一种全息光栅的制备系统的制作方法

1.本实用新型属于全息光栅领域，具体地说涉及一种全息光栅的制备系统。


背景技术：

2.全息波导指的是在一块平整的透明平板介质上依附有多块全息光栅，全息光栅按作用可分为三类：耦合输入光栅、折叠光栅和耦合输出光栅。耦合输入全息光栅的作用是将光机发出的光线耦合进入波导基底中，在波导基底中以大于全反射角度传播，到达折叠光栅后，一部分光线改变传播角度，另一部分光线继续向原来方向传播，改变角度的光线传向耦合输出光栅，耦合输出光栅将光线从波导中输出，投向人眼。
3.波导上的全息光栅是全息材料经过两束相干激光曝光后形成的，没有优化的全息光栅的效率是均一的，这就导致耦合输出光栅上按传播方向先输出的光强最强，到后面的光强越来越弱，使得输出光强分布严重不均匀，如图1所示，可以看到亮度由下到上逐渐减弱。为了使输出光栅上的光强均匀，需要耦合输出光栅以及折叠光栅的效率在光线传播方向上越来越强，耦合输入光栅的效率越高越好，不需要变衍射效率。
4.目前要实现衍射效率沿某一方向递增的常用方法有两种，一种是控制全息光栅的厚度沿一个方向逐渐变化，通常是使用间隔子来实现，这种方法会导致波导两个表面的不平行，图像分辨率会下降，而且在耦合输出光栅的衍射效率沿传播方向递增而耦合输入光栅不需要变衍射效率的情况下，全息波导设计复杂、制备困难；另一种是在制备全息光栅的光路中添加透过率沿某一方向逐渐变化的衰减片，通过控制光栅上不同区域的曝光光强来实现不同区域的效率不同，但是由于衰减片的自干涉，如图2所示，一束激光照射在衰减片上后，透过衰减片后光线传输方向与原照射方向相同(实线部分)，在衰减片发生反射后再次输出(虚线部分)，虚实两束光束为相干光，会在重叠区域发生干涉，从而形成干涉图案，影响到全息光栅的效率，而且在制备不同尺寸的全息光栅时，衰减片的尺寸需要改变，同时衰减片上的各部分衰减度需要重新做，灵活性非常低。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型设计了一种全息光栅的制备系统。
6.本实用新型提供的全息光栅的制备系统，包括：激光器，用于发射激光光束；扩束装置，设置在所述激光器和全息材料之间的光路上，用于对经过的光束进行扩束；分光装置，用于将所述激光光束分成第一分光光束和第二分光光束；第一反光镜，用于将所述第一分光光束反射至所述全息材料；第二反光镜，用于将所述第二分光光束反射至所述全息材料；至少一个移动挡板，设置在所述扩束装置和所述全息材料之间的光路上，所述第一分光光束和所述第二分光光束射向所述全息材料的光束横截面积随移动挡板的移动而改变；所述全息材料，用于被所述第一分光光束和所述第二分光光束形成的干涉条纹曝光，形成全息光栅。
7.与现有技术相比，本技术方案摒弃衰减片，不再通过改变全息材料的曝光光强来
改变全息光栅的衍射效率，而是通过改变全息材料不同区域的曝光时间来达到全息光栅各区域内效率不同的目的，本技术方案设置移动挡板，使得射向全息材料的第一分光光束和第二分光光束的横截面积随移动挡板的移动而改变，则第一分光光束和第二分光光束在全息材料上形成干涉条纹的区域也按要求变化，进而控制全息材料不同区域的曝光时间，制得衍射效率按照需求分布的全息光栅。本技术方案可以避免衰减片的自干涉影响，得到高品质的全息光栅，还可以适应不同尺寸全息光栅的制备需求，灵活性较高。
8.优选的，所述扩束装置设置在所述激光器和所述分光装置之间，所述制备系统包括一个移动挡板，所述移动挡板设置在所述扩束装置和所述分光装置之间的光路上，用于改变所述激光光束的横截面积。虽然本优选方案只适用将扩束装置设置在激光器和分光装置之间的制备系统，但是其有益效果也很突出：通过移动一个移动挡板改变分束之前的激光光束的横截面积，间接地同时改变分束后形成的第一分光光束和第二分光光束的横截面积，由于只有一个移动挡板，方便控制，结构简单。
9.优选的，所述制备系统包括两个移动挡板，分别为第一移动挡板和第二移动挡板；所述第一移动挡板设置在所述分光装置和所述第一反光镜之间的光路上，用于改变所述第一分光光束的横截面积；所述第二移动挡板设置在所述分光装置和所述第二反光镜之间的光路上，用于改变所述第二分光光束的横截面积；或，所述第一移动挡板设置在所述第一反光镜和所述全息材料之间的光路上，用于改变所述第一分光光束的横截面积；所述第二移动挡板设置在所述第二反光镜和所述全息材料之间的光路上，用于改变所述第二分光光束的横截面积。本优选方案的有益效果为：设置两个移动挡板，两个移动挡板分别直接改变第一分光光束和第二分光光束的横截面积，无论第一分光光束和第二分光光束是如何入射至全息材料上，只要控制两个移动挡板，即可使得第一分光光束和第二分光光束在全息材料上形成干涉条纹，满足不同尺寸和类型的全息光栅的制备，该优选方案的制备系统更为灵活，适用范围更广。
10.优选的，所述第一分光光束和所述第二分光光束从所述全息材料的同侧或异侧入射至所述全息材料。本优选方案的有益效果为：可以制备反射式全息光栅和透射式全息光栅。
11.优选的，还包括导光棱镜，所述导光棱镜设置在所述第二分光光束的光路中，用于将所述第二分光光束耦合进入所述全息材料。本优选方案的有益效果为：导光棱镜可以用于改变第二分光光束的传播方向，通过选用合适的导光棱镜即可满足不同要求的全息光栅的制备，无需大幅度调整制备系统，该优选方案使得制备系统灵活性更高，使用范围更广，操控简单。
12.优选的，所述导光棱镜通过折射率匹配液与所述全息材料粘结。本优选方案的有益效果为：使得导光棱镜更为准确高效地起到导光作用，引导光线的传播角度。
13.优选的，所述全息材料为银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料中的一种；所述移动挡板由黑纸或金属制成。本优选方案的有益效果为：银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料感光性能优良，根据不同光栅要求可以选用不同的材料；移动挡板可以选用能将照射至其上的光线全部吸收或者全部反射的材质制成，黑纸或金属制成的移动挡板的挡光性能优良，而且形状容易控制，便于夹持。
14.优选的，所述扩束装置设置在所述分光装置之前或之后。
15.优选的，所述扩束装置包括依次设置的物镜和扩束镜。
16.优选的，还包括控制系统，所述控制系统用于控制所述移动挡板移动。本优选方案的有益效果为：设置控制系统控制移动挡板的移动更方便实现智能控制，避免人工误差。
附图说明
17.图1为本实用新型背景技术中未优化的耦合输出全息光栅输出的光线照度分布图；
18.图2为本实用新型背景技术中衰减片的自干涉原理示意图；
19.图3为本实用新型实施例1中第一分光光束和第二分光光束从异侧入射全息材料的制备系统的示意图；
20.图4为本实用新型实施例1中第一分光光束和第二分光光束从同侧入射全息材料的制备系统的示意图；
21.图5为本实用新型实施例1中一种要制备的全息光栅的衍射效率分布曲线图；
22.图6为本实用新型实施例1中所说的一种全息材料的效率与曝光时间的关系曲线图。
23.100
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激光器，200
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物镜，300
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扩束镜，400
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分光装置，510
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第一反光镜，520
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第二反光镜，610
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第一移动挡板，620
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第二移动挡板，700
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全息材料，800
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导光棱镜，600
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移动挡板，230
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扩束装置，10
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激光光束，11
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第一分光光束，12
‑
第二分光光束。
具体实施方式
24.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
25.实施例1
26.本实施例提供一种全息光栅的制备系统，如图3
‑
4所示，包括：用于发射激光光束10的激光器100，设置在激光器100和全息材料700之间的光路上用于对经过的光束进行扩束的扩束装置230，用于将所述激光光束10分成第一分光光束11和第二分光光束12的分光装置400，用于分别将所述第一分光光束11和第二分光光束12反射至全息材料700的第一反光镜510和第二反光镜520，用于将所述第二分光光束520耦合进入所述全息材料700中的导光棱镜800，用于接收第一分光光束11和第二分光光束12的全息材料700，第一分光光束11和第二分光光束12在全息材料700上形成干涉条纹对全息材料700进行曝光即可制备全息光栅。
27.本实施例的导光棱镜800设置在所述第二分光光束12的光路中，通过折射率匹配液与所述全息材料700粘结；扩束装置230包括依次设置的物镜200和扩束镜300，扩束装置230可以设置在分光装置400之前，用于对激光光束10进行扩束，也可以设置在分光装置400之后，若设置在分光装置400之后，则需要在第一分光光束11和第二分光光束12的光路上均设置扩束装置230，用于将第一分光光束11和第二分光光束分别扩束；所述分光装置400选用分光棱镜；所述全息材料700可以为银盐材料、重铬酸盐明胶、光折变材料、光致聚合物、光致变色材料和光致各向异性材料中的一种。
28.最重要的，制备系统还包括至少一个移动挡板600，所述移动挡板600由黑纸或金属制成，设置在所述扩束装置230和所述全息材料700之间的光路上，若扩束装置230设置在分光装置400之前，则制备系统可以设置一个或多个移动挡板600，若扩束装置230设置在分光装置400之后，则制备系统需要设置两个及以上的移动挡板600；所述移动挡板600通过控制系统(图中未示出)带动，按预设参数移动，所述预设参数由全息光栅制备系统的具体结构和光路、全息材料700的性质以及所需全息光栅的效率要求共同决定，预设参数包括移动挡板600的运动方向、运动速度等，若制备系统设置两个及以上移动挡板600，则各个移动挡板移动所依据的预设参数之间还需要满足一定关系，该关系受制备系统的具体光路结构影响，控制系统包括用于夹持移动挡板的夹持件、用于提供动力的动力装置、用于控制动力装置的控制装置(比如电脑)，操作时控制系统(尤其是用于提供动力的动力装置和夹持移动挡板的夹持件)与放置其他光学元件的光学平台不接触，以免震动影响全息干涉；所述第一分光光束11和第二分光光束12射向所述全息材料700的光束横截面积随所述移动挡板600的移动而直接或间接地改变，进而700上第一分光光束11和第二分光光束12在全息材料700上形成干涉条纹的区域发生变化，以达到改变全息材料700上各区域曝光时间的目的，使得制得的全息光栅各区域的衍射效率按要求变化；
29.本实施例作为一种优选方案，设置两个移动挡板600，分别为第一移动挡板610和第二移动挡板620，所述第一分光光束11和所述第二分光光束12可以从所述全息材料700的同侧入射至所述全息材料700，如图4所示，也可从异侧入射至全息材料700，如图3所示，更进一步的，将所述第一移动挡板610设置在所述第一反光镜510和所述全息材料700之间的光路上，所述第一移动挡板610按第一预设参数移动，用于改变射向全息材料700的第一分光光束11的横截面积，将所述第二移动挡板620设置在所述第二反光镜520和所述全息材料700之间的光路上，所述第二移动挡板620按第二预设参数移动，用于改变射向全息材料700的第二分光光束12的横截面积；作为替代方案，也可以将所述第一移动挡板610设置在所述分光装置400和所述第一反光镜510之间的光路上，所述第一移动挡板610按第一预设参数移动，用于改变所述第一分光光束11的横截面积，将所述第二移动挡板620设置在所述分光装置400和所述第二反光镜520之间的光路上，所述第二移动挡板620按第二预设参数移动，用于改变所述第二分光光束12的横截面积。
30.作为另一种可选方案，图中未示出，制备系统只设置一个移动挡板600，扩束装置230设置激光器100和分光装置400之间，该所述移动挡板600设置在所述扩束装置230和所述分光装置400之间的光路上，所述移动挡板600按预设参数移动，用于改变所述激光光束10的横截面积，由于移动挡板600设置在所述分光装置400之前的光路上，此处的激光光束是被扩束但未分光的光束，则可间接地同时改变通过分光装置400之后形成的第一分光光束11和第二分光光束12的横截面积。
31.本实施例的全息光栅制备系统通过移动挡板600控制全息材料700上不同区域的曝光时间，从而获得不同的曝光量，不同区域光栅效率不同，曝光量最高(即曝光时间最长)的区域效率最高，曝光量最低(即曝光时间最短)的区域效率最低。根据制备系统的具体结构和光路、全息材料的性质以及所需光栅的要求设定预设参数，比如移动挡板的移动方向，移动速率和速率变化情况等，即可得到所需的全息光栅。例如，用如图3所示的制备系统制备衍射效率沿某一方向变化的全息光栅，要求该全息光栅的衍射效率按图5所示曲线(纵轴
为光栅的衍射效率，横轴以全息光栅最低曝光量为起始位置)变化，假设第一分光光束11垂直照射在全息材料700上，第二分光光束12垂直照射在导光棱镜800上，导光棱镜800的斜边与全息材料800的夹角为θ，则预设参数包括：
①
第一移动挡板610和第二移动挡板620的移动方向为a
→
b，
②
某一时刻第一移动挡板610的瞬时移动速率v1与第二移动挡板620的瞬时移动速率v2之间满足关系v2＝cosθ
·
v1,
③
移动挡板的速率变化情况，其中，移动挡板的速率变化曲线可由全息材料大小、全息材料衍射效率与曝光强度之间的关系(比如，图6为当光束在1mw/cm2时某一种全息材料的效率与曝光时间的关系)以及该要制备的全息光栅的衍射效率分布曲线(即图5)推导出。确定上述预设参数后，用图3所示的制备系统即可制得所需的全息光栅。
32.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。