專利名稱：高功率激光束的空間濾光器的制作方法
本申請要求1997年5月29日提交的美國申請第60/047,859號的優(yōu)先權(quán)，該申請的內(nèi)容通過引用包括在此。
本發(fā)明涉及空間濾光器。尤其，本發(fā)明涉及激光束的空間濾光器。雖然，本發(fā)明的應(yīng)用范圍很廣泛，但它特別適用于在光波導中寫折射率光柵的光學系統(tǒng)。
實用激光源發(fā)展后不久，激光束就已在工業(yè)應(yīng)用中使用了。目前，激光束被用來在光波導玻璃尤其在光纖所用的玻璃中引起折射率的改變。利用通過紫外線激光束干涉形成的干涉圖案，將折射率光柵寫入鍺-硅酸鹽(germano-silicate)玻璃光纖中。干涉圖案會引起折射率周期性的變化，從而在光纖中形成或?qū)懭胝凵渎使鈻?。光纖布喇格光柵和長周期光纖光柵是兩例在光纖中產(chǎn)生并用于傳輸光通信信號的折射率光柵。在用光纖傳播光時，可將光纖布喇格光柵用作選擇波長的反射濾光器。光纖中折射率光柵的間隔用來反射特定范圍的波長而讓其它波長不經(jīng)反射而通過折射率光柵。早期制造的光纖布喇格光柵的質(zhì)量受不希望有的高數(shù)值反射率旁瓣的影響。當光柵反射所需高反射率波長帶之外的光波長而不是通過光柵對該波長作適當傳輸時，會出現(xiàn)反射率旁瓣。
因此，本發(fā)明旨在提供一種基本上能解決因有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺點而引起的一個或多個問題的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的特點和長處將在以下描述中得以敘述，并由所述描述清楚其一部分，或通過實施本發(fā)明學習這些特點和長處。用通過文字描述、其權(quán)利要求書以及附圖而特別指出的設(shè)備、系統(tǒng)和方法，將實現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的和其它好處。
為了實現(xiàn)這些和其它長處，并依照本發(fā)明的目的，作為具體實施和一般描述，本發(fā)明包括一種用于高功率密度激光束的空間濾光器。該高功率密度激光束空間濾光器由光轉(zhuǎn)向元件組成。另一方面，本發(fā)明包括一種對激光束進行空間濾光的方法，該方法包括下述步驟，即提供一束經(jīng)傅里葉變換的(聚焦的)激光束，該激光束具有作為本發(fā)明目標的空間低頻以及不需要的空間高頻。本發(fā)明的方法還包括非吸收性地將經(jīng)傅里葉變換的激光束的空間高頻部分轉(zhuǎn)向的步驟，使其偏離經(jīng)傅里葉變換的激光束的空間低頻部分，以便產(chǎn)生一個空間低頻激光束，其中所述空間高頻部分包括不需要的空間高頻，所述空間低頻部分包括作為目標的空間低頻。另一方面，本發(fā)明包括一種用于高功率密度激光束的空間濾光器，所述激光束具有空間高頻和空間低頻。該空間濾光器包括一個用于非吸收性地將所述空間高頻轉(zhuǎn)向使其偏離所述空間低頻的裝置。本發(fā)明包括一種空間濾光器，該空間濾光器包括這樣的裝置，它用于非吸收性地將激光束的外側(cè)部分轉(zhuǎn)向，從而留下激光束具有平滑光束分布的內(nèi)側(cè)部分。另一方面，本發(fā)明包括一種制作光柵的方法，該方法包括以下步驟即產(chǎn)生一激光束并且用一個進行傅里葉變換的光學元件(諸如一透鏡)在一維上對激光束聚焦，從而形成一具有中心軸的線聚焦激光束。該方法還包括以下步驟，即用一個非吸收性的反射面(最好能完全內(nèi)反射)非吸收性地將線聚焦激光束的外側(cè)部分(對應(yīng)于空間高頻)轉(zhuǎn)向，使其偏離聚焦線和激光束的空間低頻，以便形成一束經(jīng)一維空間濾光的激光束，然后用該經(jīng)空間濾光的激光束形成一個干涉圖案，從而在光波導中尤其在光纖中制成一光柵。
應(yīng)該理解，以上一般性的描述以及以下的詳細描述都是例舉和說明性的，它們試圖對所要求的發(fā)明作進一步的說明。附圖有助于對本發(fā)明的理解，并且包含在此構(gòu)成說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起對本發(fā)明的原理作了解釋。
包含在此并構(gòu)成本說明書一部分的附圖與說明書一起說明了本發(fā)明的實施例，起解釋本發(fā)明目的、優(yōu)點和原理的作用。


圖1示出了本發(fā)明的空間濾光器，其中實線箭頭表示光。
圖2示出了經(jīng)傅里葉變換的激光束的空間頻率分布。
圖3示出了本發(fā)明的一種光學系統(tǒng)和方法。
圖4是光纖布喇格光柵的反射光譜。
圖5是用本發(fā)明制作的光纖布喇格光柵的反射光譜。
圖6示出了本發(fā)明的一種光學系統(tǒng)和方法。
圖7示出了完全內(nèi)反射的要求。
圖8是用本發(fā)明制作的光纖布喇格光柵的反射光譜。
當研究關(guān)于在光纖中制作改進型折射率光柵的方法時，發(fā)明人遇到了這樣的問題，這些問題涉及激光束的相消功率以及沿他們在對光纖寫入光柵時所用的光學串聯(lián)系統(tǒng)的激光能量集中。
在向光波導(例如，由摻鍺石英纖芯和石英包層組成的單模光纖，它因纖芯和包層之間的折射率的差傳導光)寫入折射率光柵時，使用具有紫外線波長且光強很大的激光是有益的。對光纖寫入光柵時最好使用高功率的紫外線激光束，因為它能有效地在玻璃中引起折射率的變化，并且只需較少的曝光時間就能產(chǎn)生所要的折射率變化。
在沿制作光柵時所用的光學串聯(lián)系統(tǒng)的某一點上，會形成高功率密度的激光束，其功率密度(能量密度的大小)大于0.5焦耳/厘米2，并且可能大于1.0焦耳/厘米2。使激光束聚焦會增大功率密度的大小，而這種高功率密度的激光束對光學系統(tǒng)以及方法所用的元件有特殊的破壞性。
通過使入射到波導上的兩束紫外線激光束干涉，可以在光纖中制作光柵?？捎梢患す馄鳟a(chǎn)生一束紫外光束，然后將其分成兩束光，當把兩束光重新合并時，它們會形成一個干涉圖案，該干涉圖案通過使折射率根據(jù)曝光時間變化而在光纖中產(chǎn)生一光柵。干涉圖案可以用已知的包括分光裝置的干涉裝置并通過重新合并使兩束分光光束干涉來形成，由此因光束間的相長和相消干涉，形成了周期性的峰和谷。用來形成干涉圖案以便制作光柵的一種簡便裝置是通過一個周期性的相移掩模傳輸紫外線激光束。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，如果在制作光柵時使用質(zhì)量改善的激光束，那么可以在光波導中形成改進型光柵。通過對激光束進行空間濾光，以便在形成干涉圖案之前去除空間高頻，就能獲得改善的激光束質(zhì)量以及改進的光柵。對激光束實行空間濾光的標準方法是，將光束聚焦并在焦點上安置一個用不透光吸收材料制成的孔徑，從而產(chǎn)生強度分布平滑的激光束，但要使用能在光纖中有效制作光柵的高功率密度的激光束，卻發(fā)現(xiàn)該標準方法不可行。當在制作光柵中使用這種不透光的吸收性空間閉塞濾光器時，紫外線激光束的高功率密度會破壞空間濾光器的不透光的吸收性閉塞材料。利用標準的空間濾光器，空間濾光器吸收性材料中的空氣隙孔徑(air space aperture)會允許聚焦激光束中的空間低頻率通過，而諸如不透射的鋼或其它不透光的閉塞材料等吸收性材料至少部分地吸收和散射掉聚焦激光束中的空間高頻。當這種空間濾光器與高功率密度的激光束一起使用時，所吸收的空間高頻會燒蝕吸收材料，使濾光器快速失效并必須更換。對這些不透光和不透射的材料表面進行拋光可以改善它們的反射率，但當其與高功率密度的光一起使用時，其表面與光之間的吸收性相互作用會破壞該材料。
發(fā)明人開發(fā)了一種非吸收性空間濾光器。本發(fā)明的高功率密度激光束的空間濾光器以其系統(tǒng)使用不吸收的透光轉(zhuǎn)向元件。
現(xiàn)詳細參閱本發(fā)明的較佳實施例，附圖中示出了幾個例子。
圖1示出了本發(fā)明的實施例，并且通常用標號20表示。本發(fā)明提供了一種高功率密度的激光束空間濾光器，它由一個光轉(zhuǎn)向元件組成。其中所述轉(zhuǎn)向元件由一種透明的不吸收的光學材料構(gòu)成，最好是熔融石英。轉(zhuǎn)向元件最好由具有一反射面和一非反射面的透明光學材料構(gòu)成，并且所述反射面最好能將具有中心軸的激光束之外圍部分的空間高頻光非吸收性地轉(zhuǎn)向，離開所述激光束的所述中心軸。
圖1示出了非常接近透鏡焦點的經(jīng)傅里葉變換的激光束24與非常接近光轉(zhuǎn)向元件22的激光束24之間的相互作用。在圖1中，非常接近光轉(zhuǎn)向元件22的經(jīng)傅里葉變換的激光束被示為具有一中心部分38和一外圍部分40，其中中心部分38包含允許通過空間濾光器20的需要的空間低頻，而外圍部分40包括不需要的空間高頻，光轉(zhuǎn)向元件22對不需要的空間高頻進行非吸收性的轉(zhuǎn)向。圖2示出了激光束24的空間頻率的分布，其中Y軸表示光強(I)，而X軸則表示離開激光束24之中心軸31的位移(X)。在圖2中，分界線33將經(jīng)傅里葉變換的激光束24中包含空間低頻38的所需部分與包含空間高頻40的不需要部分隔開。如分界線33所示，空間低頻與空間高頻之間的選擇/拒絕邊界可以在某種程度上變化。分界線33給出了光轉(zhuǎn)向元件22相對經(jīng)傅里葉變換激光束24及其中心軸31的位置。
如這里所實施的并參照圖1，高功率密度激光束的空間濾光器20包括一個光轉(zhuǎn)向元件22。光轉(zhuǎn)向元件22可以是平面型波導。光轉(zhuǎn)向元件22由一種高度透明的非吸收性光學材料構(gòu)成。制成光轉(zhuǎn)向元件22的光學材料對正作空間濾光的激光束波長的吸收是可以忽略的。該光學材料應(yīng)該對將在一起使用的激光束波長透明，并因此在該激光束波長上具有較高的透射率。關(guān)于非吸收性，是指光轉(zhuǎn)向元件吸收如此少量的入射激光，使得光轉(zhuǎn)向元件不受絲毫的損壞或干擾。光轉(zhuǎn)向元件最好對激光的波長高度透明。構(gòu)成光轉(zhuǎn)向元件的光學材料最好在該激光波長上具有較高的透射率。構(gòu)成光轉(zhuǎn)向元件的材料最好具有這樣的光學性能，致使在厚度為10微米的薄片上，對入射光的吸收小于63％，吸收小于30％為宜，吸收小于10％則更好，而最好是吸收小于1％。測量時，非吸收性光轉(zhuǎn)向元件的吸收率非常低(小于1％)，因為入射該元件的一部分輻射能被吸收或轉(zhuǎn)換成熱能。拋光金屬表面等吸收性閉塞材料吸收大量的入射輻射能，這種吸收會損壞該吸收性材料。與本發(fā)明的非吸收性光轉(zhuǎn)向元件相比，光學拋光的不銹鋼表面是吸收性的。光轉(zhuǎn)向元件22較佳的非吸收性光學材料是熔融石英，尤其適于在用紫外線激光束對光波導寫入光柵時使用。高質(zhì)量的耐激光損傷的紫外線熔融石英是較佳的非吸收性光學材料。最好用一種紫外線透明的熔融石英，例如一種準分子級的熔融石英，當厚度為1厘米時，它在大于200納米(200-400納米)的紫外線波長上具有大于90％的外透射率(最好大于92％)，并且具有表面反射損耗。諸如熔融石英等光學材料宜在激光波長上至少具有99％的內(nèi)透射率，至少99.5％則更好，而最好為至少99.7％。光轉(zhuǎn)向元件22包括一個非反射面26和一個反射面28。如箭頭所示，通過非反射面26入射轉(zhuǎn)向元件22的光經(jīng)完全內(nèi)反射被反射面28反射，并且反射面28的反射以及元件22之光學材料與其周圍環(huán)境之間折射率的不同(折射率界面)使光轉(zhuǎn)離激光束24的中心軸，其中所述周圍環(huán)境一般是大氣，或者抽盡空氣的真空、或其它氣體及其混合物(例如，氬氣和氮氣等惰性氣體)。
如箭頭所示，通過非反射面26入射光轉(zhuǎn)向元件22的光被反射面28轉(zhuǎn)向，然后通過轉(zhuǎn)向元件22的光學材料傳輸。光可以通過縱向外側(cè)表面34傳輸，或者被縱向外側(cè)表面34反射。當光被縱向外側(cè)表面34反射時，波導將光引導至存在波導轉(zhuǎn)向元件22的末端36。
非反射面26是光進入光轉(zhuǎn)向元件22的入口，它最好是光學材料的拋光平面。設(shè)定激光束24的入射光與表面26的夾角，使激光束24的入射光透過表面26的折射率界面及其周圍的空氣。一個非反射性入射角的例子是，表面26與激光束24成近似垂直的關(guān)系。轉(zhuǎn)向元件22的反射面28和縱向外側(cè)表面34最好是提供一折射率界面的光學材料拋光平面。相對非反射面26以及透過非反射面26的激光束24的入射光，定位并形成反射面28，致使表面28的折射率界面使透射的入射光轉(zhuǎn)向。如圖1所示，使用適于光轉(zhuǎn)向元件22對不需要的空間高頻實現(xiàn)完全內(nèi)反射的角度，例如非反射面26與反射面28之間成45°角可以提供這樣一個裝置，該裝置可以使光入射元件22，并通過反射轉(zhuǎn)離激光束24的中心軸。圖3顯示了空間濾光器20的另一個實施例，在該實施例中，光轉(zhuǎn)向元件22由熔融石英的矩形塊構(gòu)成。如圖3所示，使非反射面26與反射面28以90°夾角相對入射光定位，以便反射和轉(zhuǎn)離激光束24的外圍部分40。圖7示出了光轉(zhuǎn)向元件22在反射面28折射率界面處以及周圍環(huán)境19中發(fā)生完全內(nèi)反射的要求。光轉(zhuǎn)向元件22由折射率為n1的透明光學材料構(gòu)成，并且周圍環(huán)境19的折射率為n2。在圖7中，實線/實箭頭表示在光轉(zhuǎn)向元件22中傳輸并入射在反射面28上的光束，其波長為λ，屬空間高頻，并且n1sinθ1＝n2sinθ2，這里θ1是入射光與反射面28之法線的夾角。就元件22中發(fā)生完全內(nèi)反射的最小角度θ1而言，θ2＝90°；因此θ1＝Arcsin(n2/n1)。
當θ1≥Arcsin(n2/n1)時，將實現(xiàn)完全內(nèi)反射。
折射率n1和n2依賴于光轉(zhuǎn)向元件22和周圍環(huán)境19的光學特性以及光的波長(λ)，其中周圍環(huán)境可以是一種氣體氣氛或者為真空。對于250nm波長(λ)的入射光，由熔融石英構(gòu)成的光轉(zhuǎn)向元件，周圍環(huán)境為標準大氣環(huán)境，n1＝1.5并且n2＝1，所以θ1＝Arcsin(1/1.5)≌42°。
當θ1≥42°時，可以在熔融石英制成的光轉(zhuǎn)向元件22的反射面28以及與周圍大氣19的界面上發(fā)生完全內(nèi)反射，這時波長(λ)為250納米。最好用一種石英作標準大氣界面來獲得完全內(nèi)反射，但如果需要，可以用適當光學被覆層來提高表面26的非反射率。來自激光束24之外側(cè)部分的光通過非反射面26入射偏轉(zhuǎn)元件22，并被反射面28的折射率界面轉(zhuǎn)向。光轉(zhuǎn)向元件22可以引導激光束24之外側(cè)部分40的入射光偏離激光束24的中心軸31以及經(jīng)濾光的激光束32，并將其導向末端36。末端36為元件22中的光提供了一個出口，尤其當元件22是一個光學波導時。末端36提供了一個合適的折射率界面，可使光透過，射出元件22。末端36可以包括聚焦或擴散表面之類的拋光平面或其它光學表面。從末端36和縱向外側(cè)表面34出射的光被傳播到諸如平板37的吸收表面，該吸收表面能夠吸收此刻功率密度較低的光。另一種方法是，進一步傳播不需要的出射光，并通過諸如散射等方式加以處理。
高功率密度激光束空間濾光器20的光轉(zhuǎn)向元件22將外側(cè)部分40反射，使其偏離入射激光束24的中心部分38及其具有經(jīng)過濾光的激光束32的中心軸31，其中外側(cè)部分40是入射激光束24中不需要的空間高頻。中心部分38和經(jīng)濾光的激光束32包含入射激光束24中需要的空間低頻。
可用來直接控制被轉(zhuǎn)向空間高頻光線的較佳光轉(zhuǎn)向元件22是針對激光束24而進行設(shè)計和定位的平面型波導，從而縱向外側(cè)表面34入射非反射面26的光包含在元件22內(nèi)，然后從末端36出射。
空間濾光器20可以由單個或多個光轉(zhuǎn)向元件22組成?？臻g濾光器20可以包含單個光轉(zhuǎn)向元件22，該光轉(zhuǎn)向元件包括一個最好為圓形的孔徑，并用一種透明的非吸收性光學材料制成。這樣的孔徑可以包括一個非反射面26和一個反射面28，其中入射激光束24的中心軸31和中心部分38可以穿過孔徑的開口氣隙和中心，而外側(cè)部分40將通過非反射面26射入光轉(zhuǎn)向元件22，并射向反射面28，然后反射面28使外側(cè)部分40中不需要的空間高頻部分轉(zhuǎn)向，使其偏離孔徑的中心以及激光束的中心軸31，這里最好能運用完全內(nèi)反射。
本發(fā)明還包括一種對高功率密度激光束進行空間濾光的方法。對激光束空間濾光的方法包括以下步驟提供一激光束，該激光束包括空間低頻部分和空間高頻部分；用非吸收方式使所述空間高頻部分轉(zhuǎn)向，使其偏離所述空間低頻部分。提供激光束的步驟最好還包括對激光束進行傅里葉變換的步驟，所述變換步驟包括以一維方式對高功率密度激光束聚焦。非吸收性轉(zhuǎn)向的步驟最好包括將所述空間高頻部分反射并在一種透明光學材料中傳播所述空間高頻部分。以一維方式對激光束進行傅里葉變換的較佳方法是，用一圓柱形透鏡或其它裝置進行聚焦，以便將光束聚焦成一條直線。對激光束的傅里葉變換在聚焦點和附近提供了內(nèi)側(cè)部分的空間低頻。使空間高頻部分轉(zhuǎn)向的步驟還包括非吸收性地反射外側(cè)的空間高頻部分，使其偏離內(nèi)側(cè)的空間低頻部分。使空間高頻部分轉(zhuǎn)向的較佳方法包括用一種高質(zhì)量的透明的非吸收性光學材料(諸如熔融石英)反射空間高頻部分的光。最好把具有非吸收性反射面的透明元件相對入射的空間高頻部分定位，使空間高頻部分與空間低頻部分分離。
本發(fā)明包括一種空間濾光器和空間濾光系統(tǒng)，它包括一個用于對所述激光束的外圍部分進行非吸收性轉(zhuǎn)向的裝置。用于非吸收性地使外圍部分轉(zhuǎn)向的較佳裝置包括一個用于反射激光束外側(cè)部分的光但不使激光束內(nèi)側(cè)部分的光轉(zhuǎn)向的裝置。本發(fā)明提供了一種激光束的空間濾光器，所述激光束包含空間高頻和空間低頻，所述濾光器包括一個用于對所述空間高頻非吸收性轉(zhuǎn)向，使其偏離所述空間低頻的裝置。用于非吸收性轉(zhuǎn)向的裝置最好還包括一個透明光學元件，該元件具有一個用于反射所述空間高頻的裝置，而該用于反射的裝置包括一個能提供完全內(nèi)反射的折射率界面。
本發(fā)明還包括一種在光波導中制作光柵的方法，最好能在光纖中制作布喇格光柵。制作光柵的發(fā)明方法包括產(chǎn)生激光束的步驟。該方法包括以下步驟通過以第一一維方式對激光束聚焦來進行傅里葉變換，從而形成聚焦成一直線的具有一中心軸的激光束；并且為了形成經(jīng)一維空間濾光的激光束，用一種透明的非吸收性反射元件對線聚焦的激光束的外側(cè)部分進行非吸收性的轉(zhuǎn)向，使其偏離線聚焦激光束的中心軸。該方法還包括用經(jīng)空間濾光的激光束形成一干涉圖案，以便制作光柵。在光纖中制作折射率光柵的較佳方法包括使用一種紫外線激光器。
制作光柵的方法還包括以下步驟為形成二次線聚焦激光束，以第二一維方式對經(jīng)一維空間濾光的激光束聚焦，并且用一種透明的非吸收性反射元件使二次線聚焦的激光束的外側(cè)部分非吸收性地轉(zhuǎn)向，以形成經(jīng)兩維空間濾光的激光束；并且用經(jīng)兩維空間濾光的激光束形成一干涉圖案，以便制作光柵。
用來使激光束的外側(cè)部分轉(zhuǎn)向的反射元件最好由對激光束的波長透明的熔融石英制成。
產(chǎn)生激光束的較佳方法包括產(chǎn)生一高功率密度的激光束，但能產(chǎn)生一紫外線高功率密度激光束則更好。
用圖3所述的方法和設(shè)備系統(tǒng)在光纖57中制作了光柵58。用于提供高功率密度激光束44的裝置42包括XeF(351納米)激光器，該XeF激光器用480納米香豆素藍色染料對染料激光器進行抽運，染料激光器產(chǎn)生的480納米波長的激光束驅(qū)使倍頻晶體產(chǎn)生240納米波長的激光束。激光束供應(yīng)裝置42還包括一個四棱鏡分束濾光器，該濾光器可以過濾掉任何從倍頻晶體中射出的波長為480納米的光，從而提供波長為240納米的高功率密度紫外線激光束44。用于產(chǎn)生高功率密度紫外線激光束的另一種裝置可以是一種準分子激光器，例如248納米的KrF準分子激光器。用于對激光束44進行傅里葉變換和聚焦的裝置46包含一個圓柱形透鏡。圓柱形透鏡46以一維方式對激光束44聚焦，從而在光轉(zhuǎn)向元件22之間的空氣隙處為空間濾光器提供一經(jīng)傅里葉變換的線聚焦光束。透鏡46在聚焦點和空間濾光器20處或附近提供了由空間高頻外側(cè)部分40和空間低頻內(nèi)側(cè)部分38組成的經(jīng)傅里葉變換的線聚焦激光束24?？臻g濾光器20由光轉(zhuǎn)向元件22構(gòu)成，其中光轉(zhuǎn)向元件是高純度的紫外線準分子級之熔融石英的矩形塊。因為制造具有90°邊的矩形塊狀光學元件較為容易，所以最好使用矩形塊狀的光轉(zhuǎn)向元件22。把光轉(zhuǎn)向元件22相對線聚焦的激光束24定位，致使外側(cè)部分40的空間高頻激光穿過非反射面26，并如箭頭所示被反射面28轉(zhuǎn)向。內(nèi)側(cè)部分38的空間低頻激光穿過由非反射面26和反射面28形成的光轉(zhuǎn)向元件22之頂角間的空氣隙。光轉(zhuǎn)向元件22為矩形塊，其大小近似為長3厘米，寬2厘米，厚0.5厘米。光轉(zhuǎn)向元件的厚度范圍可以大約從1毫米(0.1厘米)至2厘米，還具有適于激光束大小，并且用支架支撐在光學平臺上的長度和寬度。從空間濾光器20射出的經(jīng)空間濾光的激光束32包含高功率密度的中心瓣50以及低功率密度的外圍瓣52。外圍瓣52被阻光器48吸收，其中阻光器48由能吸收低功率密度外圍瓣52的標準BK-7光學玻璃構(gòu)成。經(jīng)一維空間濾光的光束54傳輸至用于形成干涉圖案的裝置56。用于形成干涉圖案的裝置56包括一個干涉儀，它將激光束54分成兩束分立的光束，然后再重新合并這兩束光，從而形成干涉圖案。干涉圖案形成裝置56還可以包括其它用于在光波導57中使用相位掩模形成干涉圖案的裝置。用能量密度大小近似為200毫焦耳/脈沖/厘米2的經(jīng)一維空間濾光的高功率密度激光束54在光波導57上形成一干涉圖案。光波導57包括幾段康寧SMF/DSTM光纖，最好對這種光纖充H2，以提高它的光敏度。
在光纖段中制作光纖布喇格光柵，比較向干涉圖案形成裝置56提供經(jīng)空間濾光激光束和提供未經(jīng)空間濾光激光束之間的差別。圖4是用未經(jīng)空間濾光的激光束制作的光纖布喇格光柵的反射光譜。圖5是用本發(fā)明空間濾光器產(chǎn)生的經(jīng)空間濾光的激光束制作的光纖布喇格光柵的反射光譜。將圖5中由空間濾光器產(chǎn)生的光柵與圖4中不用空間濾光器產(chǎn)生的光柵相比較，可見本發(fā)明與高功率密度紫外線激光束一起使用的透明的反射型非吸收性空間濾光器以及方法產(chǎn)生的光波導光柵，其位于所需高反射率波帶62之外的不需要的反射率旁瓣60的大小降低了。圖5中反射率旁瓣60數(shù)值的降低要優(yōu)于圖4中的旁瓣60。圖8是依照本發(fā)明用本發(fā)明空間濾光器產(chǎn)生的經(jīng)空間濾光的激光束制作的本發(fā)明光纖布喇格光柵的反射光譜，其中在480納米波長的藍色光束入射倍頻晶體之前，用一個石英塊截去該光束的一側(cè)。圖8中由空間濾光器產(chǎn)生的光柵性能非常好，表現(xiàn)在處于所需高反射率波帶62外側(cè)的不需要的反射率旁瓣60極低(小于-39分貝)。在圖8的創(chuàng)造性光纖布喇格光柵中，在帶寬約1.5納米的高反射率波帶62的外側(cè)，不存在反射率大于-39分貝的旁瓣60。本發(fā)明包括這樣一種創(chuàng)造性的光纖布喇格光柵，它具有一高反射率波帶，但在該波帶的外側(cè)沒有反射率大于-39分貝的旁瓣。本發(fā)明還包括制作這種創(chuàng)造性光纖布喇格光柵的方法，其中制作光纖布喇格光柵的方法包括對激光束進行空間濾光的步驟，以便產(chǎn)生旁瓣的反射率小于-39分貝的光纖布喇格光柵。
圖6揭示了本發(fā)明的另一個實施例，該實施例提供了一種用兩維方式完全空間濾光的激光束64在波導57中制作光柵58的設(shè)備系統(tǒng)和方法。用對激光束進行傅里葉變換的第二聚焦裝置46和第二透明的非吸收性空間濾光裝置20對經(jīng)一維空間濾光的激光束32進行另一維的空間濾光。用相對第一圓柱形透鏡46旋轉(zhuǎn)了90°的第二圓柱形透鏡46以第二一維方式對經(jīng)一維空間濾光的激光束32聚焦，從而形成二次線聚焦的激光束63。用相對第一空間濾光器20旋轉(zhuǎn)了90°的第二空間濾光器20對二次線聚焦的激光束63進行空間濾光，以便與二次線聚焦的激光束63相適應(yīng)。將經(jīng)兩維空間濾光的激光束64傳輸至裝置56，以形成干涉圖案。于是用經(jīng)兩維空間濾光的高功率密度紫外線激光束64在光波導57中寫入折射率光柵58。用這種經(jīng)空間濾光的激光束制作的光纖布喇格光柵在降低反射率旁瓣大小方面應(yīng)具有進一步的改善。
對于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，不脫離本發(fā)明的精神和范圍對本發(fā)明的方法和設(shè)備進行各種變化和改變將是顯而易見的。因此，本發(fā)明試圖覆蓋這些變化和改變，只要它們處于所附權(quán)利要求及其等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光束空間濾光器，其特征在于，它包括一個光轉(zhuǎn)向元件。
2.如權(quán)利要求1所述的空間濾光器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向元件包含一種非吸收性的光學材料。
3.如權(quán)利要求1所述的空間濾光器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向元件包含一種透明的光學材料。
4.如權(quán)利要求1所述的空間濾光器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向元件包含熔融石英。
5.如權(quán)利要求1所述的空間濾光器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向元件包括一個反射面。
6.如權(quán)利要求5所述的空間濾光器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)向元件包含一種透明的光學材料，并包括一個非反射面。
7.如權(quán)利要求5所述的空間濾光器，其特征在于，所述反射面將具有中心軸的激光束之外側(cè)部分的空間高頻光非吸收性地轉(zhuǎn)向，使其偏離所述激光束的所述中心軸。
8.一種對激光束進行空間濾光的方法，其特征在于，包括以下步驟提供一束激光，所述激光束包括一空間低頻部分和一空間高頻部分；非吸收性地將所述空間高頻部分轉(zhuǎn)向，使其偏離所述空間低頻部分。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，提供激光束的步驟還包括對該激光束進行傅里葉變換。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，提供激光束的步驟還包括以一維方式對高功率密度的激光束進行聚焦。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，進行非吸收性轉(zhuǎn)向的步驟包括反射所述空間高頻部分。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，進行非吸收性轉(zhuǎn)向的步驟還包括在一透明的光學材料中傳播所述空間高頻部分。
13.一種激光束空間濾光器，所述激光束包含空間高頻和空間低頻，其特征在于，所述濾光器包括一個用于非吸收性地將所述空間高頻轉(zhuǎn)離所述空間低頻的裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的空間濾光器，其特征在于，所述用于進行非吸收性轉(zhuǎn)向的裝置還包括一個具有一用于反射所述空間高頻之裝置的透明光學元件。
15.如權(quán)利要求14所述的空間濾光器，其特征在于，所述用于反射的裝置包括一個提供完全內(nèi)反射的折射率界面。
16.一種制作光柵的方法，其特征在于，包括以下步驟產(chǎn)生一激光束；以第一一維方式對激光束聚焦，以形成一個具有中心軸的線聚焦激光束；用一個反射元件非吸收性地將線聚焦激光束的外側(cè)部分轉(zhuǎn)離線聚焦激光束的中心軸，以形成經(jīng)一維空間濾光的激光束；用所述經(jīng)空間濾光的激光束形成一個干涉圖案，從而制成光柵。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟以第二一維方式對經(jīng)一維空間濾光的激光束聚焦，以形成二次線聚焦的激光束；用一個反射元件非吸收性地將二次線聚焦激光束的外側(cè)部分轉(zhuǎn)向，以形成經(jīng)二維空間濾光的激光束；用所述經(jīng)二維空間濾光的激光束形成一個干涉圖案，從而制成光柵。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述反射元件包含熔融石英。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生激光束的步驟還包括產(chǎn)生一高功率密度激光束。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生高功率密度激光束的步驟還包括產(chǎn)生一紫外線激光束。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，用所述經(jīng)空間濾光的激光束形成一干涉圖案從而制成光柵的所述步驟還包括在一光波導中形成一干涉圖案，從而在所述光波導中產(chǎn)生折射率的變化。
22.一種制作光柵的方法，其特征在于，包括以下步驟產(chǎn)生一激光束；以第一一維方式對激光束聚焦，以形成具有中心軸的線聚焦激光束；用一個反射元件非吸收性地將線聚焦激光束的外側(cè)部分轉(zhuǎn)離線聚焦激光束的中心軸，以形成經(jīng)一維空間濾光的激光束；用所述經(jīng)空間濾光的激光束形成一個干涉圖案，從而制成一個光纖布喇格光柵，其中所述光纖布喇格光柵沒有反射率大于-39分貝的旁瓣。
23.一種光纖布喇格光纖，它具有一個高反射率的波帶，并且所述光柵在所述高反射率波帶的外側(cè)具有多個旁瓣，其特征在于，位于所述波帶外側(cè)的所述旁瓣的反射率小于-39分貝。
全文摘要
本發(fā)明包括一種空間濾光器以及對激光束尤其是高功率激光束進行空間濾光的方法。本發(fā)明的空間濾光器以及所用的方法特別適用于在光波導中寫入折射率光柵的光學系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種在光纖中寫入光柵的方法,該方法可以改善光柵的性能。
文檔編號G02B5/18GK1201151SQ9810927
公開日1998年12月9日 申請日期1998年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月29日
發(fā)明者湯姆斯·A·庫克, 羅伯特·A·摩達維斯 申請人:康寧股份有限公司