二维角度选择激光滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种二维角度选择激光滤波器，包括用于对入射光进行第一次衍射的第一体布拉格光栅以及对从所述第一体布拉格光栅出射的衍射光进行第二次衍射的第二体布拉格光栅，所述第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互正交。本发明的二维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，直接在激光传输近场实现高质量的空间滤波；结构紧凑；实现对各光谱成分优秀的低通滤波能力；可承载的激光功率较高。
【专利说明】二维角度选择激光滤波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学滤波【技术领域】，特别是涉及一种兼具角度选择滤波能力和低频损耗率的二维角度选择激光滤波器。
【背景技术】
[0002]先进激光装置的总体设计及建设过程中的诸多边界条件直接限制了其输出能力。其一，先进激光装置的“功率受限条件”;其二，先进激光装置的能量受限条件，即装置在长脉冲O 3ns)工作条件下的光学元件的损伤阈值。一个实际光束的光强分布不可能是完全均匀和光滑的，总是或多或少地带有无规则的调制和起伏。通常在光束总体发生自聚焦之前，由于在这些调制和起伏处各自形成了一些小的自感应透镜，这些调制和起伏使光束发生了局部的自聚焦，这种小尺度自聚焦(Small-scale self-focusing)的对装置的危害程度远大于整体光束的自聚焦，并造成光束分裂、导致介质的光束成丝、光谱超加宽等效应。
[0003]在先进激光装置中，空间滤波器是必不可少的关键器件。基于傅里叶变换原理的传统空间滤波器(“4f”系统)是最常用的滤波器。它首先对光束聚焦，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。聚焦光斑大小由透镜焦距、入射光波长口径、波长以及发散角决定，针孔直径控制滤波的程度，实现低通空间滤波。但是，传统空间滤波器在先进激光装置中的应用中具有极大的局限性:除了准直困难，造价高昂外，高功率激光聚焦可能会产生“堵孔效用”甚至损坏并产生一个新的针孔，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。
[0004]针对下一代先进激光装置，拟采用全新的光束传输控制技术取代传统的空间滤波技术。体布拉格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。基于体布拉格光栅的二维角度选择激光滤波技术不同于传统的空间滤波技术，由于直接在强激光束近场实施空间滤波，省去了聚焦过程，因此传统空间滤波的诸多固有缺陷得到根本解决。同时可以有效地消除中高频调制对光束的影响、降低传统空间滤波器的截止频率和低频损耗率，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，降低装置的体积和成本，是当今先进激光技术发展的主要单元技术之一，对于促进先进激光技术的发展具有重要的意义。
[0005]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29卷第4期；郑光威，刘莉等，“透射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性研究”，《光学学报》，2009年29卷第I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I期)。
[0006]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种二维角度选择激光滤波器。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明的目的是针对现有的传统空间滤波器截止频率难以降低，易发生堵孔效应、反馈以及光路偏移等局限性，提供一种兼具低截止频率和低频损耗率的二维角度选择激光滤波器，在光束近场直接实现高质量的空间滤波。
[0008]为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下:
[0009]一种二维角度选择激光滤波器，所述二维角度选择激光滤波器包括用于对入射光进行第一次衍射的第一体布拉格光栅以及对从所述第一体布拉格光栅出射的衍射光进行第二次衍射的第二体布拉格光栅，所述第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互正交。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均为透射型光栅，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为位相型体布拉格光栅。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均由光致热敏折射率玻璃制备而成。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为均匀周期体光栅。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为双块组合式透射型位体布拉格光栅。
[0015]作为本发明的进一步改进，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均由两块光栅栅纹正交的子体光栅组合而成。
[0016]作为本发明的进一步改进，所述两块子体光栅的光栅厚度或周期不同。
[0017]作为本发明的进一步改进，所述两块子体光栅的光栅厚度或周期相同。
[0018]本发明具有以下有益效果:
[0019]1、本发明使用体布拉格光栅的良好的角度选择性，在强激光传输近场直接实现空间滤波，从根本上解决了传统空间滤波器“堵孔效应”、光路偏移等固有局限性；
[0020]2、本发明中，体布拉格光栅的角度选择性可通过选择光栅参数(厚度，周期，光栅矢量倾斜角和光栅折射率调制度)精确控制，意味着相比于传统空间滤波器可以获得更低的截止频率，提高滤波能力。针对不同的目标波长，截止频率小于Imm1 ;[0021]3、本发明中采用的体布拉格光栅峰值衍射效率大于98%，对目标光束中的低频成分损耗小，相比于传统空间滤波器，可有效降低频损耗率。
[0022]4、本发明中采用光致热敏折射率玻璃制备的体布拉格光栅热稳定性好，对可见光至近红外波段的高透过率，可承载的激光功率较高，光栅器件损伤阈值大于20J/cm2 (5-10ns)；
[0023]5、在本发明的二维角度选择激光滤波器相比于传统空间滤波器结构简单、紧凑，准直方便，低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本发明一具体实施例中二维角度选择激光滤波器的结构示意图；
[0026]图2为单块体布拉格光栅的角度选择模拟图；
[0027]图3为两块光栅栅纹正交的体布拉格光栅组合的二维角度选择模拟图；
[0028]图4为二维角度选择激光滤波器的滤波前后光束近场强度分布；
[0029]图5为二维角度选择激光滤波器的滤波前后光束近场剖面曲线(光束中空间调制为 2mm 1, 4mm 1, 6mm 1......)；
[0030]图6为二维角度选择激光滤波器的滤波前后光束远场分布(光束中空间调制为1mm 1 ?10mm:)；
[0031]图7为二维角度选择激光滤波器的滤波前后光束的PSD曲线(光束中空间调制为2mm 1, 4mm 1, 6mm 1......)；
[0032]图8为二维角度选择激光滤波器的滤波前后光束的PSD曲线(光束中空间调制为3mm \ 6mm S 9mm 1......)；
[0033]图9为体布拉格光栅内的光波矢量关系示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0035]本发明提供了一种通过体布拉格光栅优秀的角度选择特性，构成在激光传输近场实现空间滤波的二维角度选择激光滤波器。本发明二维角度选择激光滤波器，有效解决了传统空间滤波器的诸多固有限制，同时突破了传统空间滤波器小孔对截止频率和低频损耗率的限制，结构简单，效率高。
[0036]在图1所示的本发明的二维角度选择激光滤波器的实施例的结构示意图中，二维角度选择激光滤波器包括第一体布拉格光栅I和第二体布拉格光栅2。第一体布拉格光栅I用于对入射光X方向进行第一次角度选择滤波；第二体布拉格光栅2用于对入射光y方向进行第二次角度选择滤波，第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互正交。
[0037]优选地,体布拉格光栅为透射型光栅,且为位相型体布拉格光栅。体布拉格光栅为均匀周期体光栅。体布拉格光栅为双块组合式透射型位体布拉格光栅，由两块光栅栅纹正交的子体光栅组合而成，两块子体光栅的光栅厚度或周期可以不同，光栅厚度或周期也可以相同。
[0038]体布拉格光栅均由光致热敏折射率玻璃制备而成，光致热敏折射率玻璃为掺杂有铈、银以及氟的硅酸盐玻璃。
[0039]第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅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、光栅矢量倾斜角等光栅结构参数来调节。第一体布拉格光栅1、第二体布拉格光栅2优秀的光学性能主要表现在:
[0040](I)角度选择达0.1~IOmrad (透射型),或10~IOOmrad (反射型)；
[0041](2)光谱选择性达0.3~20nm (透射型)，或0.01~IOnm (反射型)；
[0042](3)衍射效率高，633nm到1550nm范围可达99% (透射型)或97% (反射型)；
[0043](4)损伤阈值高，对于Ins的YAG激光，损伤阈值可以达到7~10J/cm2，对于8~IOns的激光可达30~40J/cm2 ；
[0044](5)损耗小，光栅损耗小于2.5%。
[0045]传统空间滤波器由于聚焦透镜面型、入射光发散角以及近场均匀性的限，难以获得足够理想的聚焦光斑，聚焦光斑普遍存在相当数量的裙边区域。在先进激光装置领域，裙边区域同样具有足够高的功率，当其与小孔边缘相互作用时产生的等离子体，会使得空间滤波器发生“堵孔效应”与反馈回射，同时会提高空间滤波器的低频损耗率，对整个激光系统造成极大的危害。通常为了抑制所述现象的产生，空间滤波器的小孔直径取值较大，这使得无法获得理想的截止频率，降低空间滤波器的滤波能力。
[0046]体布拉格光栅角度滤波的原理:体布拉格光栅具有极好的角度选择性。当入射角偏离布拉格条件时，体布拉格光栅衍射效率迅速降低。正是由于这一特性，体布拉格光栅是角选择滤波技术中的关键元件。根据傅里叶光学，任意分布光束可展开为无数个不同传播方向的平面波的叠加。由于体布拉格光栅具有良好的角度敏感性和选择性，因此光束中不同的空间频率成分经过体布拉格光栅之后的衍射特性不同。中高频成分发散角偏离布拉格角大，几乎不能被体布拉格光栅衍射，因此在衍射光束中中高频成分基本被滤除。
[0047]详细分析如下:
[0048]由Kogelnik的耦合波理论，有吸收的位相型体布拉格光栅的衍射效率为:
[0049]
【权利要求】
1.一种二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述二维角度选择激光滤波器包括用于对入射光进行第一次衍射的第一体布拉格光栅以及对从所述第一体布拉格光栅出射的衍射光进行第二次衍射的第二体布拉格光栅，所述第一体布拉格光栅与第二体布拉格光栅的光栅矢量相互正交。
2.根据权利要求1所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均为透射型光栅，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为位相型体布拉格光栅。
3.根据权利要求1所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均由光致热敏折射率玻璃制备而成。
4.根据权利要求3所述的二维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、银以及氟的硅酸盐玻璃。
5.根据权利要求1所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为均勻周期体光栅。
6.根据权利要求1所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅为双块组合式透射型位体布拉格光栅。
7.根据权利要求6所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅均由两块光栅栅纹正交的子体光栅组合而成。
8.根据权利要求7所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述两块子体光栅的光栅厚度或周期不同。
9.根据权利要求7所述的二维角度选择激光滤波器，其特征在于，所述两块子体光栅的光栅厚度或周期相同。
【文档编号】G02B5/18GK103592776SQ201310627450
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2013年11月29日
【发明者】袁孝, 张翔, 邹快盛, 封建胜, 熊宝星 申请人:苏州大学