二維角度選擇激光濾波器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種二維角度選擇激光濾波器，包括用于對(duì)入射光進(jìn)行第一次衍射的第一體布拉格光柵以及對(duì)從所述第一體布拉格光柵出射的衍射光進(jìn)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(shí)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(tǒng)空間濾波器，直接在激光傳輸近場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的空間濾波；結(jié)構(gòu)緊湊；實(shí)現(xiàn)對(duì)各光譜成分優(yōu)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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)濾波【技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]先進(jìn)激光裝置的總體設(shè)計(jì)及建設(shè)過程中的諸多邊界條件直接限制了其輸出能力。其一，先進(jìn)激光裝置的“功率受限條件”;其二，先進(jìn)激光裝置的能量受限條件，即裝置在長(zhǎng)脈沖(> 3ns)工作條件下的光學(xué)元件的損傷閾值。一個(gè)實(shí)際光束的光強(qiáng)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(guī)則的調(diào)制和起伏。通常在光束總體發(fā)生自聚焦之前，由于在這些調(diào)制和起伏處各自形成了一些小的自感應(yīng)透鏡，這些調(diào)制和起伏使光束發(fā)生了局部的自聚焦，這種小尺度自聚焦(Small-scale self-focusing)的對(duì)裝置的危害程度遠(yuǎn)大于整體光束的自聚焦，并造成光束分裂、導(dǎo)致介質(zhì)的光束成絲、光譜超加寬等效應(yīng)。
[0003]在先進(jìn)激光裝置中，空間濾波器是必不可少的關(guān)鍵器件。基于傅里葉變換原理的傳統(tǒng)空間濾波器(“4f”系統(tǒng))是最常用的濾波器。它首先對(duì)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(fā)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(zhǎng)口徑、波長(zhǎng)以及發(fā)散角決定，針孔直徑控制濾波的程度，實(shí)現(xiàn)低通空間濾波。但是，傳統(tǒng)空間濾波器在先進(jìn)激光裝置中的應(yīng)用中具有極大的局限性:除了準(zhǔn)直困難，造價(jià)高昂外，高功率激光聚焦可能會(huì)產(chǎn)生“堵孔效用”甚至損壞并產(chǎn)生一個(gè)新的針孔，在外光路中亦可使空氣電離，影響光束質(zhì)量，甚至破壞激光系統(tǒng)；還有聚焦后非線性效應(yīng)的增長(zhǎng)等。
[0004]針對(duì)下一代先進(jìn)激光裝置，擬采用全新的光束傳輸控制技術(shù)取代傳統(tǒng)的空間濾波技術(shù)。體布拉格光柵由于其具有優(yōu)秀的角度和光譜選擇性，對(duì)光束傳輸和空間濾波技術(shù)具有革命性的意義?；隗w布拉格光柵的二維角度選擇激光濾波技術(shù)不同于傳統(tǒng)的空間濾波技術(shù)，由于直接在強(qiáng)激光束近場(chǎng)實(shí)施空間濾波，省去了聚焦過程，因此傳統(tǒng)空間濾波的諸多固有缺陷得到根本解決。同時(shí)可以有效地消除中高頻調(diào)制對(duì)光束的影響、降低傳統(tǒng)空間濾波器的截止頻率和低頻損耗率，有效控制放大自發(fā)輻射的傳輸以及激光的近場(chǎng)光束分布，極大地提高系統(tǒng)的可靠性，降低裝置的體積和成本，是當(dāng)今先進(jìn)激光技術(shù)發(fā)展的主要單元技術(shù)之一，對(duì)于促進(jìn)先進(jìn)激光技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
[0005]國內(nèi)可見一種體全息光柵整形裝置，其用途是對(duì)超短脈沖激光束進(jìn)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(bào)道(中國專利200910089834.3)，獲得皮米量級(jí)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(bào)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(shè)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(gòu)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(bào)道(中國專利200710038661.3)。可見國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院鄭光威等人發(fā)表的公開文獻(xiàn)報(bào)道(鄭光威，何焰藍(lán)等，“透射型體相位光柵對(duì)連續(xù)激光束的空間低通濾波”，《光學(xué)學(xué)報(bào)》，2009年29卷第4期；鄭光威，劉莉等，“透射型體光柵對(duì)超短脈沖高斯光束衍射特性研究”，《光學(xué)學(xué)報(bào)》，2009年29卷第I期；鄭光威，譚吉春等，“反射型體光柵對(duì)超短脈沖高斯光束衍射特性分析”，《光學(xué)學(xué)報(bào)》，2009年第12期)研究了體相位光柵對(duì)激光的衍射特性，這與應(yīng)用體光柵制作成濾波器有關(guān)聯(lián)性；可見用于實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)的公開文獻(xiàn)報(bào)道(鄭浩斌，何焰藍(lán)等，“用于實(shí)現(xiàn)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(duì)上述技術(shù)問題，有必要提供一種二維角度選擇激光濾波器。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]有鑒于此，本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)空間濾波器截止頻率難以降低，易發(fā)生堵孔效應(yīng)、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(chǎng)直接實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的空間濾波。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的技術(shù)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(duì)入射光進(jìn)行第一次衍射的第一體布拉格光柵以及對(duì)從所述第一體布拉格光柵出射的衍射光進(jìn)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(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，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(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，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(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，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(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，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(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述兩塊子體光柵的光柵厚度或周期不同。
[0015]作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述兩塊子體光柵的光柵厚度或周期相同。
[0016]本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0017]1、本實(shí)用新型使用體布拉格光柵的良好的角度選擇性，在強(qiáng)激光傳輸近場(chǎng)直接實(shí)現(xiàn)空間濾波，從根本上解決了傳統(tǒng)空間濾波器“堵孔效應(yīng)”、光路偏移等固有局限性；
[0018]2、本實(shí)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(shù)(厚度，周期，光柵矢量?jī)A斜角和光柵折射率調(diào)制度)精確控制，意味著相比于傳統(tǒng)空間濾波器可以獲得更低的截止頻率，提高濾波能力。針對(duì)不同的目標(biāo)波長(zhǎng)，截止頻率小于Imm1 ；
[0019]3、本實(shí)用新型中米用的體布拉格光柵峰值衍射效率大于98 %,對(duì)目標(biāo)光束中的低頻成分損耗小，相比于傳統(tǒng)空間濾波器，可有效降低頻損耗率。
[0020]4、本實(shí)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(wěn)定性好，對(duì)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(shí)用新型的二維角度選擇激光濾波器相比于傳統(tǒng)空間濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，準(zhǔn)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(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本實(shí)用新型一具體實(shí)施例中二維角度選擇激光濾波器的結(jié)構(gòu)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(chǎng)剖面曲線(光束中空間調(diào)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(diào)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(diào)制為3mm \ 6mm S 9mm 1......)；
[0027]圖5為體布拉格光柵內(nèi)的光波矢量關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0029]本實(shí)用新型提供了一種通過體布拉格光柵優(yōu)秀的角度選擇特性，構(gòu)成在激光傳輸近場(chǎng)實(shí)現(xiàn)空間濾波的二維角度選擇激光濾波器。本實(shí)用新型二維角度選擇激光濾波器，有效解決了傳統(tǒng)空間濾波器的諸多固有限制，同時(shí)突破了傳統(tǒng)空間濾波器小孔對(duì)截止頻率和低頻損耗率的限制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。
[0030]在圖1所示的本實(shí)用新型的二維角度選擇激光濾波器的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)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(duì)入射光X方向進(jìn)行第一次角度選擇濾波；第二體布拉格光柵2用于對(duì)入射光y方向進(jìn)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(yōu)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(yōu)秀的角度、波長(zhǎng)選擇特性以及高的衍射效率，被認(rèn)為是理想的光譜和角度選擇器件，具有很高的可調(diào)性。入射角、衍射角、中心波長(zhǎng)、角度(光譜)選擇性等參數(shù)，可以通過改變光柵厚度、折射率調(diào)制度、光柵周期、光柵矢量?jī)A斜角等光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)。第一體布拉格光柵1、第二體布拉格光柵2優(yōu)秀的光學(xué)性能主要表現(xiàn)在:
[0034](I)角度選擇達(dá)0.1~IOmrad (透射型)，或10~IOOmrad (反射型);
[0035](2)光譜選擇性達(dá)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(dá)99% (透射型)或97% (反射型)；
[0037](4)損傷閾值高，對(duì)于Ins的YAG激光，損傷閾值可以達(dá)到7~10J/cm2，對(duì)于8~IOns的激光可達(dá)30~40J/cm2 ；
[0038](5)損耗小,光柵損耗小于2.5%。
[0039]傳統(tǒng)空間濾波器由于聚焦透鏡面型、入射光發(fā)散角以及近場(chǎng)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(dāng)數(shù)量的裙邊區(qū)域。在先進(jìn)激光裝置領(lǐng)域，裙邊區(qū)域同樣具有足夠高的功率，當(dāng)其與小孔邊緣相互作用時(shí)產(chǎn)生的等離子體，會(huì)使得空間濾波器發(fā)生“堵孔效應(yīng)”與反饋回射，同時(shí)會(huì)提高空間濾波器的低頻損耗率，對(duì)整個(gè)激光系統(tǒng)造成極大的危害。通常為了抑制所述現(xiàn)象的產(chǎn)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(dāng)入射角偏離布拉格條件時(shí)，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(shù)中的關(guān)鍵元件。根據(jù)傅里葉光學(xué)，任意分布光束可展開為無數(shù)個(gè)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(jīng)過體布拉格光柵之后的衍射特性不同。中高頻成分發(fā)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(xì)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(quán)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(duì)入射光進(jìn)行第一次衍射的第一體布拉格光柵以及對(duì)從所述第一體布拉格光柵出射的衍射光進(jìn)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(hào)】G02B5/18GK203799128SQ201320775271
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】袁孝, 張翔, 鄒快盛, 封建勝, 熊寶星 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)