуется высокая механическая стабильность во времени элементов системы, поскольку запись дифракционной решетки представляет собой достаточно длительный процесс. Малейшее изменение пространственного положения записывающих пучков света во время записи приводит к смещению формируемой в кристалле интерференционной картины и ведет к снижению дифракционной эффективности записанной решетки. The above methods for recording a diffraction grating in a photorefractive crystal suggested the presence of two coherent light beams. Usually one laser is used for this with a beam splitter and a mirror system that forms two coherent light beams. However, such two-beam schemes require high mechanical stability in time of the system elements, since the recording of the diffraction grating is a rather lengthy process. The slightest change in the spatial position of the recording light beams during recording leads to a displacement of the interference pattern formed in the crystal and leads to a decrease in the diffraction efficiency of the recorded grating.
Заявляемое изобретение по второму и третьему вариантам позволяет реализовать однолучевую схему записи дифракционной решетки в фоторефрактивном кристалле. The invention according to the second and third options allows you to implement a single-beam recording scheme of the diffraction grating in a photorefractive crystal.
На фиг. 12 представлена схема записи дифракционной решетки по второму варианту. Записывающий пучок света 203 подается на кристалл 201 через призму 210, одна грань 211 которой примыкает к грани 202 кристалла 201, а другие грани обращены к записывающему пучку света 203. При такой однолучевой схеме записывающий пучок света 203 падает на грани 212 и 213 призмы 210 не нормально, как это было возможно для рассмотренной выше двухлучевой схемы, а под некоторым углом θ
где np - показатель преломления материала призмы 210, который выбирается близким к показателю преломления n кристалла 201.In FIG. 12 shows a recording scheme of a diffraction grating according to the second embodiment. The recording beam of
where n p is the refractive index of the material of the
В дальнейшем оба записывающих пучка света 216 и 217 попадают в кристалл 201, в котором формируют требуемую интерференционную картину. Аналогично, как и для первого варианта изобретения, для предотвращения отражения записывающих пучков света 216 и 217 при выходе из кристалла 201 используется призма 215, имеющая такую же форму, как и призма 210. Subsequently, both recording beams of
При осуществлении заявляемого изобретения по второму варианту достаточно, чтобы только одна из двух граней 212 и 213 призмы 210 была ориентирована к направлению записывающего пучка света 203 под углом, отличным от нормального. На фиг. 13 показан такой случай, когда записывающий пучок света 203 падает на грань 212 призмы 210 наклонно, а на другую грань 213 - нормально. В этом случае часть пучка 203 в виде одного из записывающих пучков света 217 проходит без преломления через призму 210 и попадает в кристалл 201. Другая часть пучка 203, падающая на грань 212 призмы 210, преломляется на границе "воздух-призма" и в виде записывающего пучка света 216 проходит через призму 210 и попадает в кристалл 201, в котором пересекается с записывающим пучком света 217, за счет чего в кристалле 201 записывается дифракционная решетка 205. При такой схеме записи несколько изменяется пространственное положение записываемой дифракционной решетки 205 - несколько изменяется направление ее вектора. Однако это не влияет на результат, тем более, что при использовании кристалла с записанной дифракционной решеткой в качестве оптического спектрального фильтра, как это было показано выше, для пространственного разделения фильтруемого излучения 107 (см. фиг. 2) и отраженного светового потока 108 излучение 107 нужно подавать вдоль вектора решетки 105 под незначительным углом. In the implementation of the claimed invention in the second embodiment, it is sufficient that only one of the two faces 212 and 213 of the
На фиг. 14 представлена схема записи дифракционной решетки по третьему варианту. Записывающий пучок света 303 подается на кристалл 301 через призму 310, одна грань 311 которой примыкает к грани 302 кристалла 301, а на другую грань 312 нормально падает записывающий пучок света 303. При этом грань 312 ориентирована к грани 311 по углом θw. Третья грань 313 призмы 310, противолежащая грани 312, ориентирована перпендикулярно грани 311. Благодаря такой ориентации граней 311, 312 и 313 призмы 310 записывающий пучок света 303, проходя через призму 310, образует два записывающих пучка света 316 и 317, пересекающихся в кристалле 301. Первый записывающий пучок света 316 проходит через призму 310 и попадает прямо на кристалл 301 под углом θw Второй записывающий пучок света 317 формируется за счет отражения пучка 303 от грани 313 призмы 310. При этом используется либо эффект полного внутреннего отражения при соответствующих значениях угла падения пучка света на грань 313 призмы 310, либо отражение от отражающего слоя 318, нанесенного с внешней стороны грани 313 призмы 310.In FIG. 14 shows a recording scheme of a diffraction grating according to the third embodiment. The
Так же, как и в случаях осуществления изобретения по первому варианту, записывающий пучок света 303 может падать на грань 312 призмы 310 под некоторым углом, отличным от нормального. Соответственно, и ориентация грани 313 призмы 310 может отличаться от указанной на фиг. 14. Важно лишь сохранить указанный путь распространения в призме 310 записывающих лучей 316 и 317. As in the cases of the invention according to the first embodiment, the
При осуществлении заявляемого изобретения по третьему варианту также необходимо учитывать, что формируемые записывающие пучки света 316 и 317 имеют разную оптическую длину пути, что может негативно повлиять на формирование в кристалле 301 интерференционной картины. Необходимо, чтобы используемый источник когерентного излучения - лазер имел длину когерентности не меньше, чем разность хода пучков света 316 и 317. Последнее требование не представляет большой технической проблемы. When implementing the claimed invention according to the third embodiment, it is also necessary to take into account that the generated recording light beams 316 and 317 have different optical path lengths, which can negatively affect the formation of an interference pattern in the
При осуществлении заявляемого изобретения во всех трех вариантах возможно выполнение кристалла, который на фиг. 1 - 14 показан как параллелепипед, и призм как единого целого изделия сложной формы. Фактически это означает, что светочувствительный кристалл должен быть изготовлен в виде призмы, имеющей грани, через которые подаются записывающие пучки света, выполненные так, как это были бы грани призмы (призм) в случае рассмотренного выше раздельного выполнения кристалла и призмы. When carrying out the claimed invention in all three variants, it is possible to perform a crystal, which in FIG. 1 - 14 is shown as a parallelepiped, and prisms as a single whole product of complex shape. In fact, this means that the photosensitive crystal must be made in the form of a prism having faces through which recording light beams are supplied, made in the same way as they would be the faces of a prism (prisms) in the case of the separate implementation of a crystal and a prism discussed above.
Рассмотренные примеры осуществления заявляемого изобретения, когда запись дифракционной решетки осуществлялась в фоторефрактивном кристалле, например, ниобате лития, в полной мере справедливы и для других указанных выше светочувствительных материалов, например, светочувствительных полимерах, желатине, халькогенидных стеклах. The considered embodiments of the claimed invention, when the diffraction grating was recorded in a photorefractive crystal, for example, lithium niobate, are fully valid for the other photosensitive materials mentioned above, for example, photosensitive polymers, gelatin, chalcogenide glasses.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Photorefractive materials and their applications II: Survey of applications /Edited by P.Gunter and J.-P.Huignard. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1989.SOURCES OF INFORMATION
1. Photorefractive materials and their applications II: Survey of applications / Edited by P. Gunter and J.-P. Huignard. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1989.
2. G.A.Rakuljic, V.Leyva. Volume holographic narrow-band optical filter. //Optics Letters. 1993. Vol.18. 6. P.459-461. 2. G.A. Rakuljic, V. Leyva. Volume holographic narrow-band optical filter. // Optics Letters. 1993. Vol. 18. 6. P.459-461.
3. Патент US 5684611, G 03 H 1/02, публ. 04.11.97. 3. Patent US 5684611, G 03
4. Патент US 5796096, G 01 J 3/50, публ. 18.08.98. 4. Patent US 5796096, G 01 J 3/50, publ. 08/18/98.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001110051A RU2199769C2 (en) | 2001-04-06 | 2001-04-06 | Process recording holographic diffraction grating |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001110051A RU2199769C2 (en) | 2001-04-06 | 2001-04-06 | Process recording holographic diffraction grating |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2199769C2 true RU2199769C2 (en) | 2003-02-27 |
Family
ID=20248435
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001110051A RU2199769C2 (en) | 2001-04-06 | 2001-04-06 | Process recording holographic diffraction grating |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2199769C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2745540C1 (en) * | 2020-08-25 | 2021-03-26 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Augmented reality device based on waveguides with the structure of holographic diffraction grids, device for recording the structure of holographic diffraction grids |
US11835922B2 (en) | 2020-08-25 | 2023-12-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Augmented reality device based on waveguide with holographic diffractive grating structure and apparatus for recording the holographic diffractive grating structure |
-
2001
- 2001-04-06 RU RU2001110051A patent/RU2199769C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2745540C1 (en) * | 2020-08-25 | 2021-03-26 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Augmented reality device based on waveguides with the structure of holographic diffraction grids, device for recording the structure of holographic diffraction grids |
US11835922B2 (en) | 2020-08-25 | 2023-12-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Augmented reality device based on waveguide with holographic diffractive grating structure and apparatus for recording the holographic diffractive grating structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0747893B1 (en) | Optical head apparatus for different types of disks | |
JP3453836B2 (en) | Hologram manufacturing method | |
US6673497B2 (en) | High efficiency volume diffractive elements in photo-thermo-refractive glass | |
JPH08339571A (en) | Multilayer optical disk device | |
JPS60119507A (en) | Optical filter | |
CA1185466A (en) | Optical device for sustaining a radiant energy pulse device | |
JPH07192297A (en) | Super-high resolution optical head device | |
EP0095960B1 (en) | Device for storing a coherent image in a multimode optical cavity | |
EP0138668B1 (en) | Device for recording a coherent image in a multimodal optical cavity | |
KR20020079499A (en) | Optical device, and wavelength multiplexing optical recording head | |
RU2199769C2 (en) | Process recording holographic diffraction grating | |
KR100555789B1 (en) | Holographic rom system | |
JPH09101735A (en) | Medium, method, and device for hologram recording, and hologram recording and reproducing device | |
JP2726029B2 (en) | Method and apparatus for forming double focus | |
JP4730490B2 (en) | Manufacturing method of optical fiber with display function | |
JPH03188481A (en) | Multiple hologram and its generating method | |
JP3397625B2 (en) | Diffraction grating | |
US6621633B2 (en) | System and method for increasing the diffraction efficiency of holograms | |
US5168489A (en) | Recorded data reader employing a polarized beam splitter | |
RU181211U1 (en) | DEVICE FOR RECORDING AND TESTING HOLOGRAPHIC VOLUME REFLECTIVE GRILLES | |
JP3321839B2 (en) | Manufacturing method of highly difficult duplicate hologram | |
JP2002304760A (en) | Wavelength multiplex optical recording head | |
KR910007718B1 (en) | Achromatic holographic element | |
JPH05142978A (en) | Wavelength multiplex volume holography device | |
JPH08286062A (en) | Formation of optical waveguide type diffraction grating |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090407 |