一種寬帶角度選擇光學(xué)濾波器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光柵式寬帶角度選擇光學(xué)濾波器件，屬于激光光學(xué)系統(tǒng)器件技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)傳輸中，光濾波器用于從眾多的波長中挑選所需的波長，阻止除此波長以 外的光波，被廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)系統(tǒng)中。如激光傳輸中對各種空間干擾很敏感，各種干擾 進(jìn)入光學(xué)元件導(dǎo)致的衍射會降低激光的空間均勻性，從而使激光器系統(tǒng)的負(fù)載能力下降。 在成像光學(xué)系統(tǒng)中，采用空間光學(xué)濾波處理多色信號，能夠改善影像質(zhì)量，去除高頻噪聲與 干擾和增強(qiáng)影像邊緣。
[0003] 傳統(tǒng)的"4f"空間光學(xué)濾波系統(tǒng)主要由金屬針孔、凸透鏡和多維調(diào)節(jié)支架組成。光 束聚焦后通過針孔，利用透鏡的傅里葉變換作用來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，光路中的中高頻噪音因偏離光的正入射方向而不能通過針孔，達(dá)到濾 波效果，透鏡口徑?jīng)Q定光斑大小，金屬針孔直徑控制濾波程度，實(shí)現(xiàn)低通空間濾波作用。由 于"4f"系統(tǒng)需要真空室消除聚焦擊穿和需要大空間或非球面透鏡消除球差，因此造成整 個濾波器體積龐大；濾波器的小孔太小容易造成等離子堵孔效應(yīng)，因此對中高頻的濾除十 分困難，濾波性能較差；濾波器主要光學(xué)元件是透鏡，對于窄帶脈沖，透鏡元件的色差效應(yīng) 并不明顯，而對寬帶脈沖則不能忽視，對于自由空間線性傳輸，l〇nm量級帶寬的影響是有限 的，但透鏡等元件的色差較大，在系統(tǒng)設(shè)計時必須認(rèn)真考慮。
[0004] 在本發(fā)明做出之前，利用體全息光柵進(jìn)行激光空間濾波的最早報道在1995年， J.E.Ludman等人制作毫米厚度的提全息濾波器，角度選擇達(dá)1.Omrad，具有良好的空間 濾波效果（J.E.Ludman,J.Riccobono,N.Reinhand,etal. ,Nonspatialfilter forlaserbeams, 1995, 8_thLaserOpticsConference,June27 -July1,St. Petersburg,Russia.)。利用體全息器件進(jìn)行空間濾波，光束不需要聚焦、光束準(zhǔn)直性好、 結(jié)構(gòu)簡單和造價低，并且用兩塊體全息濾波器疊加可以實(shí)現(xiàn)二維空間濾波。但是，用于濾波 元件的全息介質(zhì)材料主要是孔隙玻璃光敏材料或光致聚合物感光材料等，穩(wěn)定性差、濾波 均勻性不理想，并且材料耐熱性不好，不能承受高功率激光照射。
[0005] 利用體布拉格光柵做窄帶濾波器已有報道，公開號為CN101614879的中國發(fā)明 專利"窄帶光濾波器"，涉及一種窄帶光濾波器，由一塊透射式體布拉格光柵和一塊反射式 體布拉格光柵組成；公開號為CN1 01738739A的中國發(fā)明專利"高功率激光衍射型空間濾 波器"，涉及一種高功率衍射型空間濾波器，采用了分離式體布拉格光柵或雙片集成式光柵 結(jié)構(gòu)。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)中，文獻(xiàn)"透射型體相位光柵對連續(xù)激光束的空間低通濾波"（鄭光威， 何焰藍(lán)等人，《光學(xué)學(xué)報》，2009年第4期透射型體光柵對超短脈沖高斯光束衍射特性研 宄"（鄭光威，劉莉等，《光學(xué)學(xué)報》，2009年第1期）；"用于實(shí)現(xiàn)空間濾波的體布拉格光柵的 制備"（鄭浩斌，何焰藍(lán)等人，《光電工程》，2009年第1期）報道了體布拉格光柵對激光的衍 射特性和用全息法在光致聚合物中記錄體布拉格光柵實(shí)現(xiàn)激光光束二維空間低通濾波，所 述的濾波器構(gòu)型滿足窄帶濾波的需求，不支持寬帶激光輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是，針對寬帶光學(xué)濾波現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具有大光學(xué) 帶寬、高激光功率承載和濾波能量效率高的特點(diǎn)，且制作簡便的新型寬帶角度選擇光學(xué)濾 波器系統(tǒng)及其制備方法。
[0008] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種寬帶角度選擇光學(xué)濾波 器，它的濾波系統(tǒng)包括對稱衍射級次分布的二元相位衍射光柵和與二元相位衍射光柵衍射 級次對應(yīng)的體布拉格光柵；其結(jié)構(gòu)為：沿平行入射的寬帶光的傳播方向，寬帶光先入射到 前端二元相位衍射光柵，經(jīng)對稱衍射級次分光后，分別進(jìn)入對應(yīng)級次分布的體布拉格光柵 中，再由體布拉格光柵進(jìn)行相應(yīng)的角度選擇后入射到后端二元相位衍射光柵，將經(jīng)濾波后 的寬帶光平行輸出；所述的前端和后端二元相位衍射光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，其光柵的形狀 為矩形柵條；所述的二元相位衍射光柵的衍射光級次從中心向兩側(cè)位置依次增加，所述的 體布拉格光柵按其光柵周期由低到高依次從中心向兩側(cè)放置，體布拉格光柵與二元相位衍 射光柵中心軸線呈對稱分布。
[0009] 本發(fā)明技術(shù)方案中所述的體布拉格光柵的個數(shù)與二元相位衍射光柵的非零衍射 級次數(shù)目衍射級次對應(yīng)，二元相位衍射光柵衍射級次為以下中的一種：± 1級，± 1級和± 2 級，±1級、±2級和±3級，±1級、±2級、±3級和更高正負(fù)級。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)選方案是：所述的二元相位衍射光柵的光柵周期為幾十納米?幾微 米，占空比為0. 1?0. 9,光柵厚度為幾十納米?幾微米；所述的體布拉格光柵的光柵周期 為幾十納米?幾微米，占空比為1:1，光柵厚度為1毫米?幾毫米。
[0011] 本發(fā)明技術(shù)方案還包括一種寬帶角度選擇光學(xué)濾波器的制備方法，具體步驟如 下： 1、 確定用于制備寬帶角度光學(xué)濾波器的入射光的波長、帶寬和目標(biāo)衍射效率； 2、 選定用于制備二元相位衍射光柵結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料和非零衍射級次數(shù)目； 3、 根據(jù)入射光的波長A和帶寬、目標(biāo)衍射效率，按式 Assiit8 = m^，其中，Aj為二兀相位衍射光柵的周期，A為入射光波長，m為二兀相位衍射 光柵的衍射光級次，m為±1?±4的正負(fù)整數(shù)，0為二元相位衍射光柵相應(yīng)級次的衍射 角，采用嚴(yán)格耦合波理論算法，得到二元相位衍射光柵的占空比和周期，及二元相位衍射光 柵的光柵層厚度； 4、 依據(jù)體布拉格光柵厚度參數(shù)和大于lOppm的折射率調(diào)制度，以及二元相位衍射光柵 的周期和非零衍射級次數(shù)目，得到需要匹配使用的體布拉格光柵的數(shù)目和對應(yīng)的周期； 5、 將步驟3得到的二元相位衍射光柵的占空比、周期和光柵層厚度參數(shù)，在光柵基底 上進(jìn)行矩形柵條制備，采用全息記錄、納米壓印、感應(yīng)耦合等離子刻蝕和聚焦離子束刻蝕的 方法得到二元相位衍射光柵； 6、 依據(jù)步驟4得到的體布拉格光柵的數(shù)目和對應(yīng)的周期和厚度參數(shù)，在硅酸鹽基光致 熱敏折射率玻璃上進(jìn)行光柵制備，采用直接干涉紫外曝光和光柵調(diào)制區(qū)域微晶化熱處理的 方法得到對應(yīng)的體布拉格光柵