二維角度選擇激光濾波器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種二維角度選擇激光濾波器，包括用于對入射光進行第一次衍射的第一體布拉格光柵以及對從所述第一體布拉格光柵出射的衍射光進行第二次衍射的第二體布拉格光柵，所述第一體布拉格光柵與第二體布拉格光柵的光柵矢量相互正交。本實用新型的二維角度選擇激光濾波器根本不同于使用透鏡和針孔的傳統空間濾波器，直接在激光傳輸近場實現高質量的空間濾波；結構緊湊；實現對各光譜成分優秀的低通濾波能力；可承載的激光功率較高。
【專利說明】二維角度選擇激光濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光學濾波【技術領域】，特別是涉及一種兼具角度選擇濾波能力和低頻損耗率的二維角度選擇激光濾波器。
【背景技術】
[0002]先進激光裝置的總體設計及建設過程中的諸多邊界條件直接限制了其輸出能力。其一，先進激光裝置的“功率受限條件”;其二，先進激光裝置的能量受限條件，即裝置在長脈沖(> 3ns)工作條件下的光學元件的損傷閾值。一個實際光束的光強分布不可能是完全均勻和光滑的，總是或多或少地帶有無規則的調制和起伏。通常在光束總體發生自聚焦之前，由于在這些調制和起伏處各自形成了一些小的自感應透鏡，這些調制和起伏使光束發生了局部的自聚焦，這種小尺度自聚焦(Small-scale self-focusing)的對裝置的危害程度遠大于整體光束的自聚焦，并造成光束分裂、導致介質的光束成絲、光譜超加寬等效應。
[0003]在先進激光裝置中，空間濾波器是必不可少的關鍵器件。基于傅里葉變換原理的傳統空間濾波器(“4f”系統)是最常用的濾波器。它首先對光束聚焦，利用透鏡的傅里葉變換作用分開激光中不同的空間頻率成分，空間頻率高的發散角大，然后利用針孔(或單模光纖)選取所需的角譜分量，去除有害光噪音。聚焦光斑大小由透鏡焦距、入射光波長口徑、波長以及發散角決定，針孔直徑控制濾波的程度，實現低通空間濾波。但是，傳統空間濾波器在先進激光裝置中的應用中具有極大的局限性:除了準直困難，造價高昂外，高功率激光聚焦可能會產生“堵孔效用”甚至損壞并產生一個新的針孔，在外光路中亦可使空氣電離，影響光束質量，甚至破壞激光系統；還有聚焦后非線性效應的增長等。
[0004]針對下一代先進激光裝置，擬采用全新的光束傳輸控制技術取代傳統的空間濾波技術。體布拉格光柵由于其具有優秀的角度和光譜選擇性，對光束傳輸和空間濾波技術具有革命性的意義。基于體布拉格光柵的二維角度選擇激光濾波技術不同于傳統的空間濾波技術，由于直接在強激光束近場實施空間濾波，省去了聚焦過程，因此傳統空間濾波的諸多固有缺陷得到根本解決。同時可以有效地消除中高頻調制對光束的影響、降低傳統空間濾波器的截止頻率和低頻損耗率，有效控制放大自發輻射的傳輸以及激光的近場光束分布，極大地提高系統的可靠性，降低裝置的體積和成本，是當今先進激光技術發展的主要單元技術之一，對于促進先進激光技術的發展具有重要的意義。
[0005]國內可見一種體全息光柵整形裝置，其用途是對超短脈沖激光束進行整形(中國專利200610024096.0);可見一種窄帶光濾波器，由一塊透射式體布拉格光柵和一塊反射式體布拉格光柵組合而成的公開專利報道(中國專利200910089834.3)，獲得皮米量級激光輸出；可見一種高功率激光衍射型空間濾波器，使用了分離式體積布拉格光柵或雙片集成式光柵的公開專利報道(中國專利200910312157.7)。可見一種超短脈沖激光濾波裝置，由同光軸依次設置的第一 1/4波片、第一正透鏡、小孔光闌、非線性正色散透明固體材料、第二正透鏡、第二 1/4波片和檢偏器構成，所述非線性正色散透明固體材料為BK7玻璃的公開專利報道(中國專利200710038661.3)。可見國防科技大學光電科學與工程學院鄭光威等人發表的公開文獻報道(鄭光威，何焰藍等，“透射型體相位光柵對連續激光束的空間低通濾波”，《光學學報》，2009年29卷第4期；鄭光威，劉莉等，“透射型體光柵對超短脈沖高斯光束衍射特性研究”，《光學學報》，2009年29卷第I期；鄭光威，譚吉春等，“反射型體光柵對超短脈沖高斯光束衍射特性分析”，《光學學報》，2009年第12期)研究了體相位光柵對激光的衍射特性，這與應用體光柵制作成濾波器有關聯性；可見用于實現空間濾波的體布拉格光柵的制備，用全息法在光致聚合物中記錄了體布拉格光柵，完成了激光光束二維空間低通濾波的實驗的公開文獻報道(鄭浩斌，何焰藍等，“用于實現空間濾波的體布拉格光柵的制備”，《光電工程》，2009年第I期)。
[0006]因此，針對上述技術問題，有必要提供一種二維角度選擇激光濾波器。
實用新型內容
[0007]有鑒于此，本實用新型的目的是針對現有的傳統空間濾波器截止頻率難以降低，易發生堵孔效應、反饋以及光路偏移等局限性，提供一種兼具低截止頻率和低頻損耗率的二維角度選擇激光濾波器，在光束近場直接實現高質量的空間濾波。
[0008]為了實現上述目的，本實用新型實施例提供的技術方案如下:
[0009]一種二維角度選擇激光濾波器，所述二維角度選擇激光濾波器包括用于對入射光進行第一次衍射的第一體布拉格光柵以及對從所述第一體布拉格光柵出射的衍射光進行第二次衍射的第二體布拉格光柵，所述第一體布拉格光柵與第二體布拉格光柵的光柵矢量相互正交。
[0010]作為本實用新型的進一步改進，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵均為透射型光柵，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵為位相型體布拉格光柵。
[0011]作為本實用新型的進一步改進，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵為均勻周期體光柵。
[0012]作為本實用新型的進一步改進，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵為雙塊組合式透射型位體布拉格光柵。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵均由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，所述兩塊子體光柵的光柵厚度或周期不同。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，所述兩塊子體光柵的光柵厚度或周期相同。
[0016]本實用新型具有以下有益效果:
[0017]1、本實用新型使用體布拉格光柵的良好的角度選擇性，在強激光傳輸近場直接實現空間濾波，從根本上解決了傳統空間濾波器“堵孔效應”、光路偏移等固有局限性；
[0018]2、本實用新型中，體布拉格光柵的角度選擇性可通過選擇光柵參數(厚度，周期，光柵矢量傾斜角和光柵折射率調制度)精確控制，意味著相比于傳統空間濾波器可以獲得更低的截止頻率，提高濾波能力。針對不同的目標波長，截止頻率小于Imm1 ；
[0019]3、本實用新型中米用的體布拉格光柵峰值衍射效率大于98 %,對目標光束中的低頻成分損耗小，相比于傳統空間濾波器，可有效降低頻損耗率。
[0020]4、本實用新型中采用光致熱敏折射率玻璃制備的體布拉格光柵熱穩定性好，對可見光至近紅外波段的高透過率，可承載的激光功率較高，光柵器件損傷閾值大于20J/cm2 (5-10ns)；
[0021]5、在本實用新型的二維角度選擇激光濾波器相比于傳統空間濾波器結構簡單、緊湊，準直方便，低成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本實用新型一具體實施例中二維角度選擇激光濾波器的結構示意圖；
[0024]圖2為二維角度選擇激光濾波器的濾波前后光束近場剖面曲線(光束中空間調制為 2mm 1, 4mm 1, 6mm 1......)；
[0025]圖3為二維角度選擇激光濾波器的濾波前后光束的PSD曲線(光束中空間調制為2mm 1, 4mm 1, 6mm 1......)；
[0026]圖4為二維角度選擇激光濾波器的濾波前后光束的PSD曲線(光束中空間調制為3mm \ 6mm S 9mm 1......)；
[0027]圖5為體布拉格光柵內的光波矢量關系示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本實用新型保護的范圍。
[0029]本實用新型提供了一種通過體布拉格光柵優秀的角度選擇特性，構成在激光傳輸近場實現空間濾波的二維角度選擇激光濾波器。本實用新型二維角度選擇激光濾波器，有效解決了傳統空間濾波器的諸多固有限制，同時突破了傳統空間濾波器小孔對截止頻率和低頻損耗率的限制，結構簡單，效率高。
[0030]在圖1所示的本實用新型的二維角度選擇激光濾波器的實施例的結構示意圖中，二維角度選擇激光濾波器包括第一體布拉格光柵I和第二體布拉格光柵2。第一體布拉格光柵I用于對入射光X方向進行第一次角度選擇濾波；第二體布拉格光柵2用于對入射光y方向進行第二次角度選擇濾波，第一體布拉格光柵與第二體布拉格光柵的光柵矢量相互正交。
[0031]優選地，體布拉格光柵為透射型光柵，且為位相型體布拉格光柵。體布拉格光柵為均勻周期體光柵。體布拉格光柵為雙塊組合式透射型位體布拉格光柵，由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成，兩塊子體光柵的光柵厚度或周期可以不同，光柵厚度或周期也可以相同。
[0032]體布拉格光柵均由光致熱敏折射率玻璃制備而成，光致熱敏折射率玻璃為摻雜有鈰、銀以及氟的硅酸鹽玻璃。
[0033]第一體布拉格光柵1、第二體布拉格光柵2用作角度選擇濾波元件具有優秀的角度、波長選擇特性以及高的衍射效率，被認為是理想的光譜和角度選擇器件，具有很高的可調性。入射角、衍射角、中心波長、角度(光譜)選擇性等參數，可以通過改變光柵厚度、折射率調制度、光柵周期、光柵矢量傾斜角等光柵結構參數來調節。第一體布拉格光柵1、第二體布拉格光柵2優秀的光學性能主要表現在:
[0034](I)角度選擇達0.1~IOmrad (透射型)，或10~IOOmrad (反射型);
[0035](2)光譜選擇性達0.3~2Onm (透射型)，或0.01~IOnm (反射型)；
[0036](3)衍射效率高，633nm到1550nm范圍可達99% (透射型)或97% (反射型)；
[0037](4)損傷閾值高，對于Ins的YAG激光，損傷閾值可以達到7~10J/cm2，對于8~IOns的激光可達30~40J/cm2 ；
[0038](5)損耗小,光柵損耗小于2.5%。
[0039]傳統空間濾波器由于聚焦透鏡面型、入射光發散角以及近場均勻性的限，難以獲得足夠理想的聚焦光斑，聚焦光斑普遍存在相當數量的裙邊區域。在先進激光裝置領域，裙邊區域同樣具有足夠高的功率，當其與小孔邊緣相互作用時產生的等離子體，會使得空間濾波器發生“堵孔效應”與反饋回射，同時會提高空間濾波器的低頻損耗率，對整個激光系統造成極大的危害。通常為了抑制所述現象的產生，空間濾波器的小孔直徑取值較大，這使得無法獲得理想的截止頻率，降低空間濾波器的濾波能力。
[0040]體布拉格光柵角度濾波的原理:體布拉格光柵具有極好的角度選擇性。當入射角偏離布拉格條件時，體 布拉格光柵衍射效率迅速降低。正是由于這一特性，體布拉格光柵是角選擇濾波技術中的關鍵元件。根據傅里葉光學，任意分布光束可展開為無數個不同傳播方向的平面波的疊加。由于體布拉格光柵具有良好的角度敏感性和選擇性，因此光束中不同的空間頻率成分經過體布拉格光柵之后的衍射特性不同。中高頻成分發散角偏離布拉格角大，幾乎不能被體布拉格光柵衍射，因此在衍射光束中中高頻成分基本被濾除。
[0041]詳細分析如下:
[0042]由Kogelnik的耦合波理論，有吸收的位相型體布拉格光柵的衍射效率為:
[0043]
【權利要求】
1.一種二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述二維角度選擇激光濾波器包括用于對入射光進行第一次衍射的第一體布拉格光柵以及對從所述第一體布拉格光柵出射的衍射光進行第二次衍射的第二體布拉格光柵，所述第一體布拉格光柵與第二體布拉格光柵的光柵矢量相互正交。
2.根據權利要求1所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵均為透射型光柵，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵為位相型體布拉格光柵。
3.根據權利要求1所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵為均勻周期體光柵。
4.根據權利要求1所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵為雙塊組合式透射型位體布拉格光柵。
5.根據權利要求4所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述第一體布拉格光柵、第二體布拉格光柵均由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成。
6.根據權利要求5所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述兩塊子體光柵的光柵厚度或周期不同。
7.根據權利要求5所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述兩塊子體光柵的光柵厚度或周期相同。
【文檔編號】G02B5/18GK203799128SQ201320775271
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】袁孝, 張翔, 鄒快盛, 封建勝, 熊寶星 申請人:蘇州大學