專利名稱：光折變平板透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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(dá)、激光對抗、微小化衛(wèi)星等信息光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光在空間應(yīng)用，如激光通信、激光雷達(dá)、激光對抗、微小化衛(wèi)星中，光學(xué)透鏡系統(tǒng)是一種關(guān)鍵器件。透鏡系統(tǒng)主要用于激光準(zhǔn)直、激光發(fā)射、激光接收、激光掃描等。傳統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)主要采用球面或者非球面透鏡來實(shí)現(xiàn)，有的也使用比較先進(jìn)的二元光學(xué)衍射器件。但是透鏡的聚焦或準(zhǔn)直作用必定需要一段衍射傳播距離(體積)才能實(shí)現(xiàn)，因此這類傳統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)都占據(jù)了一個很大的立體空間，并且在激光總體應(yīng)用系統(tǒng)中的尺寸最大。此外，傳統(tǒng)透鏡的光學(xué)玻璃的比重很高，那么透鏡的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的重量也很大，這些在空間應(yīng)用中是非常不利的因素。因此，有效減小透鏡系統(tǒng)的體積、重量等是激光應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢。平板透鏡技術(shù)是對傳統(tǒng)光學(xué)的一項(xiàng)技術(shù)革新，平板透鏡器件可以對輸入光束產(chǎn)生橫向傳輸并聚焦，或?qū)斎牍恻c(diǎn)產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直，從而能大大地減小整個系統(tǒng)的體積。平板透鏡器件主要是采用光致折射率變化的全息記錄方法產(chǎn)生的。
在先技術(shù)[1](參見G.Hatakoshi，H.Fujima and K.Goto，Appl.Opt.，23(11)，1984，pp.1794-1753，Waveguide grating lenses for optical couplers)中所描述的是波導(dǎo)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(dǎo)表面形成光柵透鏡，該光柵透鏡可以對波導(dǎo)內(nèi)的光束進(jìn)行衍射，形成只進(jìn)入襯底的球面波，然后折射到空氣中聚焦到一點(diǎn)。這種光柵透鏡只對波導(dǎo)內(nèi)傳播的一定模式的導(dǎo)波光進(jìn)行光束轉(zhuǎn)換，在波導(dǎo)表面的厚度很小，只能達(dá)到微米量級，波長的選擇性和光柵透鏡的復(fù)用性差。而且透鏡和傳播基質(zhì)(襯底)不是同種介質(zhì)，穩(wěn)定性和可靠性差。另外，波導(dǎo)衍射器件的應(yīng)用面積增大時(shí)，衍射效率會變得很低。
在先技術(shù)[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(guān)于光折變材料的輸運(yùn)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(zhuǎn)換光束方向、對入射光束可以進(jìn)行反射離軸聚焦的三維光學(xué)元件。事實(shí)上，它與傳統(tǒng)透鏡工作方式差別不大，整個光束系統(tǒng)占用的空間體積大，不易于微小化集成。
在先技術(shù)[3](參見S.M.Schultz，E. N.Glytsis and T.K.Gaylord，Appl.Opt.39(8)，pp.1223-1232，Design，fabrication，and performance ofpreferential-order volume gratingwaveguide couplers)中所描述的是轉(zhuǎn)換光束方向用的體光柵波導(dǎo)耦合器。它是由兩光束借助棱鏡和柱透鏡入射到波導(dǎo)表面，在波導(dǎo)層內(nèi)相互干涉形成具有傾斜條紋和變波矢量的體光柵，當(dāng)導(dǎo)波光入射到體光柵上時(shí)，變波矢量的體光柵將導(dǎo)波光衍射，不同角度的衍射光會聚到一點(diǎn)。通過改變體光柵形成時(shí)的波矢量的變化行為，可以實(shí)現(xiàn)不同焦距的體光柵波導(dǎo)耦合器。但該體光柵只對限制在波導(dǎo)內(nèi)傳播的導(dǎo)波光進(jìn)行衍射，衍射效率低。而且這種變波矢量的體光柵形成時(shí)的精確控制比較難，所以獲得低像差的會聚焦點(diǎn)很難。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種光折變平板透鏡，是一種體積小，結(jié)構(gòu)簡單可靠，抗干擾能力強(qiáng)，衍射效率高，具有良好的波長和視場選擇性的透鏡。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種光折變平板光學(xué)透鏡，其特征在于它由光折變晶體平板和體全息光柵透鏡兩部分構(gòu)成，該光折變晶體平板是一種摻雜鈮酸鋰長方形的薄板，其幾何尺寸長a、寬b和厚c滿足關(guān)系a≥b＞c，而且厚度c遠(yuǎn)大于入射光波的波長。
所述的鈮酸鋰晶體為雙摻雜的鈮酸鋰晶體。
所述的體全息光柵透鏡是一種對入射平行光束產(chǎn)生橫向傳輸并聚焦的全息透鏡。
所述的體全息光柵透鏡是一種對入射點(diǎn)光源產(chǎn)生的發(fā)散光束產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直的全息透鏡。
下面對本實(shí)用新型的工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本實(shí)用新型是利用有限體積光折變體全息原理，在光折變晶體平板內(nèi)可以對輸入光束產(chǎn)生橫向傳輸并聚集，或?qū)斎牍恻c(diǎn)產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直。
本實(shí)用新型光折變平板光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)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(yuǎn)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(qiáng)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(zhì)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LiNbO3:Fe:Mn，LiNbO3:Ce:Mn，LiNbO3:Ce:Cu，LiNbO3:Fe:Cu等雙摻雜的LiNbO3晶體。該類晶體內(nèi)載流子的產(chǎn)生由雙中心帶輸運(yùn)模型來描述。
在光折變晶體平板內(nèi)記錄體全息光柵是利用晶體的光折變效應(yīng)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(yùn)模型下發(fā)生光折變效應(yīng)的過程為電光晶體內(nèi)的雜質(zhì)、空位或缺陷充當(dāng)電荷的施主或受主，當(dāng)晶體在光輻照下，光激發(fā)電荷進(jìn)入鄰近的能帶；光激發(fā)載流子在帶中或因濃度梯度擴(kuò)散，或在電場作用下漂移，或由光生伏打效應(yīng)而運(yùn)動；遷移的電荷可以被受主重新俘獲，經(jīng)過再激發(fā)，再遷移，再俘獲，最后離別了光照區(qū)而定居于暗光區(qū)；這些就形成了與光強(qiáng)空間調(diào)制分布相對應(yīng)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(yīng)形成折射率在空間的周期性變化，或者說在晶體內(nèi)寫入體全息相位柵。
對于雙摻雜的LiNbO3晶體，載流子的輸運(yùn)機(jī)制由兩中心帶輸運(yùn)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 holograms in doublydoped lithium niobate crystals)。圖1所示為本實(shí)用新型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(zhì)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(shí)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(fā)淺能級施主中的電子，紫外光能同時(shí)激發(fā)深能級和淺能級中心的電子，從而可以有效實(shí)現(xiàn)電子從淺能級中心向深能級中心的轉(zhuǎn)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(jié)合圖1說明如下①用均勻紫外光照射晶體，使電子通過導(dǎo)帶從深能級中心激發(fā)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(xù)照射的同時(shí)用空間干涉的調(diào)制雙紅光照射晶體，紅光的周期性干涉光強(qiáng)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(jìn)而通過線性電光效應(yīng)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(guān)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(dāng)用紅光在進(jìn)行讀出時(shí)，深能級中心的體全息光柵不會被擦除，從而實(shí)現(xiàn)了光折變晶體體全息光柵的非揮發(fā)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(chǎn)生橫向傳輸并聚焦，也可以使點(diǎn)光源產(chǎn)生的發(fā)散光束經(jīng)衍射平行射出即產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直。體全息光柵透鏡的讀出過程結(jié)合圖2和圖3說明如下當(dāng)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(nèi)傳播并聚焦到一點(diǎn)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(diǎn)發(fā)射的發(fā)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(fā)散傳播。
與在先技術(shù)相比在先技術(shù)[1]的波導(dǎo)光柵衍射透鏡中，光柵的厚度小，波長選擇性和光柵的復(fù)用性差，只對在波導(dǎo)內(nèi)傳播的導(dǎo)波光進(jìn)行光束轉(zhuǎn)換，透鏡和傳播基質(zhì)(襯底)不是同種介質(zhì)，穩(wěn)定可靠性差，而且波導(dǎo)衍射器件的應(yīng)用面積增大時(shí)衍射效率低。在先技術(shù)[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(tǒng)占用的空間體積大，和傳統(tǒng)透鏡系統(tǒng)的工作原理差別不大，不易于微小化集成。在先技術(shù)[3]是體光柵波導(dǎo)耦合器，通過變波矢量的體光柵衍射實(shí)現(xiàn)光束的會聚。這種體光柵波導(dǎo)耦合器只對空間光激勵的導(dǎo)波光發(fā)生衍射，形成時(shí)波矢量變化行為的精確控制難，會聚焦點(diǎn)的像差大。本實(shí)用新型如上述結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對于輸入的自由空間的光束產(chǎn)生橫向傳輸并聚焦，或?qū)斎牍恻c(diǎn)產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直。與在先技術(shù)相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是
(1)體積小、重量輕，厚度可以達(dá)到1毫米，因此比統(tǒng)透鏡系統(tǒng)體積能夠縮小至百分之一左右，而且透鏡和傳播基質(zhì)為同種介質(zhì)的光折變晶體平板，穩(wěn)定可靠，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)；(2)光折變晶體平板內(nèi)可以通過光折變效應(yīng)記錄若干個分立的局域體全息，通過衍射光的互聯(lián)在單片晶體內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)多種功能器件組合的微小化三維光學(xué)集成系統(tǒng)；(3)體全息光柵透鏡對衍射效應(yīng)的利用可以產(chǎn)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(jìn)行像差補(bǔ)償，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)特殊的波面轉(zhuǎn)換，可以制成多功能的光學(xué)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(xué)等效應(yīng)，使用電光效應(yīng)或者其他各種可控制的效應(yīng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電光掃描或電光調(diào)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(zhì)，對記錄在其中的體全息光柵來講具備嚴(yán)格的布拉格選擇條件，當(dāng)光折變?nèi)⒆x出時(shí)，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(nèi)記錄許多全息，可以實(shí)現(xiàn)體全息復(fù)用和海量存儲。


圖1為本實(shí)用新型光折變平板透鏡系統(tǒng)的雙光束干涉全息記錄和紫外光局域固定示意圖。
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(diǎn)光源發(fā)出的球面波讀出體全息光柵透鏡衍射光平行射出示意圖。
具體實(shí)施方案如上述圖1所示的本實(shí)用新型的光折變平板透鏡的結(jié)構(gòu)，選用光折變晶體平板1為20mm×10mm×2mm大小的雙摻雜的LiNbO3:Cu:Ce晶體，Cu作為深能級中心，Ce作為淺能級中心。在本實(shí)施例中，采用He-Ne氣體激光器作為光源，波長為632.8nm。對于此波長，紅光在LiNbO3晶體的折射率為2.28647，兩束記錄紅光的光強(qiáng)均為10.5mW/cm2；75W的球形高壓汞燈，用透紫外的濾光片濾光后經(jīng)過會聚透鏡聚焦，作為非偏振的紫外敏化光源。用來敏化的紫外光的光強(qiáng)為23mW/cm2，波長為365nm。
記錄過程首先用均勻紫外光5對要記錄的部分進(jìn)行1小時(shí)左右的預(yù)敏化，均勻紫外光照射LiNbO3:Cu:Ce晶體時(shí)，處于深淺兩能級中的電子都能被激發(fā)到導(dǎo)帶，再分別被深淺兩個能級俘獲；然后用周期性調(diào)制的紅光一束平行光波4，一束會聚球面光波3和均勻的紫外光5同時(shí)照射晶體進(jìn)行干涉全息記錄，待記錄穩(wěn)定后，關(guān)閉紫外光5和其中的一束紅光4，用另一束3紅光照射已經(jīng)記錄全息的部分，進(jìn)行局域全光固定，紅光只能激發(fā)淺能級中的電子到導(dǎo)帶中去，保留了深能級中的體光柵。于是在LiNbO3:Cu:Ce晶體中記錄了非揮發(fā)性的體全息光柵透鏡。
讀出過程用與記錄紅光強(qiáng)度相同的平行光束6按原方向垂直照射體全息光柵透鏡2，該平行光束6在體全息光柵透鏡2內(nèi)由于滿足布拉格匹配條件而被衍射，形成會聚光束后，繼續(xù)傳播，聚焦到一點(diǎn)，如圖2所示；在會聚焦點(diǎn)處，用與記錄球面波共軛的發(fā)散球面波9照射體全息光柵透鏡2，該發(fā)散光束在體全息光柵透鏡2內(nèi)由于滿足布拉格匹配條件而被衍射，形成的平行光束8沿與記錄平行光束相反的方向出射，如圖3所示。
權(quán)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(nèi)的體全息光柵透鏡構(gòu)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(guān)系a≥b＞c，而且厚度c遠(yuǎn)大于入射光波的波長。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(chǎn)生橫向傳輸并聚焦的全息透鏡。
4.根據(jù)權(quán)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(diǎn)光源產(chǎn)生的發(fā)散光束產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直的全息透鏡。
專利摘要一種用于光束轉(zhuǎn)換的平板光學(xué)器件光折變平板透鏡，主要應(yīng)用于激光通信、激光雷達(dá)、激光對抗等領(lǐng)域中的激光準(zhǔn)直、激光發(fā)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(nèi)記錄產(chǎn)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(jìn)行局域全光固定。當(dāng)光束照射到該體全息光柵透鏡上，在光折變晶體平板內(nèi)可以對于輸入光束產(chǎn)生橫向傳輸并聚焦，或?qū)斎牍恻c(diǎn)產(chǎn)生橫傳的準(zhǔn)直。與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型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(nèi)可以實(shí)現(xiàn)光束的轉(zhuǎn)換。體積小，結(jié)構(gòu)簡單可靠，抗干擾能力強(qiáng)，有良好的波長和視場選擇性，用途廣，衍射效率高。
文檔編號G02F1/03GK2616916SQ03228589
公開日2004年5月19日 申請日期2003年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)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(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所