專利名稱：寬帶角度選擇激光濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)濾波領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種兼具角度選擇濾波能力和寬帶 輸出能力的寬帶角度選擇激光濾波器。
背景技術(shù)：
高功率激光對(duì)各種空間干擾很敏感，各類干擾所導(dǎo)致的衍射會(huì)降低激光的空間均 勻性，提高激光的近場(chǎng)均勻性有助于提高高功率激光裝置的負(fù)載能力。在高功率激光裝置中，空間濾波器是必不可少的關(guān)鍵器件。傳統(tǒng)的針孔濾波器 (“4f”系統(tǒng))是最常用的空間濾波器之一。它首先使光束聚焦，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?？讖?jīng)Q定光斑的大小，針孔直徑控制濾波的程度， 實(shí)現(xiàn)低通空間濾波。但是，針孔濾波器在高功率激光系統(tǒng)中的應(yīng)用有局限除了準(zhǔn)直困難， 造價(jià)高昂外，高功率激光聚焦可能會(huì)損壞針孔或使空氣離子化，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?，F(xiàn)已建成的高功率激光驅(qū)動(dòng)器中，采用的是獨(dú)立的空間濾波器，其占地面積大，造 價(jià)高昂。下一代高功率激光驅(qū)動(dòng)器計(jì)劃中，擬采用全新的光束傳輸控制技術(shù)取代獨(dú)立的空 間濾波技術(shù)。布拉格體光柵由于其具有優(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。近年來，超短脈沖技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，可以獲得脈寬窄、帶寬大、峰值功率高、波 長(zhǎng)可調(diào)的超短光脈沖(脈寬量級(jí)為10_12 10_15秒)，超高強(qiáng)度激光脈沖的傳輸與控制問題 也是強(qiáng)激光科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容。為了全面提升高功率激光脈沖的綜合控制能力，需 要研究和發(fā)展基于新原理、新技術(shù)和新材料的“全域”控制技術(shù)與功能器件?；诓祭耋w 光柵的近場(chǎng)濾波技術(shù)可以有效地消除中高頻的影響、抑制光束旁瓣，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，降低驅(qū)動(dòng)器的體積和成本， 是當(dāng)今激光技術(shù)發(fā)展的主要單元技術(shù)之一，對(duì)于促進(jìn)高功率激光技術(shù)的發(fā)展具有重要的意 義。國(guó)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(guó) 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(guó)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(guó)專利200910312157. 7)?？梢娨环N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(guó)專利200710038661. 3)。可見國(guó)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年四卷第4期；鄭光威，劉莉等，“透射型體光柵對(duì)超短脈沖高
3斯光束衍射特性研究”，《光學(xué)學(xué)報(bào)》，2009年四卷第1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1期)。上述所報(bào)道的濾波器構(gòu)型滿足窄帶濾波的需要， 不支持寬帶激光輸出?？臻g濾波器大多用于信息通訊領(lǐng)域，在激光技術(shù)領(lǐng)域有見于報(bào)道的 濾波器多是窄帶濾波器，而可用于高功率脈沖激光系統(tǒng)的寬帶空間濾波器(可支持IOOnm 輸出帶寬)尚未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述空間濾波器僅滿足窄帶濾波的需要、不支 持寬帶激光輸出的缺陷，提供一種兼具角度選擇濾波能力和寬帶輸出能力的寬帶角度選擇 激光濾波器。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是構(gòu)造一種寬帶角度選擇激光 濾波器，其中包括用于對(duì)入射激光進(jìn)行第一次衍射的第一面光柵以及對(duì)從所述第一面光柵 出射的衍射光進(jìn)行第二次衍射的布拉格體光柵，所述第一面光柵的光柵周期為所述布拉格 體光柵的光柵周期的兩倍。進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述寬帶角度選擇激光濾波器還包括對(duì)從所述布拉格體光柵 出射的衍射光進(jìn)行第三次衍射的第二面光柵。在本發(fā)明所述的寬帶角度選擇激光濾波器中，所述第一面光柵、所述第二面光柵 以及所述布拉格體光柵均為透射型光柵，所述布拉格體光柵為位相型布拉格體光柵。 上述技術(shù)方案中，所述布拉格體光柵可由光致熱敏折射率玻璃制備而成。所述光致熱敏折射率玻璃為摻雜有鈰、銀以及氟的多組分硅酸鹽玻璃。在本發(fā)明所述的寬帶角度選擇激光濾波器中，所述布拉格體光柵為勻周期體光 柵。優(yōu)選的技術(shù)方案，所述布拉格體光柵為雙塊組合式透射型位相布拉格體光柵。所述布拉格體光柵可以由兩塊光柵柵紋相互垂直的子體光柵組合而成；也可以由 兩塊光柵柵紋平行的子體光柵組合而成。優(yōu)選的技術(shù)方案，組成所述布拉格體光柵的兩個(gè)子體光柵的光柵厚度不同。由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果1、本發(fā)明結(jié)合了面光柵的良好的色散能力和體光柵的良好的角度選擇性，使空間 濾波器兼具良好的角度選擇濾波能力和良好的寬帶輸出能力。2、在本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案中，第二面光柵的設(shè)置使正入射光束以正出射方式輸 出。透射型布拉格體光柵可以很好地實(shí)現(xiàn)角度選擇濾波并且位相型的布拉格體光柵可以實(shí) 現(xiàn)位相的調(diào)制。采用光致熱敏折射率玻璃制備的布拉格體光柵熱穩(wěn)定性好，可承載的激光 功率較高。采用勻周期體光柵和組合式體光柵可以達(dá)到更好的濾波效果。子體光柵采用柵 紋相垂直的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的二維空間濾波。子體光柵采用柵紋平行的結(jié)構(gòu)消除經(jīng)單塊 體光柵濾波后殘留的空間頻率成分，獲得無旁瓣的濾波效果。


圖1是本發(fā)明的寬帶角度選擇激光濾波器的第一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的寬帶角度選擇激光濾波器的第二優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是布拉格體光柵的角度選擇模擬圖；圖4是布拉格體光柵的光譜選擇模擬圖；圖5是本發(fā)明的寬帶角度選擇激光濾波器的優(yōu)選實(shí)施例的光譜選擇模擬圖；圖6是本發(fā)明的寬帶角度選擇激光濾波器的優(yōu)選實(shí)施例的角度選擇模擬圖；圖7是由兩塊光柵柵紋相互垂直的子體光柵組合而成的布拉格體光柵的結(jié)構(gòu)示 意圖；圖8是由兩塊光柵柵紋平行的子體光柵組合而成的布拉格體光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是采用圖8所示的布拉格體光柵的旁瓣抑制濾波模擬圖；圖10是布拉格體光柵內(nèi)的光波矢量關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種不用透鏡和針孔的、承載激光功率較高的衍射型寬帶角度選擇 激光濾波器；本寬帶角度選擇激光濾波器突破了窄帶濾波器的帶寬限制，可獲得寬帶激光 輸出(輸出帶寬和中心波長(zhǎng)可調(diào)諧)，滿足短脈沖和超短脈沖激光空間濾波的需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，效率高。在圖1所示的本發(fā)明的寬帶角度選擇光濾波器的第一優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖 中，所述寬帶角度選擇光濾波器包括第一面光柵1和布拉格體光柵2，第一面光柵1用于對(duì) 入射光進(jìn)行第一次衍射，布拉格體光柵2用于對(duì)從第一面光柵1出射的衍射光進(jìn)行第二次 衍射，第一面光柵1的光柵周期與布拉格體光柵2的光柵周期相匹配，如第一面光柵1的光 柵周期為布拉格體光柵2的光柵周期的兩倍。布拉格體光柵2用作角度選擇濾波元件具有優(yōu)秀的角度、波長(zhǎng)選擇特性以及較高 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、柵 線傾斜角等光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)。布拉格體光柵2優(yōu)秀的光學(xué)性能主要表現(xiàn)在(1)角度選擇達(dá)0. 1 IOmrad (透射型)，或10 IOOmrad (反射型)；(2)光譜選擇性達(dá)0. 3 2Onm (透射型)，或0. 01 IOnm (反射型)；(3)衍射效率高，633nm到1550nm范圍可達(dá)99% (透射型)或97% (反射型)；(4)損傷閾值高，對(duì)于Ins的YAG激光，損傷閾值可以達(dá)到7 lOJ/cm2，對(duì)于8 IOns的激光可達(dá)30 40J/cm2 ；(5)損耗小，光柵損耗小于2. 5%。傳統(tǒng)空間濾波器通過透鏡將入射光在遠(yuǎn)場(chǎng)聚焦，布拉格體光柵2則是在光束近場(chǎng) 直接進(jìn)行空間濾波，成功克服了廣泛使用的針孔濾波方式在焦平面處光強(qiáng)過高，易導(dǎo)致?lián)舸┲苓叢牧仙踔痢岸驴仔?yīng)”等不利因素。布拉格體光柵角度濾波的原理對(duì)透射型布拉格體光柵，當(dāng)入射光偏離布拉格角 時(shí)，一部分光直接透射，另一部分光束則被衍射。根據(jù)傅里葉光學(xué)原理，任意分布的光束可 展開為無數(shù)個(gè)平面波的疊加，平面波傳播方向與光束中的空間頻率成分一一對(duì)應(yīng)。布拉格 體光柵具有良好的角度敏感性和選擇性，光束中不同的空間頻率成分經(jīng)體光柵衍射后，中 高頻成分發(fā)散角偏離布拉格角大，幾乎不能被體光柵衍射，因此在衍射光束中中高頻成分 基本被濾除。但是，為了提高高功率激光的近場(chǎng)均勻性，抑制非線性效應(yīng)的增長(zhǎng)，空間濾波器需 要有很好的角度選擇性，則需要增加布拉格體光柵2的厚度，后果是布拉格體光柵2的光譜 選擇性也非常好，即衍射光光譜帶寬很小，無法獲得寬帶激光輸出。因此布拉格體光柵2廣 泛應(yīng)用在窄帶空間濾波器中，具有很好的角度選擇性，但是僅對(duì)固定波長(zhǎng)或者窄帶寬有用。 透射型面光柵用作色散元件，沒有角度選擇性，但具有很好的色散能力，且不論入射光束的 角度和光譜成分如何，總有對(duì)應(yīng)方向的衍射光，并且衍射角對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)。本發(fā)明的寬帶光濾 波器，它是由第一面光柵1和布拉格體光柵2組合而成，結(jié)合第一面光柵1的色散能力和布 拉格體光柵2的角度選擇性，其效果是兼具寬帶輸出能力及角度選擇濾波能力。第一面光柵1和布拉格體光柵2的光柵周期需要匹配，具體說二者的光柵周期必 須滿足第一面光柵1的光柵周期為布拉格體光柵2的光柵周期的兩倍。這樣正入射光束 經(jīng)第一面光柵1衍射后入射到布拉格體光柵2時(shí)其光譜成分完全滿足布拉格體光柵2的布 拉格條件。
詳細(xì)分析如下
由Kogelnik的耦合波理論，有吸收的位相型體光柵的衍射效率為
權(quán)利要求
1.一種寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于包括用于對(duì)入射光進(jìn)行第一次衍射的 第一面光柵(1)以及對(duì)從所述第一面光柵(1)出射的衍射光進(jìn)行第二次衍射的布拉格體光 柵(2)，所述第一面光柵(1)的光柵周期為所述布拉格體光柵(2)的光柵周期的兩倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述寬帶角度選擇 激光濾波器包括對(duì)從所述布拉格體光柵(2)出射的衍射光進(jìn)行第三次衍射的第二面光柵 (3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述第一面光柵(1)、所述第二面光柵(3)以及所述布拉格體光柵(2)均為透射型光柵，所述布拉格體光柵(2)為位相型布拉格體光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述布拉格體光柵 (2)由光致熱敏折射率玻璃制備而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述光致熱敏折射 率玻璃為摻雜有鈰、銀以及氟的多組分硅酸鹽玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述布拉格體光柵 (2)為勻周期體光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述布拉格體光柵 (2)為雙塊組合式透射型位相布拉格體光柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述布拉格體光柵 (2)由兩塊光柵柵紋相互垂直的子體光柵組合而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于所述布拉格體光柵 (2)由兩塊光柵柵紋平行的子體光柵組合而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的寬帶角度選擇激光濾波器，其特征在于組成所述布拉 格體光柵(2)的兩塊子體光柵的光柵厚度不同。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶角度選擇激光濾波器，其中包括用于對(duì)入射激光進(jìn)行第一次衍射的第一面光柵以及對(duì)從所述面光柵出射的衍射光進(jìn)行第二次衍射的布拉格體光柵，所述面光柵的光柵周期為所述布拉格體光柵的光柵周期的兩倍。本發(fā)明的寬帶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，結(jié)構(gòu)緊湊；濾波器衍射光譜較寬，同時(shí)兼具對(duì)各光譜成分優(yōu)秀的低通濾波能力，能滿足短脈沖和超短脈沖激光空間濾波的要求；可承載的激光功率較高，消除了聚焦激光造成堵孔效應(yīng)和燒毀濾波元器件的可能。
文檔編號(hào)G02B1/00GK102096204SQ20111000114
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2011年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月5日
發(fā)明者吳尚, 封建勝, 張桂菊, 張翔, 袁孝, 鄒快盛 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)