一種寬帶角度選擇光學(xué)濾波器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型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，IOnm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] 在本實用新型做出之前，利用體全息光柵進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1.0 mrad,具有良好的空 間濾波效果（J· E. Ludman, J. Riccobono, N. Reinhand, et al. , Nonspatial filter for laser beams, 1995, 8_th Laser Optics Conference, June 27 - July I, St. Petersburg, Russia.)。利用體全息器件進行空間濾波，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CN 101614879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CNl 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"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 究"（鄭光威，劉莉等，《光學(xué)學(xué)報》，2009年第1期）；"用于實現(xiàn)空間濾波的體布拉格光柵的 制備"（鄭浩斌，何焰藍等人，《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] 本實用新型的目的是，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，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] 為達到上述目的，本實用新型所采用的技術(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兀相位衍射光柵和體布拉格光柵；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)一致，其光柵的形狀為矩形柵條，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 布拉格光柵與二兀相位衍射光柵中心軸線呈對稱分布。
[0009] 所述的前端和后端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。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)。
[0010] 本實用新型技術(shù)方案中，二元光柵是一種色散元件，在很寬光譜范圍內(nèi)具有很高 的色散分辨能力，并且二元光柵的對稱多級衍射能力，不同光譜成分總有對應(yīng)方向的衍射 光，并且衍射角對應(yīng)于波長值，大大的提高了衍射效率和能量利用率。體光柵選擇滿足布拉 格條件的入射光，抑制雜散光，只對固定波長條件下或窄帶光有用，具有很好的角度選擇特 性。因此，二元光柵和體光柵滿足匹配條件下，實現(xiàn)寬帶光空間濾波。在本實用新型中，二 元光柵的形狀是矩形的，材料是Si0 2、MgF2、ZnS、ZnO等透明光學(xué)介質(zhì)材料中的一種。
[0011] 現(xiàn)有的技術(shù)方案是采用閃耀光柵將無色散的〇級光譜轉(zhuǎn)移到較高級次上。閃耀光 柵的刻槽面與光柵面不平行，有一個夾角（閃耀角)，從而使得單個刻槽面衍射的中央極大 和各槽面間的干涉〇級主極大分開，轉(zhuǎn)移并集中到某一級光譜上，實現(xiàn)該級光譜的閃耀。優(yōu) 點是某1級的衍射效率高，特別是在其閃耀角的波長上，衍射效率最高能達到80%~90%。 缺點由于閃耀光柵的槽形特性，高衍射效率僅出現(xiàn)在閃耀波長附近，在它的其他衍射波段 內(nèi)，衍射效率分布極不均勻。
[0012] 本實用新型的原理是：寬帶角選擇光學(xué)濾波器中包含兩塊二元相位衍射光柵與 一塊體布拉格衍射光柵，當(dāng)平行入射光在光柵中傳播時，滿足一定結(jié)構(gòu)參數(shù)的光柵之間發(fā) 生高效衍射耦合，并且濾除不滿足衍射條件的雜散光實現(xiàn)空間濾波功能。兩塊二元相位 衍射光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)一致，一塊用于色散一塊用于補償色散，體布拉格光柵具有很高的角度 選擇特性。根據(jù)平行光入射二兀光柵的色散方程：= βΛ ;體光柵的布拉格條件： ZAuSine = λ ;其中Aii和Λν分別為二兀光柵和體光柵的周期，λ為傳輸光波長，m=±l， ±2, ±3,…，Θ為二兀光柵不同級次的衍射角，即體光柵的布拉格入射角，正負(fù)號表不衍射 的方向向上和向下，相同級次的衍射光具有相同的能量分布；當(dāng)滿足條件:As = 2mAv時， 即二元光柵周期為體光柵周期的2倍、4倍等偶次倍數(shù)時，正入射光束經(jīng)前端二元衍射光柵 后不同級衍射光束的波長成分衍射到不同的角度上，而這個角度正好滿足各波長光束入射 體光柵的布拉格條件，因而能夠被體光柵高效衍射。這一組合式發(fā)明結(jié)構(gòu)使得光柵衍射帶 寬不再受限于布拉格光柵的光譜選擇限制，從而具有很寬的輸出光譜，二元光柵的各級衍 射光對稱分布且非零級衍射光總能量利用率高，同時保留了布拉格光柵良好的角度選擇特 性，實現(xiàn)寬帶角度選擇濾波的功能。此外，前端二元相位光柵所引入的色散量可由后端二元 相位光柵完全補償，兩塊二兀相位光柵具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，輸出光束可與正入射光束保 持同軸同向傳輸，并且可以解決超短脈沖布拉格衍射所帶來的時空畸變。體光柵濾波結(jié)合 了傅里葉光學(xué)中空間頻率對應(yīng)不同發(fā)散角的概念，體光柵對入射光的布拉格角度選擇性對 應(yīng)衍射空域選擇性，將以"低階模偏轉(zhuǎn)、高階模透射"方式實現(xiàn)中高頻信號濾波功能。本實 用新型采用嚴(yán)格耦合波理論方法嚴(yán)格求解二元相位衍射光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作波長和各級 衍射效率的關(guān)系；采用Kogelnik耦合波理論方法精確求解體光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和布拉格衍 射效率的關(guān)系。通過設(shè)計二元光柵和體光柵的周期、厚度、占空比及材料的配比，控制入射 光的工作波長及譜寬，實現(xiàn)數(shù)納米~百納米任意寬帶光空間濾波輸出功能。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下顯著特點：
[0014] 1、本實用新型采用將二元相位衍射光柵與體布拉格光柵組合直接制作用于空間 光學(xué)濾波器的技術(shù)方案，實現(xiàn)了寬帶光輸入濾波的效果，與傳統(tǒng)的"4f"空間濾波器相比，具 有結(jié)構(gòu)簡單和濾波一致性好的優(yōu)點，并且光束傳輸口徑由二元相位衍射光柵以及多個體光 柵器件并聯(lián)使用，容易滿足大口徑光束和高衍射效率傳輸需求。
[0015] 2、本實用新型采用的二元相位衍射光柵和體布拉格光柵聯(lián)合結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)光柵 層的周期、厚度和占空比得到濾波峰值位置和帶寬任意可調(diào)的光譜分布，光譜帶寬從幾納 米到上百納米，峰值位置在可見光到近紅外波長覆蓋的任意位置。
[0016] 3、本實用新型采用的寬帶角度選擇光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)均采用光學(xué)介質(zhì)材料制作，特 別是采用光敏折射率玻璃制作光柵，是一種物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的位相記錄介質(zhì)，具有與 可見光或近紅外波長很好匹配的光譜選擇性和激光損傷閾值高的特點，極大提高激光系統(tǒng) 的光學(xué)承載能力，并且器件結(jié)構(gòu)簡單易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本實用新型實施例提供的一種寬帶角度選擇光學(xué)濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖面示 意圖；
[0018] 圖2是本實用新型實施例1提供的二元相位衍射光柵的入射光波長為750nm~ 850nm范圍內(nèi)的透過率光譜分布曲線圖；
[0019] 圖3是本實用新型實施例1提供的體布拉格光柵的透射光譜角選擇和光譜選擇分 布曲線圖；
[0020] 圖4是本實用新型實施例1提供的體布拉格光柵的入射光波長為750nm~850nm 范圍內(nèi)的透射光衍射效率分布曲線圖。
[0021] 圖5是本實施例1提供的寬帶角選擇濾波系統(tǒng)的入射光波長為750nm~850nm范 圍內(nèi)的透射光衍射效率分布曲線圖。
[0022] 圖6是本實用新型實施例提供的寬帶濾波器系統(tǒng)中衍射光柵出現(xiàn)0和± 1級衍射 光透過率的變化曲線圖；
[0023] 圖7是本實用新型實施例提供的寬帶濾波器系統(tǒng)中衍射光柵出現(xiàn)0, ± 1和±2級 衍射光透過率的變化曲線圖；
[0024] 圖8是本實用新型實施例提供的寬帶濾波器系統(tǒng)中衍射光出現(xiàn)0, ±1，±2和±3 級衍射光透過率的變化曲線圖；
[0025] 在圖1中，11、前端二元相位衍射光柵；12、后端二元衍射光柵；21a和21b、±1級 衍射對應(yīng)的體光柵；22a和22b、±2級衍射對應(yīng)的體光柵；23a和23b、±3級衍射對應(yīng)的體 光柵；24a和24b、更高級次衍射對應(yīng)的體光柵；3、入射光；4、衍射光；5、輸出光。
【具體實施方式】
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