專利名稱：：高功率激光衍射型空間濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種光學(xué)空間濾波裝置，特別是一種適用于高功率激光脈沖的衍射型低通濾波裝置。
背景技術(shù)：
：針孔濾波器是最常用的空間濾波器之一。它利用透鏡的傅立葉變換功能，使入射光束中的低階模、高階模在頻譜面分離開，然后利用針孔板(或單模光纖)選通所需角譜分量，實(shí)現(xiàn)空間低通濾波。針孔濾波器用于高功率激光器時(shí)，存在以下不足高功率激光在針孔附近聚焦，經(jīng)透鏡聚焦的激光光斑燒毀針孔，或在光路中形成有害的等離子體。中國專利200710039731.7公開了一種用石英晶體平凸透鏡、濾波小孔、普通透鏡和偏振片構(gòu)成的共焦系統(tǒng)，該激光束空間整形裝置內(nèi)部有聚焦點(diǎn)。中國專利200610024096.0公開了一種體全息光柵整形裝置，其用途是動(dòng)態(tài)地、多功能地對(duì)超短脈沖激光束進(jìn)行整形。美國專利US7424185B2提出一種基于變周期體全息光柵的脈沖整形裝置，其用途是對(duì)超短脈沖激光束進(jìn)行展寬和壓縮。李彪，陳懷新，隋展，丁磊等(基于晶體旋光效應(yīng)的近場光學(xué)空間濾波，《強(qiáng)激光與粒子束》2006年第18巻第1期)提出了用旋光性實(shí)現(xiàn)激光光束的近場空間濾波方法。傅恩生(用腔內(nèi)布拉格光柵改善激光源的空間光束質(zhì)量，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》2003年第40巻第12期)提出利用厚相位光柵插入各種激光腔中進(jìn)行角向選擇，改善空間光束質(zhì)量。鄭光威，何焰藍(lán)，黃水花，譚吉春等(透射型體相位光柵對(duì)連續(xù)激光光束空間低通濾波研究，《光學(xué)學(xué)報(bào)》，2009年29巻第4期，P863-868);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巻第1期P126-131);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29巻第12期)分析了體積布喇格光柵對(duì)激光的衍射性能。上述專利和文獻(xiàn)沒有針對(duì)高功率激光系統(tǒng)多程放大和級(jí)間隔離的需要提供光柵濾波裝置，所報(bào)道的濾波器構(gòu)型滿足單程濾波的需要，不能滿足雙程、二軸空間濾波的需要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)針孔濾波器以及光柵單程濾波的缺點(diǎn)，提供一種沒有透鏡和針孔的、承載功率較高的光柵雙程空間濾波器件，替代多程放大器中的針孔濾波器；提供一種衍射頻帶寬度較寬的光柵，滿足短脈沖和超短脈沖空間濾波的需求。本發(fā)明的高功率激光衍射型空間濾波器，結(jié)構(gòu)是左邊是1個(gè)中軸線為豎線BC的級(jí)間隔離濾波器、中間是1組中軸線為橫線CD的增益介質(zhì)，右邊是一個(gè)中軸線為豎線DE的多程腔濾波器，整個(gè)裝置的中軸線組成一條BCDEF折線，在B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)各安放1個(gè)使光束偏轉(zhuǎn)90°的光柵，所述光柵為分離式體積布喇格光柵或雙片集成式光柵，在F點(diǎn)安放l個(gè)反射鏡。所述光柵為分離式體積布喇格光柵或雙片集成式光柵。其中，分離式光柵的結(jié)構(gòu)有兩種單周期光柵和多周期光柵。所述光柵是一塊透明的片狀玻璃或晶體材料，其長度和寬度為25mm500cm，單片厚度為230mm。光柵在光路中的運(yùn)行狀態(tài)分為"反射型"和"透射型"，二者的濾波效果基本相同。所述分離式體積布喇格光柵的一種構(gòu)型是單周期光柵，單片柵體材料中有一組平行的層狀柵紋面，其光柵周期對(duì)入射激光的中心波長入。滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。所述單周期光柵的截面最大尺寸不小于增益介質(zhì)截面直徑(或邊長)的V2倍，厚度不大于5mm。所述分離式體積布喇格光柵的另一種構(gòu)型是多周期光柵，單片柵體材料內(nèi)含2100個(gè)光柵矢量平行的層狀子光柵，層狀子光柵柵紋面的周期分別對(duì)入射激光脈沖的波長成份、、入2***A99、A，滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90X。所述層狀子光柵的截面最大尺寸不小于增益介質(zhì)截面直徑(或邊長)的^倍，厚度不大于5mm。所述雙片集成式光柵的內(nèi)部包含柵紋取向相互垂直的兩片子光柵，一塊柵體材料分成三個(gè)層狀區(qū)域，中間是透明過渡層，左側(cè)和右側(cè)是子光柵，各子光柵內(nèi)有一組平行的層狀柵紋面，其厚度不大于5mm。單層子光柵的光柵周期均對(duì)入射激光的中心波長入。滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。所述雙片集成式光柵的截面最大尺寸不小于增益介質(zhì)截面直徑或邊長的^倍，總厚度不大于20mm。所述級(jí)間隔離濾波器中，安裝在級(jí)間隔離濾波器內(nèi)部B點(diǎn)和C點(diǎn)的兩個(gè)光柵的柵紋面法線正交，對(duì)來自外部的正向傳播的激光以及來自增益介質(zhì)的逆向傳播的激光同時(shí)進(jìn)行空間濾波。所述多程腔濾波器中，安裝在所述多程腔濾波器內(nèi)部D點(diǎn)和E點(diǎn)的兩個(gè)光柵的柵紋面法線正交，對(duì)來自增益介質(zhì)的正向傳播的激光以及來自反射鏡的逆向傳播的激光同時(shí)進(jìn)行空間濾波。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)空間濾波器可承載的功率較高濾波器內(nèi)部不含會(huì)聚透鏡，激光束不會(huì)在光學(xué)濾波裝置中形成會(huì)聚點(diǎn)，排除了高功率激光聚焦燒毀濾波器件的可能性；與此同時(shí)，通過激光擴(kuò)束(增大光柵的面積)，可相應(yīng)減小光柵材料單位面積受輻照的光功率密度。使得衍射型濾波器不存在針孔濾波器易于被聚焦激光燒毀的缺點(diǎn)。光柵使用抗損閾值較高的玻璃或晶體材料制成相位光柵，濾波器件可承載的激光功率較高，能滿足10焦耳-100焦耳級(jí)高功率激光空間濾波的需求。(2)光束在濾波器內(nèi)雙程傳播，提高單個(gè)光柵的利用率，有利于改善濾波器的角譜選擇性。(3)濾波器中使用雙片集成式光柵，有利于縮小二軸濾波器的體積。(4)濾波器中使用多周期光柵，具備對(duì)超短脈沖激光的空間濾波性能。多周期光柵中各子光柵分別對(duì)入射光中心波長A及邊帶成份A+AA、A-AA有較高衍射效率，衍射濾波的頻帶寬度較寬。在角譜選擇性相同的實(shí)驗(yàn)條件下，單周期光柵只能有效地對(duì)激光脈沖的中心波長成分A濾波，存在"衍射頻帶寬度較窄"的局限性。圖1為實(shí)施例1高功率激光衍射型濾波器結(jié)構(gòu)示意圖2為實(shí)施例2反射型光柵組成I類濾波器示意圖3為實(shí)施例3透射型光柵組成I類濾波器示意圖4單周期光柵的布喇格衍射角譜選擇性曲線4圖5為實(shí)施例4雙片集成式光柵的外形示意圖；圖6雙片集成式光柵組成的II類濾波器示意圖；圖7為實(shí)施例5多周期光柵外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖8多周期光柵布喇格衍射波長選擇性曲線圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明實(shí)施例1:高功率激光衍射型濾波器參照?qǐng)D1:濾波器裝置中，左邊是1個(gè)中軸線為豎線BC的級(jí)間隔離濾波器、中間是1組中軸線為橫線CD的增益介質(zhì)，右邊是一個(gè)中軸線為豎線DE的多程腔濾波器，整個(gè)裝置的中軸線組成一條BCDEF折線，在B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)各安放1個(gè)使光束偏轉(zhuǎn)90°的分離式體積布喇格光柵，在F點(diǎn)安放1個(gè)反射鏡。其中，級(jí)間隔離濾波器由兩個(gè)光柵(光柵2、光柵3)組成。多程腔濾波器由兩個(gè)光柵(光柵5、光柵6)和一片反射鏡8組成。利用體積布喇格光柵的角譜選擇性實(shí)現(xiàn)空間濾波。在反射鏡的作用下，激光在圖1裝置中正向、逆向往返1周，每個(gè)光柵起兩次濾波作用，有利于增強(qiáng)濾波的角譜選擇性。所述光柵的結(jié)構(gòu)分為三種分離式單周期、分離式多周期和雙片集成式。三種光柵均起濾波作用，表1列出主要不同點(diǎn)。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>激光的第一種傳播路徑是"出射光與入射光同軸":激光束1自A點(diǎn)入射，沿ABCDEF折線傳播到F點(diǎn)。光束7沿FEDCB折線傳播到A點(diǎn)，出射方向與入射方向重合。第二種路徑是出射方向與入射方向有小的夾角。使得"出射光與入射光在空間分離"。實(shí)施例2:使用反射型光柵組成的I類濾波器本例所用的體積布喇格光柵為權(quán)利要求3所述的"分離式"光柵，分離式光柵所組成的濾波裝置被稱為I類裝置。所述I類裝置的特征是圖2中BC和DE軸線的長度大于增益介質(zhì)截面直徑d(或邊長L)的2倍。整個(gè)光路中無透鏡，光束在濾波器中無會(huì)聚點(diǎn)。本例所用的分離式光柵是單周期光柵，運(yùn)行狀態(tài)為反射型。反射狀態(tài)的特點(diǎn)是衍射光與入射光位于光柵柵體的同一側(cè)。光柵矢量正交的兩個(gè)光柵成對(duì)使用。參照?qǐng)D2左部，級(jí)間隔離濾波器由兩塊體積布喇格光柵組成。其中光柵9R位于B點(diǎn)，使光束1偏轉(zhuǎn)90°(沿BC方向傳播)；另一塊光柵IIR位于C點(diǎn)，使光束10偏轉(zhuǎn)90°(沿CD方向傳播)。光束12通向增益介質(zhì)4。反射鏡組成。其中光柵14R位于D點(diǎn)，使光束13轉(zhuǎn)偏90°(沿DE方向傳播)；光柵16R位于E點(diǎn)，使光束15轉(zhuǎn)偏90°(沿EF方向傳播)。位于F點(diǎn)的反射鏡18使光束17逆轉(zhuǎn)方向。在所述4塊光柵和反射鏡18的共同作用下，圖2裝置同時(shí)對(duì)入射激光8以及被反射鏡18反射的逆向激光(圖中未畫出)實(shí)施低通濾波。單個(gè)光柵是一塊透明的玻璃或晶體，單塊片狀材料中有一組平行的層狀柵紋面，其光柵周期均對(duì)入射激光的中心波長入。滿是布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。單個(gè)光柵外形厚度不大于5mm，長度、寬度在25mm500cm范圍。最大線度不小于增益介質(zhì)截面直徑d(或邊長L)的V2倍。反射型光柵的典型參數(shù)見表2。該例中，激光波長1053nm，單片光柵的厚度約3mm，光柵周期為0.370.45iim。表2參數(shù)名稱取值參數(shù)名稱取值波長入1053nm光柵周期A0.370.45咖入射角4)4560deg光柵厚度t3mm材料折射率n1.48折射率調(diào)制度2.6(X10—3)實(shí)施例3:使用透射型光柵組成的I類濾波器本例所用的體積布喇格光柵為權(quán)利要求3所述的"分離式"光柵。該分離式光柵是單周期光柵，運(yùn)行狀態(tài)為透射型。透射運(yùn)行狀態(tài)的特點(diǎn)是衍射光與入射光位于光柵柵體的異側(cè)。透射型光柵I類空間濾波裝置的結(jié)構(gòu)和上文實(shí)施例2反射型光柵組成裝置的結(jié)構(gòu)相同，光束傳播方式相同。參照?qǐng)D3左部，級(jí)間隔離濾波器由兩個(gè)體積布喇格光柵組成。其中光柵9T位于B點(diǎn)，使光束1偏轉(zhuǎn)90°(沿BC方向傳播)；另一塊光柵IIT位于C點(diǎn)，使光束10偏轉(zhuǎn)90°(沿CD方向傳播)。光束12通向增益介質(zhì)4。參照?qǐng)D3右部，多程腔濾波器由兩個(gè)體積布喇格光柵以及1面反射鏡組成。其中光柵14T位于D點(diǎn)，使光束13轉(zhuǎn)偏90°(沿DE方向傳播)；光柵16T位于E點(diǎn)，使光束15轉(zhuǎn)偏90°(沿EF方向傳播)。位于F點(diǎn)的反射鏡18使光束17反向傳播。在所述4塊光柵和反射鏡18的共同作用下，圖3裝置同時(shí)對(duì)入射激光8以及被反射鏡18反射的逆向激光(圖中未畫出)實(shí)施低通濾波。單個(gè)光柵是一塊透明的玻璃或晶體，單塊片狀材料中有一組平行的層狀柵紋面，其光柵周期均對(duì)入射激光的中心波長入。滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。單個(gè)光柵外形長度、寬度在25mm500cm范圍，厚度不大于5mm。對(duì)于波長1064nm激光，單層子光柵的厚度不小于1.8mm，光柵周期約為5.08ym，其它參數(shù)見表3。布喇格衍射角譜選擇性曲線表征光柵的濾波性能。圖4所示是光柵(表3單周期透射型)的角譜選擇性曲線，曲線的半寬度約1.5毫弧度。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例4:雙片集成式光柵組成的II類濾波器本例所用的光柵為權(quán)利要求5所述的"雙片集成式"光柵，雙片集成式光柵所組成的濾波裝置被稱為II類裝置。所述II類裝置的特征是圖2中BC和DE軸線的長度小于增益介質(zhì)截面直徑d(或邊長L)的2倍。整個(gè)光路中無透鏡，光束在濾波器中無會(huì)聚點(diǎn)。參照?qǐng)D5、圖6，用透明玻璃或晶體制作雙片集成式光柵，同一塊材料分成三個(gè)層狀區(qū)域，每層厚度在15mm范圍。左側(cè)子光柵22和右側(cè)子光柵23是透射型片狀相位光柵，二者之間是透明過渡層。子光柵22和子光柵23的特征在于，兩個(gè)子光柵的周期均對(duì)入射激光的中心波長A。滿足布喇格衍射條件，二者柵紋取向相互垂直，形成一個(gè)二軸濾波器。波長為A。的激光束的空間頻率低頻成份的傳播路徑為ABCD折線，幾何參數(shù)見表4。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>子光柵22的軸線JBK與笛卡爾坐標(biāo)系Z'軸重合。子光柵23的軸線PCQ與Z'軸平行。二者的表面均與X'-Y'面平行。子光柵22、子光柵23的一級(jí)(或二級(jí))布喇格衍射波長等于激光束的中心波長為入。，入射激光束19在AABJ面內(nèi)(即Y'-Z'坐標(biāo)面)，沿AB從左側(cè)進(jìn)入子光柵22，其入射方向與Z'軸的夾角為45。(或其它銳角Y)。子光柵22對(duì)AABC平面內(nèi)的角譜分量實(shí)現(xiàn)低通濾波，在X'-Z'坐標(biāo)面內(nèi)產(chǎn)生衍射光20。子光柵23對(duì)ABCD平面內(nèi)的角譜分量實(shí)現(xiàn)低通濾波，在Z'軸上方ACDQ面內(nèi)產(chǎn)生衍射光21，其出射方向與Z'軸的夾角為45。(或其它銳角Y)。—塊雙片集成式光柵的厚度比實(shí)施例2—片普通"分離式"光柵的厚度至少大1倍，內(nèi)部集成兩塊子光柵(二者光柵矢量正交)。因?yàn)閘塊雙片集成式光柵起到權(quán)利要求所述兩個(gè)分離式光柵相同的濾波效果，所以本實(shí)施例中雙片集成式光柵的特殊作用是，其厚度增大沒有明顯增大光柵占用的空間，而減少一個(gè)分離式光柵，能明顯縮短濾波器的軸線長度，從而減小整個(gè)濾波裝置的安裝空間。實(shí)施例5:適用于脈沖激光的多周期光柵I類濾波器權(quán)利要求4所述的多周期光柵是分離式光柵的另一種構(gòu)型。單塊多周期光柵在圖1濾波器中的安裝位置和使用方法與一個(gè)分離式單周期光柵相同。本發(fā)明中，多周期光柵的特殊作用，是在保持角譜選擇性的前提下擴(kuò)展濾波器的帶寬。反射型多周期光柵24的光路如圖7(右)，入射激光脈沖為25，出射(衍射)光脈沖為26。特征在于一塊多周期光柵的厚度比權(quán)利要求3所述的單片"單周期"光柵的厚度至少大兩倍，其內(nèi)部集成2片(或3100片)子光柵。參照?qǐng)D7(左)，一塊片狀材料分成3個(gè)層狀區(qū)域，每一層是一個(gè)相位子光柵，各層狀子光柵的光柵矢量的方向相互平行，但三個(gè)子光柵的柵紋周期A—、A、A+分別對(duì)入射激光的波長成份ApA2和A3滿足布剌格衍射條件，形成一個(gè)分層多周期光柵24。圖8為含三個(gè)子光柵的一塊多周期光柵的波長選擇性曲線圖。入射激光劃分成入+AA、A、A-AA三個(gè)波段，多周期光柵被劃分成厚度為40微米的3個(gè)區(qū)。子光柵周期變化范圍為0.3612-0.3695微米(折射率n=1.52，折射率調(diào)制系數(shù)=0.0065)。根據(jù)傳輸矩陣計(jì)算出的多周期光柵的布喇格衍射帶寬約為25nm，適合用于對(duì)脈沖濾波。和同樣厚度(120iim)的周期為O.3653微米的單周期光柵(Uniformvolumegrating)相比，單周期光柵對(duì)中心波長632.8nm的激光的衍射帶寬約為5nm，適合用于對(duì)連續(xù)機(jī)關(guān)濾波。實(shí)施例5僅僅是一個(gè)簡明的例子，它將柵體劃分成3個(gè)薄層區(qū)域，在各薄層制作多周期光柵。本發(fā)明權(quán)利要求5的內(nèi)容，同樣適用于子光柵周期Am沿柵紋面法線漸變的變周期光柵器件(Chirpedvolumegrating)和濾波裝置。權(quán)利要求一種高功率激光衍射型空間濾波器，特征在于，左邊是1個(gè)中軸線為豎線BC的級(jí)間隔離濾波器、中間是1組中軸線為橫線CD的增益介質(zhì)，右邊是一個(gè)中軸線為豎線DE的多程腔濾波器，整個(gè)裝置的中軸線組成一條BCDEF折線，在B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)各安放1個(gè)使光束偏轉(zhuǎn)90°的光柵，所述光柵為分離式體積布喇格光柵或雙片集成式光柵，在F點(diǎn)安放1個(gè)反射鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率激光衍射型空間濾波器，其特征在于，所述光柵是一塊透明的片狀玻璃或晶體材料，其長度和寬度為25mm500cm，單片厚度為230mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述高功率激光衍射型空間濾波器，其特征在于，所述分離式體積布喇格光柵為單周期光柵，其單片柵體材料中有一組平行的層狀柵紋面，其光柵周期對(duì)入射激光的中心波長入0滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。所述單周期光柵的截面最大尺寸不小于增益介質(zhì)截面直徑的V3倍，厚度不大于5mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述高功率激光衍射型空間濾波器，其特征在于，所述分離式體積布喇格光柵為多周期光柵，單片柵體材料內(nèi)含2100個(gè)光柵矢量平行的層狀子光柵，層狀子光柵柵紋面的周期分別對(duì)入射激光脈沖的波長成份Al、A2…A99、A100滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。所述層狀子光柵的截面最大尺寸不小于增益介質(zhì)截面直徑的^倍，厚度不大于5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述高功率激光衍射型空間濾波器，特征在于，所述雙片集成式光柵的內(nèi)部包含柵紋取向相互垂直的兩片子光柵，一塊柵體材料分成三個(gè)層狀區(qū)域，中間是透明過波層，左側(cè)和右側(cè)是子光柵，各子光柵內(nèi)有一組平行的層狀柵紋面，其厚度不大于5mm。單層子光柵的光柵周期均對(duì)入射激光的中心波長AO滿足布喇格衍射條件，衍射效率不小于90%。所述雙片集成式光柵的截面最大尺寸不小于增益介質(zhì)截面直徑或邊長的V3倍，總厚度不大于20mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的級(jí)間隔離濾波器，其特征在于，所述安裝在B點(diǎn)和C點(diǎn)的兩個(gè)光柵的柵紋面法線正交，對(duì)來自外部的正向傳播的激光以及來自增益介質(zhì)的逆向傳播的激光同時(shí)進(jìn)行空間濾波。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多程腔濾波器，其特征在于，所述安裝在D點(diǎn)和E點(diǎn)的兩個(gè)光柵的柵紋面法線正交，對(duì)來自增益介質(zhì)的正向傳播的激光以及來自反射鏡的逆向傳播的激光同時(shí)進(jìn)行空間濾波。全文摘要本發(fā)明公開了一種高功率激光衍射型空間濾波器。其左邊是1個(gè)中軸線為豎線BC的級(jí)間隔離濾波器、中間是1組中軸線為橫線CD的增益介質(zhì)，右邊是一個(gè)中軸線為豎線DE的多程腔濾波器，整個(gè)裝置的中軸線組成一條BCDEF折線，在B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)各安放1個(gè)使光束偏轉(zhuǎn)90°的光柵，所述光柵為分離式體積布喇格光柵或雙片集成式光柵，在F點(diǎn)安放1個(gè)反射鏡。本發(fā)明用沒有透鏡和針孔且外形緊湊的光柵雙程空間濾波器件替代多程放大器中的針孔濾波器，可實(shí)現(xiàn)衍射頻帶寬度較寬，能滿足短脈沖和超短脈沖空間濾波的需求；可承載的激光功率較高，能滿足高功率激光空間濾波的需求，因裝置中無透鏡和針孔，從而排除了激光燒毀濾波器件的可能性。文檔編號(hào)G02B27/46GK101738739SQ20091031215公開日2010年6月16日申請(qǐng)日期2009年12月24日優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日發(fā)明者譚吉春申請(qǐng)人:譚吉春