專利名稱：光折變平板透鏡的制作方法
技術領域：
本發明是一種采用有限體積光折變體全息原理的光折變平板透鏡，主要用于激光通信，激光雷達，激光對抗、微小化衛星等信息光學領域。
在先技術[1](參見G.Hatakoshi，H.Fujima and K.Goto，Appl.Opt.，23(11)，1984，pp.1794-1753，Waveguide grating lenses for opticai couplers)中所描述的是波導光柵衍射透鏡，其工作原理是用全息記錄方法或電子束蝕刻方法在波導表面形成光柵透鏡，該光柵透鏡可以對波導內的光束進行衍射，形成只進入襯底的球面波，然后折射到空氣中聚焦到一點。這種光柵透鏡只對波導內傳播的一定模式的導波光進行光束轉換，在波導表面的厚度很小，只能達到微米量級，波長的選擇性和光柵透鏡的復用性差。而且透鏡和傳播基質(襯底)不是同種介質，穩定性和可靠性差。另外，波導衍射器件的應用面積增大時，衍射效率會變得很低。
在先技術[2](參見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)中所描述的是光折變反射體全息透鏡，其基本原理是Kogelnik的反射體全息的耦合波理論和KuKtarev的關于光折變材料的輸運方程。它是由兩束球面波以一定角度在摻鐵LiNbO3晶體薄片上干涉形成的。是一種轉換光束方向、對入射光束可以進行反射離軸聚焦的三維光學元件。事實上，它與傳統透鏡工作方式差別不大，整個光束系統占用的空間體積大，不易于微小化集成。
在先技術[3](參見S.M.Schultz，E.N.Glytsis and T.K.Gaylord，Appl.Opt39(8)，pp.1223-1232，Design，fabrication，and performance of preferential-ordervolume grating waveguide couplers)中所描述的是轉換光束方向用的體光柵波導耦合器。它是由兩光束借助棱鏡和柱透鏡入射到波導表面，在波導層內相互干涉形成具有傾斜條紋和變波矢量的體光柵，當導波光入射到體光柵上時，變波矢量的體光柵將導波光衍射，不同角度的衍射光會聚到一點。通過改變體光柵形成時的波矢量的變化行為，可以實現不同焦距的體光柵波導耦合器。但該體光柵只對限制在波導內傳播的導波光進行衍射，衍射效率低。而且這種變波矢量的體光柵形成時的精確控制比較難，所以獲得低像差的會聚焦點很難。
本發明的技術解決方案是一種光折變平板透鏡，其特點在于它由光折變晶體平板及其內的體全息光柵透鏡構成，該光折變晶體平板是一種摻雜的鈮酸鋰長方形薄板，其幾何尺寸長a、寬b和厚c滿足關系a≥b＞c，而且厚度c遠大于入射光波的波長。
上述的摻雜的鈮酸鋰晶體為雙摻雜的鈮酸鋰晶體。
上述的體全息光柵透鏡是一種對入射平行光束產生橫向傳輸并聚焦的全息透鏡。
上述的體全息光柵透鏡是一種對入射點光源產生的發散光束產生橫傳的準直的全息透鏡。
上述的體全息光柵透鏡的形成過程如下①用均勻紫外光照射晶體；
②在均勻紫外光繼續照射的同時，用空間干涉的調制雙紅光照射晶體；③關閉紫外光，只用一束紅光照射晶體，形成深能級中心的體全息光柵。
下面對本發明的工作原理作進一步詳細說明。
本發明是利用有限體積光折變體全息原理，在光折變晶體平板內可以對輸入光束產生橫向傳輸并聚集，或對輸入光點產生橫傳的準直。
本發明光折變平板光學透鏡的結構包括兩部分，光折變晶體平板和體全息光柵透鏡；其工作過程分兩步，在光折變晶體平板內記錄體全息光柵(即形成體全息光柵透鏡)和體全息光柵透鏡的讀出。
光折變晶體平板是雙摻雜的LiNbO3晶體平板，一種光折變體全息記錄材料，它可以通過光折變效應形成體全息光柵。其形狀是長方形的薄板，幾何尺寸為a×b×c，其中a≥b＞c，但晶體材料的厚度c遠大于入射光波的波長。在光的輻照下，晶體材料的折射率隨光強的空間分布而變化。雙摻雜的LiNbO3晶體是在LiNbO3晶體中摻入兩種不同能級深度的雜質離子形成兩個俘獲中心即深能級中心和淺能級中心，比如有LiNbO3FeMn，LiNbO3CeMn，LiNbO3CeCu，LiNbO3FeCu等雙摻雜的LiNbO3晶體。該類晶體內載流子的產生由雙中心帶輸運模型來描述。
在光折變晶體平板內記錄體全息光柵是利用晶體的光折變效應的基本原理，用空間雙光束干涉全息記錄法和局域全光固定記錄。在帶輸運模型下發生光折變效應的過程為電光晶體內的雜質、空位或缺陷充當電荷的施主或受主，當晶體在光輻照下，光激發電荷進入鄰近的能帶；光激發載流子在帶中或因濃度梯度擴散，或在電場作用下漂移，或由光生伏打效應而運動；遷移的電荷可以被受主重新俘獲，經過再激發，再遷移，再俘獲，最后離別了光照區而定居于暗光區；這些就形成了與光強空間調制分布相對應的電荷分布，電荷分布按泊松方程形成了空間電荷場，最后通過線性電光效應形成折射率在空間的周期性變化，或者說在晶體內寫入體全息相位柵。
對于雙摻雜的LiNbO3晶體，載流子的輸運機制由兩中心帶輸運模型來描述，其記錄原理是Buse等人提出的雙色光兩中心全息記錄法(參見K.Buse，A.Adibi，et al.，Nature，397(7)，pp.665-668，1998，Nonvolatile holographic storage hologramsin doubly doped lithium niobate crystals)。
圖1所示為本發明光折變平板透鏡的雙光束干涉全息記錄和紫外光局域固定示意圖。LiNbO3晶體中摻入不同能級深度的雜質中心形成深能級中心和淺能級中心，用雙紅光記錄、紫外光敏化和固定。在紅光記錄全息的同時用均勻紫外光來照明晶體中要記錄全息的部分，紅光只能激發淺能級施主中的電子，紫外光能同時激發深能級和淺能級中心的電子，從而可以有效實現電子從淺能級中心向深能級中心的轉移。
雙摻雜LiNbO3晶體的空間雙光束干涉全息記錄和局域全光固定的過程結合圖1說明如下①用均勻紫外光照射晶體，使電子通過導帶從深能級中心激發到淺能級中心中去，以增加晶體對記錄紅光的靈敏度；②在均勻紫外光繼續照射的同時用空間干涉的調制雙紅光照射晶體，紅光的周期性干涉光強引起深能級中心和淺能級中心的電荷重新分布，分別在兩個能級中心形成空間電荷場，進而通過線性電光效應形成深能級中心的體全息光柵和淺能級中心的體全息光柵。③關閉紫外光，只用一束紅光照射晶體，紅光將擦除淺能級中心的體全息光柵，使所有電子都陷入到深能級中心去，保留了對紅光不敏感的深能級中心的體全息光柵。當用紅光在進行讀出時，深能級中心的體全息光柵不會被擦除，從而實現了光折變晶體體全息光柵的非揮發性記錄和局域全光固定。
體全息光柵透鏡可以使平行讀出光束產生橫向傳輸并聚焦，也可以使點光源產生的發散光束經衍射平行射出即產生橫傳的準直。體全息光柵透鏡的讀出過程結合圖2和圖3說明如下當讀出光束R1入射到體全息光柵上，因符合布拉格匹配條件而受到體全息光柵的衍射，衍射的會聚球面波在光折變晶體平板內傳播并聚焦到一點o，不滿足布拉格匹配條件的光波將透過光柵垂直光折變晶體平板直接透射傳播。同理激光光源在o點發射的發散光束R2入射到體全息光柵上，也可以因符合布拉格匹配條件而受到體全息光柵的衍射，衍射光束S2垂直光折變晶體平板平行射出，不滿足布拉格匹配條件的光波將透過光柵發散傳播。
與在先技術相比在先技術[1]的波導光柵衍射透鏡中，光柵的厚度小，波長選擇性和光柵的復用性差，只對在波導內傳播的導波光進行光束轉換，透鏡和傳播基質(襯底)不是同種介質，穩定可靠性差，而且波導衍射器件的應用面積增大時衍射效率低。在先技術[2]是一種離軸聚焦的光折變反射體全息透鏡，它的光束聚焦系統占用的空間體積大，和傳統透鏡系統的工作原理差別不大，不易于微小化集成。在先技術[3]是體光柵波導耦合器，通過變波矢量的體光柵衍射實現光束的會聚。這種體光柵波導耦合器只對空間光激勵的導波光發生衍射，形成時波矢量變化行為的精確控制難，會聚焦點的像差大。本發明如上述結構利用有限體積光折變體全息原理，用一塊光折變晶體平板就可以實現對于輸入的自由空間的光束產生橫向傳輸并聚焦，或對輸入光點產生橫傳的準直。與在先技術相比，其突出的優點和特點是(1)體積小、重量輕，厚度可以達到1毫米，因此比傳統透鏡系統體積能夠縮小至百分之一左右，而且透鏡和傳播基質為同種介質的光折變晶體平板，穩定可靠，抗環境干擾能力強；(2)光折變晶體平板內可以通過光折變效應記錄若干個分立的局域體全息，通過衍射光的互聯在單片晶體內可以實現多種功能器件組合的微小化三維光學集成系統；(3)體全息光柵透鏡對衍射效應的利用可以產生良好的波長和視場選擇性，能有效抑制光譜噪聲；(4)基于體全息原理，因而可以進行像差補償，特別是能夠實現特殊的波面轉換，可以制成多功能的光學信息處理器件；(5)光折變晶體平板采用晶體材料具有良好的壓電、光彈、聲光、電光、熱光、和非線性光學等效應，使用電光效應或者其他各種可控制的效應能夠同時實現電光掃描或電光調制等附加功能，具有可控制特性；(6)光折變晶體作為體全息介質，對記錄在其中的體全息光柵來講具備嚴格的布拉格選擇條件，當光折變全息讀出時，任意角度或波長的改變將使布拉格條件失配衍射效率急劇下降。這種角度和波長的選擇性使得可以利用不同角度或波長的入射光在同一體積內記錄許多全息，可以實現體全息復用和海量存儲。
圖2為平行光束讀出體全息光柵透鏡衍射光橫向傳輸并聚焦的示意圖。
圖3為點光源發出的球面波讀出體全息光柵透鏡衍射光平行射出的示意圖。
記錄過程首先用均勻紫外光對要記錄的部分進行1小時左右的預敏化，均勻紫外光照射LiNbO3CuCe晶體時，處于深淺兩能級中的電子都能被激發到導帶，再分別被深淺兩個能級俘獲；然后用周期性調制的紅光(一束平行光波，一束會聚球面光波)和均勻的紫外光同時照射晶體進行干涉全息記錄，待記錄穩定后，關閉紫外光和其中的一束紅光，用另一束紅光照射已經記錄全息的部分，進行局域全光固定，紅光只能激發淺能級中的電子到導帶中去，保留了深能級中的體光柵。于是在LiNbO3CuCe晶體中記錄了非揮發性的體全息光柵透鏡。
讀出過程用與記錄紅光強度相同的平行光束按原方向垂直照射體全息光柵透鏡，該平行光束在體全息光柵透鏡內由于滿足布拉格匹配條件而被衍射，形成會聚光束后，繼續傳播，聚焦到一點；在會聚焦點處，用與記錄球面波共軛的發散球面波照射體全息光柵透鏡，該發散光束在體全息光柵透鏡內由于滿足布拉格匹配條件而被衍射，形成的平行光束沿與記錄平行光束相反的方向出射。
權利要求
1.一種光折變平板透鏡，其特征在于它由光折變晶體平板及其內的體全息光柵透鏡構成，該光折變晶體平板是一種摻雜的鈮酸鋰長方形薄板，其幾何尺寸長a、寬b和厚c滿足關系a≥b＞c，而且厚度c遠大于入射光波的波長。
2.根據權利要求書1所述的光折變平板透鏡，其特征在于所述的摻雜的鈮酸鋰晶體為雙摻雜的鈮酸鋰晶體。
3.根據權利要求書1所述的光折變平板透鏡，其特征在于所述的體全息光柵透鏡是一種對入射平行光束產生橫向傳輸并聚焦的全息透鏡。
4.根據權利要求書1所述的光折變平板透鏡，其特征在于所述的體全息光柵透鏡是一種對入射點光源產生的發散光束產生橫傳的準直的全息透鏡。
5.根據權利要求書1所述的光折變平板透鏡，其特征在于所述的體全息光柵透鏡的形成過程如下①用均勻紫外光照射晶體；②在均勻紫外光繼續照射的同時，用空間干涉的調制雙紅光照射晶體；③關閉紫外光，只用一束紅光照射晶體，形成深能級中心的體全息光柵。
全文摘要
一種用于光束轉換的平板光學器件光折變平板透鏡，主要應用于激光通信、激光雷達、激光對抗等領域中的激光準直、激光發射、激光接收、激光掃描等。它由兩束空間相干光正交入射到光折變晶體平板內記錄產生光折變體全息光柵，即形成橫向傳播的體全息光柵透鏡，用紫外光進行局域全光固定。當光束照射到該體全息光柵透鏡上，在光折變晶體平板內可以對于輸入光束產生橫向傳輸并聚焦，或對輸入光點產生橫傳的準直。與在先技術相比，本發明采用有限體積光折變體全息方案，在一塊光折變晶體平板內可以實現光束的轉換。體積小，結構簡單可靠，抗干擾能力強，有良好的波長和視場選擇性，用途廣，衍射效率高。
文檔編號G02B3/00GK1431525SQ0311517
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月27日 優先權日2003年1月27日
發明者劉立人, 閻愛民, 劉德安, 欒竹, 周煜, 祖繼鋒 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所