专利名称：宽带角度选择激光滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学滤波领域，更具体地说，涉及一种兼具角度选择滤波能力和宽带 输出能力的宽带角度选择激光滤波器。
背景技术：
高功率激光对各种空间干扰很敏感，各类干扰所导致的衍射会降低激光的空间均 勻性，提高激光的近场均勻性有助于提高高功率激光装置的负载能力。在高功率激光装置中，空间滤波器是必不可少的关键器件。传统的针孔滤波器 (“4f”系统)是最常用的空间滤波器之一。它首先使光束聚焦，利用透镜的傅里叶变换作 用分开激光中不同的空间频率成分，空间频率高的发散角大，然后利用针孔(或单模光纤) 选取所需的角谱分量，去除有害光噪音。孔径决定光斑的大小，针孔直径控制滤波的程度， 实现低通空间滤波。但是，针孔滤波器在高功率激光系统中的应用有局限除了准直困难， 造价高昂外，高功率激光聚焦可能会损坏针孔或使空气离子化，在外光路中亦可使空气电 离，影响光束质量，甚至破坏激光系统；还有聚焦后非线性效应的增长等。现已建成的高功率激光驱动器中，采用的是独立的空间滤波器，其占地面积大，造 价高昂。下一代高功率激光驱动器计划中，拟采用全新的光束传输控制技术取代独立的空 间滤波技术。布拉格体光栅由于其具有优秀的角度和光谱选择性，对光束传输和空间滤波 技术具有革命性的意义。近年来，超短脉冲技术取得了长足进步，可以获得脉宽窄、带宽大、峰值功率高、波 长可调的超短光脉冲(脉宽量级为10_12 10_15秒)，超高强度激光脉冲的传输与控制问题 也是强激光科学技术领域的重要内容。为了全面提升高功率激光脉冲的综合控制能力，需 要研究和发展基于新原理、新技术和新材料的“全域”控制技术与功能器件。基于布拉格体 光栅的近场滤波技术可以有效地消除中高频的影响、抑制光束旁瓣，有效控制放大自发辐 射的传输以及激光的近场光束分布，极大地提高系统的可靠性，降低驱动器的体积和成本， 是当今激光技术发展的主要单元技术之一，对于促进高功率激光技术的发展具有重要的意 义。国内可见一种体全息光栅整形装置，其用途是对超短脉冲激光束进行整形(中国 专利200610024096. 0)；可见一种窄带光滤波器，由一块透射式体布拉格光栅和一块反射 式体布拉格光栅组合而成的公开专利报道(中国专利200910089834. 3)，获得皮米量级激 光输出；可见一种高功率激光衍射型空间滤波器，使用了分离式体积布拉格光栅或双片集 成式光栅的公开专利报道(中国专利200910312157. 7)。可见一种超短脉冲激光滤波装置， 由同光轴依次设置的第一 1/4波片、第一正透镜、小孔光阑、非线性正色散透明固体材料、 第二正透镜、第二 1/4波片和检偏器构成，所述非线性正色散透明固体材料为BK7玻璃的公 开专利报道(中国专利200710038661. 3)。可见国防科技大学光电科学与工程学院郑光威 等人发表的公开文献报道(郑光威，何焰蓝等，“透射型体相位光栅对连续激光束的空间低 通滤波”，《光学学报》，2009年四卷第4期；郑光威，刘莉等，“透射型体光栅对超短脉冲高
3斯光束衍射特性研究”，《光学学报》，2009年四卷第1期；郑光威，谭吉春等，“反射型体光 栅对超短脉冲高斯光束衍射特性分析”，《光学学报》，2009年第12期)研究了体相位光栅对 激光的衍射特性，这与应用体光栅制作成滤波器有关联性；可见用于实现空间滤波的体布 拉格光栅的制备，用全息法在光致聚合物中记录了体布拉格光栅，完成了激光光束二维空 间低通滤波的实验的公开文献报道(郑浩斌，何焰蓝等，“用于实现空间滤波的体布拉格光 栅的制备”，《光电工程》，2009年第1期)。上述所报道的滤波器构型满足窄带滤波的需要， 不支持宽带激光输出。空间滤波器大多用于信息通讯领域，在激光技术领域有见于报道的 滤波器多是窄带滤波器，而可用于高功率脉冲激光系统的宽带空间滤波器(可支持IOOnm 输出带宽)尚未见相关报道。
发明内容
本发明的目的是，针对现有技术的上述空间滤波器仅满足窄带滤波的需要、不支 持宽带激光输出的缺陷，提供一种兼具角度选择滤波能力和宽带输出能力的宽带角度选择 激光滤波器。为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是构造一种宽带角度选择激光 滤波器，其中包括用于对入射激光进行第一次衍射的第一面光栅以及对从所述第一面光栅 出射的衍射光进行第二次衍射的布拉格体光栅，所述第一面光栅的光栅周期为所述布拉格 体光栅的光栅周期的两倍。进一步的技术方案，所述宽带角度选择激光滤波器还包括对从所述布拉格体光栅 出射的衍射光进行第三次衍射的第二面光栅。在本发明所述的宽带角度选择激光滤波器中，所述第一面光栅、所述第二面光栅 以及所述布拉格体光栅均为透射型光栅，所述布拉格体光栅为位相型布拉格体光栅。 上述技术方案中，所述布拉格体光栅可由光致热敏折射率玻璃制备而成。所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的多组分硅酸盐玻璃。在本发明所述的宽带角度选择激光滤波器中，所述布拉格体光栅为勻周期体光 栅。优选的技术方案，所述布拉格体光栅为双块组合式透射型位相布拉格体光栅。所述布拉格体光栅可以由两块光栅栅纹相互垂直的子体光栅组合而成；也可以由 两块光栅栅纹平行的子体光栅组合而成。优选的技术方案，组成所述布拉格体光栅的两个子体光栅的光栅厚度不同。由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有以下有益效果1、本发明结合了面光栅的良好的色散能力和体光栅的良好的角度选择性，使空间 滤波器兼具良好的角度选择滤波能力和良好的宽带输出能力。2、在本发明的优选技术方案中，第二面光栅的设置使正入射光束以正出射方式输 出。透射型布拉格体光栅可以很好地实现角度选择滤波并且位相型的布拉格体光栅可以实 现位相的调制。采用光致热敏折射率玻璃制备的布拉格体光栅热稳定性好，可承载的激光 功率较高。采用勻周期体光栅和组合式体光栅可以达到更好的滤波效果。子体光栅采用栅 纹相垂直的结构实现对入射光的二维空间滤波。子体光栅采用栅纹平行的结构消除经单块 体光栅滤波后残留的空间频率成分，获得无旁瓣的滤波效果。
图1是本发明的宽带角度选择激光滤波器的第一优选实施例的结构示意图；图2是本发明的宽带角度选择激光滤波器的第二优选实施例的结构示意图；图3是布拉格体光栅的角度选择模拟图；图4是布拉格体光栅的光谱选择模拟图；图5是本发明的宽带角度选择激光滤波器的优选实施例的光谱选择模拟图；图6是本发明的宽带角度选择激光滤波器的优选实施例的角度选择模拟图；图7是由两块光栅栅纹相互垂直的子体光栅组合而成的布拉格体光栅的结构示 意图；图8是由两块光栅栅纹平行的子体光栅组合而成的布拉格体光栅的结构示意图；图9是采用图8所示的布拉格体光栅的旁瓣抑制滤波模拟图；图10是布拉格体光栅内的光波矢量关系示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。本发明提供了一种不用透镜和针孔的、承载激光功率较高的衍射型宽带角度选择 激光滤波器；本宽带角度选择激光滤波器突破了窄带滤波器的带宽限制，可获得宽带激光 输出(输出带宽和中心波长可调谐)，满足短脉冲和超短脉冲激光空间滤波的需求，结构简 单，效率高。在图1所示的本发明的宽带角度选择光滤波器的第一优选实施例的结构示意图 中，所述宽带角度选择光滤波器包括第一面光栅1和布拉格体光栅2，第一面光栅1用于对 入射光进行第一次衍射，布拉格体光栅2用于对从第一面光栅1出射的衍射光进行第二次 衍射，第一面光栅1的光栅周期与布拉格体光栅2的光栅周期相匹配，如第一面光栅1的光 栅周期为布拉格体光栅2的光栅周期的两倍。布拉格体光栅2用作角度选择滤波元件具有优秀的角度、波长选择特性以及较高 的衍射效率，被认为是理想的光谱和角度选择器件，具有很高的可调性。入射角、衍射角、中 心波长、角度(光谱)选择性等参数，可以通过改变光栅厚度、折射率调制度、光栅周期、栅 线倾斜角等光栅结构参数来调节。布拉格体光栅2优秀的光学性能主要表现在(1)角度选择达0. 1 IOmrad (透射型)，或10 IOOmrad (反射型)；(2)光谱选择性达0. 3 2Onm (透射型)，或0. 01 IOnm (反射型)；(3)衍射效率高，633nm到1550nm范围可达99% (透射型)或97% (反射型)；(4)损伤阈值高，对于Ins的YAG激光，损伤阈值可以达到7 lOJ/cm2，对于8 IOns的激光可达30 40J/cm2 ；(5)损耗小，光栅损耗小于2. 5%。传统空间滤波器通过透镜将入射光在远场聚焦，布拉格体光栅2则是在光束近场 直接进行空间滤波，成功克服了广泛使用的针孔滤波方式在焦平面处光强过高，易导致击穿周边材料甚至“堵孔效应”等不利因素。布拉格体光栅角度滤波的原理对透射型布拉格体光栅，当入射光偏离布拉格角 时，一部分光直接透射，另一部分光束则被衍射。根据傅里叶光学原理，任意分布的光束可 展开为无数个平面波的叠加，平面波传播方向与光束中的空间频率成分一一对应。布拉格 体光栅具有良好的角度敏感性和选择性，光束中不同的空间频率成分经体光栅衍射后，中 高频成分发散角偏离布拉格角大，几乎不能被体光栅衍射，因此在衍射光束中中高频成分 基本被滤除。但是，为了提高高功率激光的近场均勻性，抑制非线性效应的增长，空间滤波器需 要有很好的角度选择性，则需要增加布拉格体光栅2的厚度，后果是布拉格体光栅2的光谱 选择性也非常好，即衍射光光谱带宽很小，无法获得宽带激光输出。因此布拉格体光栅2广 泛应用在窄带空间滤波器中，具有很好的角度选择性，但是仅对固定波长或者窄带宽有用。 透射型面光栅用作色散元件，没有角度选择性，但具有很好的色散能力，且不论入射光束的 角度和光谱成分如何，总有对应方向的衍射光，并且衍射角对应于波长。本发明的宽带光滤 波器，它是由第一面光栅1和布拉格体光栅2组合而成，结合第一面光栅1的色散能力和布 拉格体光栅2的角度选择性，其效果是兼具宽带输出能力及角度选择滤波能力。第一面光栅1和布拉格体光栅2的光栅周期需要匹配，具体说二者的光栅周期必 须满足第一面光栅1的光栅周期为布拉格体光栅2的光栅周期的两倍。这样正入射光束 经第一面光栅1衍射后入射到布拉格体光栅2时其光谱成分完全满足布拉格体光栅2的布 拉格条件。
详细分析如下
由Kogelnik的耦合波理论，有吸收的位相型体光栅的衍射效率为
权利要求
1.一种宽带角度选择激光滤波器，其特征在于包括用于对入射光进行第一次衍射的 第一面光栅(1)以及对从所述第一面光栅(1)出射的衍射光进行第二次衍射的布拉格体光 栅(2)，所述第一面光栅(1)的光栅周期为所述布拉格体光栅(2)的光栅周期的两倍。
2.根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述宽带角度选择 激光滤波器包括对从所述布拉格体光栅(2)出射的衍射光进行第三次衍射的第二面光栅 (3)。
3.根据权利要求2所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述第一面光栅(1)、所述第二面光栅(3)以及所述布拉格体光栅(2)均为透射型光栅，所述布拉格体光栅(2)为位相型布拉格体光栅。
4.根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述布拉格体光栅 (2)由光致热敏折射率玻璃制备而成。
5.根据权利要求4所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述光致热敏折射 率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的多组分硅酸盐玻璃。
6.根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述布拉格体光栅 (2)为勻周期体光栅。
7.根据权利要求1所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述布拉格体光栅 (2)为双块组合式透射型位相布拉格体光栅。
8.根据权利要求7所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述布拉格体光栅 (2)由两块光栅栅纹相互垂直的子体光栅组合而成。
9.根据权利要求7所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于所述布拉格体光栅 (2)由两块光栅栅纹平行的子体光栅组合而成。
10.根据权利要求8或9所述的宽带角度选择激光滤波器，其特征在于组成所述布拉 格体光栅(2)的两块子体光栅的光栅厚度不同。
全文摘要
本发明公开了一种宽带角度选择激光滤波器，其中包括用于对入射激光进行第一次衍射的第一面光栅以及对从所述面光栅出射的衍射光进行第二次衍射的布拉格体光栅，所述面光栅的光栅周期为所述布拉格体光栅的光栅周期的两倍。本发明的宽带角度选择激光滤波器根本不同于使用透镜和针孔的传统空间滤波器，结构紧凑；滤波器衍射光谱较宽，同时兼具对各光谱成分优秀的低通滤波能力，能满足短脉冲和超短脉冲激光空间滤波的要求；可承载的激光功率较高，消除了聚焦激光造成堵孔效应和烧毁滤波元器件的可能。
文档编号G02B1/00GK102096204SQ20111000114
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者吴尚, 封建胜, 张桂菊, 张翔, 袁孝, 邹快盛 申请人:苏州大学