专利名称：一种硅基光学限幅器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种光学限幅器，尤其涉及ー种用于激光防护的光学限幅器。
背景技术：
自从20世纪60年代激光器问世以来，随着科技的逐步发展，激光器的输出功率越来越大，其输出的激光的強度也越来越高。激光已经成为了现代战争中光电对抗的ー个重要方面，由此有关于强激光防护的研究也逐渐受到人们的重视。这是由于强激光很容易损伤人眼、光学仪器等，所以必须采取一定的防护措施，而光学限幅器就是ー种能够限制通过其的光束的強度以达到防护目的的器件。对于ー个理想的光学限幅器，它应具有以下特性对于较弱的入射光，它具有相对较高的透过率，而随着入射光强的逐渐增加，它的透过率会逐渐降低，从而将输出光强稳定于某ー阈值，进而起到保护光路中在其之后的光学器件的作用。广义上光学限幅器可以分·为主动限幅器和被动限幅器两类。其中，主动限幅器是利用主动反馈来完成光学限幅。例如，用光电探测器获得的信号控制光阑口径以阻止强光进入光学系统。被动限幅器是利用非线性光学介质本身具有的非线性光学性质来实现光学限幅功能。目前光学限幅器的研究主要集中在被动限幅器上，需要寻找新材料(如纳米材料和有机材料等)以及应用新原理(如反饱和吸收、双光子吸收、非线性折射和非线性散射等)来制作新颖的、光学性能稳定的光学限幅器。自聚焦效应是光束经过具有较大的正的非线性折射系数的非线性光学介质所表现出来的ー种光学现象，当这类非线性光学介质(如ニ硫化碳(CS2)溶液)受到较强的光照射时，介质的折射率发生与光强相关的变化，当照射的光束的強度在光束的横截面上的分布是高斯型(即钟型)，并且该強度足够产生非线性效应的情况下，此时折射率的横向分布也是高斯型的，因此该介质就像会聚透镜一祥能够会聚光束。目前已经出现了利用非线性光学介质制备的光学限幅器，例如在光路中设置非线性光学介质和其之后的光阑结构以实现光学限幅的功能，但是它们大多结构较复杂、制作成本较高，因此不利于エ业化规模加エ生产。因此，本领域的技术人员致カ于开发ー种光学限幅器，通过在光路中设置非线性光学介质，并在该介质之后设置经过激光晶化处理的硅薄膜，来实现限制透射光的光强的功能，达到光学限幅的效果。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供ー种光学限幅器，通过在光路中设置非线性光学介质实现了对光强较强的入射激光的聚焦，通过在该非线性光学介质之后设置经过激光晶化处理的硅薄膜，实现了对聚焦后的入射激光的吸收以达到光学限幅的效果。为实现上述目的，本发明提供了ー种光学限幅器，其特征在于，包括非线性光学介质和硅薄膜，所述非线性光学介质具有正的非线性折射系数，所述硅薄膜上具有经过激光晶化处理的晶化区域；所述硅薄膜的吸收系数在所述晶化区域的横截面上的分布为沿所述晶化区域的边缘到所述晶化区域的中心的方向递增；入射激光束依次通过所述非线性光学介质和所述硅薄膜的所述晶化区域。进ー步地,所述非线性光学介质是ニ硫化碳溶液。进ー步地，所述ニ硫化碳溶液被封装在石英比色皿中。进ー步地，所述入射激光束为高斯光束。可选地，所述入射激光束的光强大于或等于自聚焦阈值光强，所述入射激光束通过所述非线性光学介质后被聚焦并投射在所述硅薄膜的所述晶化区域上，且经过所述聚焦的所述入射激光束在所述硅薄膜上的光斑的直径小于2倍的所述晶化区域的直径，所述光斑的中心的位置与所述晶化区域的所述中心的位置之间的偏差不大于10%。可选地，所述入射激光束的光强小于自聚焦阈值光强，所述入射激光束通过所述非线性光学介质后被投射在所述硅薄膜上，且所述入射激光束在所述硅薄膜上的光斑的直径大于2倍的所述晶化区域的直径。进ー步地，进行所述激光晶化处理所采用的激光束为高斯光束，且所述激光束的光斑的直径小于所述入射激光束在通过所述非线性光学介质之前的光斑的直径的二分之
O进ー步地,所述娃薄膜是非晶娃薄膜或纳米娃薄膜。进ー步地，所述硅薄膜的所述吸收系数在所述晶化区域的所述横截面上呈高斯分布。在本发明的ー个较佳实施方式中，提供了ー种光学限幅器，包括非线性光学介质和硅薄膜。其中，非线性光学介质是封装在石英比色皿中的ニ硫化碳溶液，硅薄膜是纳米硅薄膜，硅薄膜上具有经过激光晶化处理的晶化区域。进行激光晶化处理时采用的激光束为高斯光束，处理后的硅薄膜的吸收系数在晶化区域的横截面上呈高斯分布。使用时，如果入射激光束的光强大于或等于自聚焦阈值光强，入射激光束通过ニ硫化碳溶液后被聚焦并投射在硅薄膜的晶化区域上，且经过聚焦的入射激光束在硅薄膜上的光斑基本落在晶化区域，因此其光强被大幅吸收，这样就达到了光学限幅的效果；如果入射激光束的光强小于自聚焦阈值光强，所述入射激光束通过ニ硫化碳溶液后被投射在硅薄膜上，由于入射激光束在硅薄膜上的光斑的尺寸比晶化区域的尺寸大得多，因此可以保证其保持较高的透过率。可见，本发明的光学限幅器在光路中设置了非线性光学介质(CS2),并在该介质之后设置了经过激光晶化处理的硅薄膜，通过利用较强激光束通过CS2时的自聚焦效应和硅薄膜的晶化区域上的呈高斯分布的吸收系数，实现了对入射激光束的光学限幅的功能。本发明结构简单、成本低廉，并且本发明所采用的材料目前已可实现エ业化规模生产。本发明可用于多种不同场合，从而为精密光学器件(包括人眼)的安全使用提供保障。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进ー步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图I是本发明的光学限幅器的结构示意图。
图2是本发明的光学限幅器的经过激光晶化处理的硅薄膜的示意图。图3是测量得到的本发明的光学限幅器的硅薄膜的吸收系数在晶化区域的横截面上的分布图。图4是本发明的光学限幅器的光学限幅特性实验的实验结果曲线图。
具体实施例方式如图I所示，本发明的光学限幅器40包括封装在石英比色皿10中的ニ硫化碳(CS2)溶液11和经过激光晶化处理的硅薄膜20。其中，石英比色皿10的壁厚为1mm，硅薄膜20上具有经过激光晶化处理的晶化区域21 (參见图2)。石英比色皿10通过支架12固 定在底板30上，硅薄膜20在透明的衬底22的ー个表面上，衬底22通过支架23固定在底板30上。使用吋，入射激光束51进入光学限幅器40，依次通过ニ硫化碳溶液11和硅薄膜20的晶化区域21，成为出射激光束52离开光学限幅器40。在本实施例中，本发明的光学限幅器40具有外壳，石英比色皿10 (包括封装在其中的ニ硫化碳溶液11)、衬底22 (包括在其ー个表面上的硅薄膜20，硅薄膜上具有晶化区域21)、支架12、支架23和底板30通过精确地设定彼此间的位置后被封装在此外壳内。入射激光束51从该外壳的一端进入，依次通过ニ硫化碳溶液11和硅薄膜20的晶化区域21，成为出射激光束52从该外壳的另一端出射。在本实施例中，硅薄膜20为纳米硅薄膜，采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)生长在衬底22的ー个表面上，厚度约I微米，晶态比(即薄膜中的晶态成分所占薄膜的总体积百分比)约为37%。衬底22是透明的衬底。对硅薄膜20进行的激光晶化处理的參数是激光器的中心波长为800nm，脉冲宽度为lOOfs，重复频率为82MHz，功率约为200mff ;激光束为高斯光束，激光束的光斑的尺寸与入射激光束51的光斑的尺寸相关，例如激光束的光斑的直径小于入射激光束51在通过ニ硫化碳溶液11之前的光斑的直径的ニ分之一。在本实施例中，经过上述激光晶化处理后得到的晶化区域21的直径约为50微米。由于激光晶化处理后，硅薄膜的禁带宽度将会降低，并且材料表面粗糙度增加，因此经过激光晶化处理的硅薄膜的吸收系数会发生改变。如图3所示，硅薄膜20的吸收系数α在晶化区域21的横截面上沿晶化区域21的边缘到晶化区域21的中心的方向递增，且呈高斯分布。图中r为硅薄膜20上所测位置到晶化区域21的中心的距离，在晶化区域21的边缘处r 25 μ m，在晶化区域21的中心处r=0。需要说明的是，在本实施例中使用的硅薄膜20是纳米硅薄膜，在其它的实施例中也可以使用非晶硅薄膜。ニ硫化碳溶液11是非线性光学介质，具有较大的正的非线性折射系数。強度足够大的激光束经过这类非线性光学介质时，会发生自聚焦效应。其中，对于某一非线性光学介质，激光束通过其中能够发生自聚焦效应的最小光强为自聚焦阈值光強。因此，对于ニ硫化碳溶液11，当入射激光束51的光强大于或等于自聚焦阈值光强时，入射激光束51通过ニ硫化碳溶液11发生自聚焦效应，入射激光束51被聚焦并投射在硅薄膜20的晶化区域21上。经过聚焦的入射激光束51在硅薄膜20上的光斑基本落在晶化区域21，例如入射激光束51在硅薄膜20上的光斑的直径小于2倍的晶化区域21的直径，且该光斑的中心的位置与晶化区域的中心的位置之间的偏差不大于10%。即入射激光束51被聚焦至硅薄膜20的中心高吸收系数区域，从而激光束的透过率逐渐降低，达到光学限幅的效果。当入射激光束51的光强小于自聚焦阈值光强时，入射激光束51通过ニ硫化碳溶液11不发生自聚焦效应，入射激光束51被投射在娃薄膜20上，由于入射激光束51在娃薄膜20上的光斑的直径大于2倍的晶化区域21的直径，因此晶化区域21对入射激光束51的吸收作用较小，可以保证其光强变化较小。图4给出了对本发明的光学限幅器40进行的光学限幅特性实验的实验结果，实验时，调节石英比色皿10和硅薄膜20之间的距离为5厘米，使用的入射激光束51的參数为激光器的中心波长为800nm，脉冲宽度为lOOfs，重复频率为82MHz，最大输出功率约为250mW，激光束为高斯光束。使用激光功率计分别測量入射激光束51的功率(即图4中的入射激光功率)和出射激光束52的功率(即图4中的出射激光功率)，即可得到出射激光束52的功率随入射激光束51的功率的变化关系。由图中可以看出当入射激光束51功率小于IOOmW吋，入射激光束51通过ニ硫化碳溶液11基本不发生自聚焦效应，光透过率(出 射激光功率与入射激光功率的比值)为常数；当入射激光束51功率达到IOOmW并继续増大吋，CS2溶液的自聚焦效应开始发生作用，则入射激光束51投射到硅薄膜20上的光斑逐渐减小，聚焦到高吸收系数的晶化区域21，从而光透过率逐渐减小，输出激光束52的光强被限制于一定数值(即阈值光强)之下。在本实施例中，使用ニ硫化碳溶液11作为具有较大的正的非线性折射系数的非线性光学介质，但在其它的实施例中也可以使用其它的具有较大的正的非线性折射系数的非线性光学介质。在本实施例中，ニ硫化碳溶液11封装在石英比色皿10中，但在其它的实施例中也可以使用其它的封装方式。另外，通过调节石英比色皿10的厚度以及石英比色皿10和硅薄膜20之间的距离还可以在一定范围之内调节光限幅的阈值光強。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种光学限幅器，其特征在于，包括非线性光学介质和硅薄膜，所述非线性光学介质具有正的非线性折射系数，所述硅薄膜上具有经过激光晶化处理的晶化区域；所述硅薄膜的吸收系数在所述晶化区域的横截面上的分布为沿所述晶化区域的边缘到所述晶化区域的中心的方向递增；入射激光束依次通过所述非线性光学介质和所述硅薄膜的所述晶化区域。
2.如权利要求I所述的光学限幅器，其中所述非线性光学介质是二硫化碳溶液。
3.如权利要求2所述的光学限幅器，其中所述二硫化碳溶液被封装在石英比色皿中。
4.如权利要求3所述的光学限幅器，其中所述入射激光束为高斯光束。
5.如权利要求4所述的光学限幅器，其中所述入射激光束的光强大于或等于自聚焦阈值光强，所述入射激光束通过所述非线性光学介质后被聚焦并投射在所述硅薄膜的所述晶化区域上，且经过所述聚焦的所述入射激光束在所述硅薄膜上的光斑的直径小于2倍的所述晶化区域的直径，所述光斑的中心的位置与所述晶化区域的所述中心的位置之间的偏差不大于10%。
6.如权利要求4所述的光学限幅器,其中所述入射激光束的光强小于自聚焦阈值光强，所述入射激光束通过所述非线性光学介质后被投射在所述硅薄膜上，且所述入射激光束在所述硅薄膜上的光斑的直径大于2倍的所述晶化区域的直径。
7.如权利要求5或6所述的光学限幅器，其中进行所述激光晶化处理所采用的激光束为高斯光束，且所述激光束的光斑的直径小于所述入射激光束在通过所述非线性光学介质之前的光斑的直径的二分之一。
8.如权利要求7所述的光学限幅器，其中所述硅薄膜是非晶硅薄膜或纳米硅薄膜。
9.如权利要求8所述的光学限幅器，其中所述硅薄膜的所述吸收系数在所述晶化区域的所述横截面上呈高斯分布。
全文摘要
本发明公开了一种光学限幅器，包括非线性光学介质和硅薄膜。非线性光学介质具有正的非线性折射系数，硅薄膜上具有经过激光晶化处理的晶化区域，硅薄膜的吸收系数在晶化区域的横截面上的分布为沿晶化区域的边缘到晶化区域的中心的方向递增。入射激光束依次通过非线性光学介质和硅薄膜的晶化区域。当入射激光束的光强大于或等于自聚焦阈值光强时，入射激光束通过非线性光学介质后被聚焦并投射晶化区域上，因此被吸收，从而达到光学限幅的效果。本发明结构简单、成本低廉，可用于多种不同场合，从而为精密光学器件(包括人眼)的安全使用提供保障。
文档编号G02F1/35GK102681288SQ20121016294
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者叶庆好, 吴正日, 沈文忠, 郑大器, 马阳进 申请人:上海交通大学