一种基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器及其制备方法与流程

1.本发明涉及激光传输领域中的滤波器技术，特别是涉及一种基于透射式布拉格光栅的多通道滤波器及其制备方法。


背景技术：

2.光学滤波器是光波分复用领域中一个非常重要的光学器件，可用作单通道或多通道光信号的分离或滤除，光学滤波器可分为固定和可调谐两种，目前主流的光学滤波器有介质膜滤波器、光栅滤波器、f-p腔型滤波器等。
3.上述介质膜滤波器，使用镀膜片，入射光通过多层介质膜的干涉，可通过某一波长，阻止其他波长，实现光学滤波，介质膜滤波器制作简单，但是波长选择带宽较宽，且损伤阈值低，用作多通道滤波器时需选取多种膜片组合而成，系统较复杂；上述光栅滤波器使用光纤光栅，在掺杂的光纤中紫外曝光写入干涉条纹，使光纤的折射率随光强发生永久性改变，光纤光栅插损低，结构简单，便于光纤耦合，且具有高波长选择性，但是原材料开发，写入工艺复杂困难；上述f-p腔型滤波器对于反射镜的平行度、粗糙度、表面质量要求极高，会影响f-p滤波器的性能；在高功率激光器系统中，由于所需光学元件的损伤阈值较高，传统的滤波器中光学元件难以达到要求，需采用新型的光学材料制作空间滤波器。
4.基于光敏玻璃的透射型体布拉格光栅也可以作为空间滤波器，入射光里的中高频成分不满足布拉格条件，透射通过体布拉格光栅，而低频成分满足布拉格条件，以一定的衍射角通过布拉格光栅，可实现角度滤波；与普通角选择滤波器相比，基于体布拉格光栅的空间滤波器还具有压缩带宽，抑制旁瓣的作用，滤波能力更优秀，且体布拉格光栅的损伤阈值高，可用于高功率激光系统中，同时体布拉格光栅滤波器可设计性强，可在同一片体布拉格光栅上实现不同的角度选择性，实现多通道滤波功能，器件功能性更强，集成度更好；在半导体激光器系统中，光束偏转器在角度及其光谱空间中充当窄带模式选择器，可实现光谱选择性光束控制和角度选择，基于光热敏折变玻璃的透射型体布拉格光栅的衍射效率高、寿命长、稳定性好，可实现对入射光束的光谱以及角度选择。
5.然而，目前单块体布拉格光栅的栅线周期及方向固定，仅有单一的波长与角度选择性，无法对多种波长的光实现波长选择与角度控制；若要制作多通道滤波器，需采用多个体布拉格光栅堆叠实现，但光能利用率低且系统复杂，难以满足不同场景中的应用需求，因此现有技术仍需改进和发展。


技术实现要素：

6.本发明主要解决的技术问题是提供一种基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器及其制备方法，即通过一块体布拉格光栅可实现对多种波长的光进行波长及角度选择，有效满足半导体激光领域不同场景的应用需求。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器，包括光热敏折变玻璃基片，根据需要的多通道滤波器的通道数
量、对应的波长和角度，将所述光热敏折变玻璃基片对应排列划分为若干曝光区域，各个所述曝光区域通过干涉角度可调节的全息曝光光路实现不同所述曝光区域的曝光量相同，且不同曝光区域的光栅周期和栅线角度不同。
8.优选的，所述光热敏折变玻璃基片由以下组分多次熔炼而成：sio2、b2o3、zno、al2o3、zrf4和ag2co3。
9.优选的，所述光热敏折变玻璃基片的组分对应的质量百分比分别为，sio
2 10％～15％、b2o
3 18％～30％、zno 55％～60％、al2o
3 5％～8％、zrf
4 1％～5％、ag2co
3 0.01％～1％。。
10.本发明还提供了一种基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器的制备方法，包括如下制备步骤：
11.(1)根据需要的多通道滤波器的通道数量n，n为大于等于2的整数，以及所对应的波长和角度选择性，按照光热敏折变玻璃基片的尺寸，设计曝光区域的排列方式，并计算出对应曝光区域的光栅周期λ和栅线角度θ，同时计算出不同曝光区域下干涉光束的角度
12.(2)在所述光热敏折变玻璃基片的前方放置一黑色挡光板，遮住其他曝光区域，只允许一个曝光区域被曝光；利用干涉角度可调节的全息曝光光路产生干涉光场，干涉光场在光热敏折变玻璃基片的前表面且覆盖待曝光的曝光区域；
13.(3)当全息曝光光路对光热敏折变玻璃基片上的第一个曝光区域进行曝光，干涉光场中干涉条纹的周期与写入体布拉格光栅的周期均为λ1，光栅的栅线角度为θ1；
14.(4)通过全息曝光光路改变干涉光束夹角，按照上述步骤(3)的方式，对光热敏折变玻璃基片上的第二个曝光区域进行曝光，移动黑色挡光板使得曝光区域2透光，曝光量与第一次相同，此时写入体布拉格光栅的周期为λ2，光栅的栅线角度为θ2；
15.(5)同样的道理，对光热敏折变玻璃基片的曝光区域n进行曝光，每次曝光量都相同，此时写入体布拉格光栅的周期为λn，光栅的栅线角度为θn；
16.(6)待n次曝光完成后，将整块光热敏折变玻璃基片置于热处理炉中进行热显影和定影；
17.(7)继续对体布拉格光栅进行切割、精磨、抛光、表面镀制增透膜处理，最终获得多通道的体布拉格光栅滤波器，即基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器产品。
18.优选的，干涉角度可调节的所述全息曝光光路包括紫外激光器、立方分束棱镜、衰减片、第一空间滤波器、第二空间滤波器、第一反射镜、第二反射镜、第一准直透镜、第二准直透镜和基片夹持框，通过紫外激光器发出的相干光通过立方分束棱镜，被分为反射方向和透射方向的两束光，透射方向的光路依次通过第一反射镜、第二空间滤波器、第二准直透镜，反射方向的光路依次通过衰减片、第一空间滤波器、第一准直透镜、第二反射镜，两束准直后的平行光互相干涉，在后方的光场中形成平行等间距的干涉条纹。
19.优选的，所述第一空间滤波器和第二空间滤波器由显微物镜与针孔滤波器组成，针孔的孔径是微米级，且针孔放置在显微物镜的焦点位置处。
20.优选的，所述第一准直透镜和第二准直透镜均为非球面透镜。
21.优选的，所述全息曝光光路通过调节所述第二反射镜的偏转角和所述基片夹持框的位置改变两束平行光束的干涉夹角，可调节光栅的周期和栅线方向，所述第二反射镜下
设置有电动转台，软件驱动电动转台旋转角度改变光束的偏转，所述基片夹持框下设置有电动六维位移偏转台，通过软件驱动电动六维位移偏转台改变基片与干涉光场的相对位置。
22.优选的，所述衰减片为可调衰减片，通过调节衰减片的位置，改变其中一束激光的功率，使得最终发生干涉的两束平行光强度保持一致，进一步提高干涉条纹的对比度。
23.优选的，上述第(6)步中热显影和定影温度区间优选为500～530℃。
24.本发明的有益效果是：
25.本发明公开了一种基于透射式布拉格光栅的多通道滤波器及其制备方法，包括提出一种新型组分的光敏玻璃材料体系，经过多次熔炼法制成光热敏折变玻璃；利用紫外激光干涉光路和双光束曝光光热敏折变玻璃，设计一种干涉角度可调节的全息曝光光路，可方便的改变体布拉格光栅的栅线方向与周期，在上述基础上又提出一种拼接式曝光方式制作大口径、多通道体布拉格光栅并将其用作空间滤波器，对同一块光热敏折变玻璃的不同区域进行曝光，对曝光完成后的光热敏折变玻璃进行热显影和定影，接着对体布拉格光栅进行精磨、抛光，以及在后表面镀制增透膜，最终获得大口径、多通道的体布拉格光栅滤波器，可在同一片体布拉格光栅上实现不同的角度选择性，实现多通道滤波功能，器件功能性强，集成度好，可设计性强，具有优异的技术推广价值。
附图说明
26.图1是本发明中干涉光场与光热敏折变玻璃的位置示意图，同时体现光热敏折变玻璃上的曝光区域分布；
27.图2是本发明使用的全息曝光光路示意图；
28.图3是本发明基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器的角度与波长选择性，当入射光波长λ相同时，光栅布拉格角和光栅周期之间的关系；
29.图4是本发明基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器的角度与波长选择性，当入射光的入射角θ相同时，入射光波长λ和光栅周期之间的关系；
30.附图中各部件的标记如下：
31.1、紫外激光器；2、立方分束棱镜；3、第一反射镜；4、衰减片；5、第一空间滤波器；6、第二空间滤波器；7、第一准直透镜；8、第二准直透镜；9、第二反射镜；10、基片夹持框；11、电动六维位移偏转台。
具体实施方式
32.下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
33.实施例：
34.本发明提供一种基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器及其制备方法，包括提出一种新型的光热敏折变玻璃基片配方，通过不同成分组合多次熔炼制得新型的光热敏折变玻璃基片；进一步的，设计一种干涉角度可方便调节的全息曝光光路，方便地改变布拉格光栅的栅线方向和周期，在此光路的基础上，进一步提出一种拼接式曝光方案，制作出大口径、多通道布拉格光栅并将用作滤波器，具体技术信息如下。
35.首先，光热敏折变玻璃是利用的光折变效应，即是在光辐射下，空间分布不均匀的光强使得玻璃材料内部折射率发生变化的一种非线性光学现象，基于光折变材料的体布拉格光栅制作方式为：将明暗相间的干涉条纹的光强分布记录在材料内部，使其折射率发生变化，形成折射率调制型位相光栅，再经后续热定影工艺，可将记录的位相信息固定，实现在材料内部长时间保存与信息读出。相较于银盐、重铬酸盐明胶、光致聚合物等其他光敏材料，基于光热敏折变玻璃的体布拉格光栅具有良好的热稳定性，高损伤阈值，可用于大功率激光器系统中。
36.本发明提供的光热敏折变玻璃基片由以下组分多次熔炼而成：sio2、b2o3、zno、al2o3、zrf4和ag2co3。且，光热敏折变玻璃基片的组分对应的质量百分比分别为，sio
2 10％～15％、b2o
3 18％～30％、zno 55％～60％、al2o
3 5％～8％、zrf
4 1％～5％、ag2co
3 0.01％～1％。
37.本光热敏折变玻璃配方体系中，以ag2co3为光敏剂，采用紫外光曝光，ag 感光形成ag原子，通过500-600℃热处理，感光后形成的ag原子和热处理形成的氟原子结合聚合成[ag0
·
f0]胶团，诱导晶相结构类似的zrf4初晶相的产生，通过再次热处理曝光区域可产生znsio3结晶，导致曝光区域折射率升高，而未曝光区域保持玻璃状态，不发生析晶，其折射率不发生变化，折射率变化的程度随着曝光剂量变化，从而使得曝光区域和非曝光区域产生10-3
量级的折射率变化，因此利用该机理可以制作光热敏折变玻璃基片，用于光栅、全息图等各种微结构图案的制作。
[0038]
针对上述光热敏折变玻璃配方体系，本发明提供至少两组实施例，如下所示：
[0039]
材料配比1配比2sio211.5％11.4％b2o319.2％22.8％zno57.6％55.0％al2o37.7%5.7%zrf43.8%4.7％ag2co30.2％0.4％
[0040]
首先，根据需要的多通道滤波器的通道数量n(n为大于等于2的整数)、所对应的波长和角度选择性，以及上述配方体系制备获得光热敏折变玻璃基片的尺寸，将光热敏折变玻璃基片对应排列划分为若干曝光区域，并计算出对应曝光区域的光栅周期λ和栅线角度θ，同时计算出不同曝光区域下干涉光束的角度其计算方式分别如下：
[0041]
若设计的体布拉格光栅滤波器中某一通道使用波长为入1，对应的布拉格角为θ1，要求的栅线角度为θ，(λ1，θ，θ1都是已知参数，即产品的要求)计算出对应的该通道下体布拉格光栅周期为：其中n为空气折射率。根据上述计算出的不同曝光区域n下的体布拉格光栅周期λn，则曝光光路中干涉光束的夹角为：
[0042]
第2步，在光热敏折变玻璃基片的前方放置一黑色挡光板，遮住其他曝光区域，只允许一个区域被曝光；利用干涉角度可调节的全息曝光光路产生干涉光场，干涉光场在光
热敏折变玻璃基片的前表面且覆盖待曝光的曝光区域。如图1所示，方形为大口径的光热敏折变玻璃基片，将方形区域分成等比例9份，从上至下，从左至右顺序依次设定为区域a～i，首先在光热敏折变玻璃的前方放置一黑色方形挡光板，遮住其他区域，只允许左上角区域a被曝光，利用干涉角度可调节的全息曝光光路产生干涉光场，图1中圆圈区域即为干涉光场区域，干涉光场在光热敏折变玻璃基片的前表面且覆盖待曝光的区域a。
[0043]
上述干涉角度可调节的全息曝光光路如图2所示，全息曝光光路包括紫外激光器1、立方分束棱镜2、衰减片4、第一空间滤波器5、第二空间滤波器6、第一反射镜3、第二反射镜9、第一准直透镜7、第二准直透镜8和基片夹持框10，通过紫外激光器1发出的相干光通过立方分束棱镜2，被分为反射方向和透射方向的两束光，透射方向的光路依次通过第一反射镜3、第二空间滤波器6、第二准直透镜8，反射方向的光路依次通过衰减片4、第一空间滤波器5、第一准直透镜7、第二反射镜9，两束准直后的平行光互相干涉，在后方的光场中形成平行等间距的干涉条纹。
[0044]
如图2所示，在此过程中，两相干光通过第一空间滤波器5和第二空间滤波器6后变为发散球面波，进一步的，第一空间滤波器5和第二空间滤波器6由显微物镜与针孔滤波器组成，针孔的孔径是微米级，且针孔放置在显微物镜的焦点位置处，能有效消除各种杂散光。发散球面波经过第一准直透镜7和第二准直透镜8后变为平行光，第一准直透镜7和第二准直透镜8均为非球面透镜，用于尽可能的减小平行光的像差，经过第一准直透镜7和第二准直透镜8后的平行光沿基片中心对称分布，且满足光栅方程2dsinθ＝λ，其中d为干涉条纹的周期，λ为相干光源的波长，θ为两入射平行光束夹角的一半。
[0045]
如图2所示，全息曝光光路通过调节第二反射镜9的偏转角和基片夹持框10的位置改变两束平行光束的干涉夹角，可调节光栅的周期和栅线方向；进一步的，第二反射镜9下设置有电动转台(图中未体现)，可通过软件驱动电动转台旋转角度改变光束的偏转，基片夹持框10下设置有电动六维位移偏转台11，通过软件驱动电动六维位移偏转台11改变基片夹持框10与干涉光场的相对位置；进一步的，衰减片4为可调衰减片，通过调节衰减片4的位置，改变其中一束激光的功率，使得最终发生干涉的两束平行光强度保持一致，进一步提高干涉条纹的对比度。
[0046]
上述基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器的制备方法的第3步，当全息曝光光路对光热敏折变玻璃基片上的第一个曝光区域进行曝光时，干涉光场中干涉条纹的周期与写入体布拉格光栅的周期均为λ1，光栅栅线方向相对于基片角度为0
°
，此时两干涉光夹角为
[0047]
第一个曝光区域曝光完成后，移动黑色挡光板使得第二个区域透光，通过电动转台将第二反射镜9偏转一定角度干涉光束的夹角为θ2，其中，其中此时光栅周期移动基片夹持框10的位置，使得偏转后的两光束相对于光热敏折变玻璃基片依然对称，干涉光场在光热敏折变玻璃基片的前表面。
[0048]
若仍需改变光栅周期，继续通过第二反射镜9的偏转调整两干涉光束的夹角；若只需改变栅线方向，仅需改变光热敏折变玻璃基片的角度，即以光热敏折变玻璃前表面的几
何中心，绕其旋转一定的角度，即可改变干涉光场与基片的相对位置，从而改变记录在光热敏折变玻璃中的栅线方向。
[0049]
同样的道理，对光热敏折变玻璃基片的第n个曝光区域进行曝光，每次曝光量都相同，此时写入体布拉格光栅的周期为λn，干涉光束的夹角为θn，实施例中按照如图1所示的区域划分，各区域的光栅周期与角度依次为，区域a：λa，0；区域b：λb，0；区域c：λc，0；区域d：λa，θ；区域e：λb，θ；区域f：λc，θ；区域g：λa，-θ；区域h：λb，-θ；区域i：λc，-θ。
[0050]
待n次曝光完成后，将整块光热敏折变玻璃基片置于热处理炉中进行热显影和定影一段时间，热显影和定影温度区间优选为500～530℃，继续对体布拉格光栅进行切割、精磨、抛光、表面镀制增透膜处理，最终获得大口径、多通道的体布拉格光栅滤波器，即基于透射式体布拉格光栅的多通道滤波器产品。
[0051]
本发明利用上述拼接式曝光方式制作的多通道布拉格光栅能够在同一个器件上实现多个透射型体光栅的功能，即对于同一种波长光入射，不同区域的布拉格衍射角不同，此体布拉格光栅有多个角选择性，不同区域的布拉格角为：其中en为光栅栅线的倾斜角，λ是入射光的波长，n0为空气折射率，λn为光栅的周期。
[0052]
对于同一入射光波，不同区域的光栅周期不同，其布拉格角也不同，可实现多角度选择；而对于多波长的光束，在同一入射角度下，光栅不同区域的波长选择性不同，光栅特定的区域只能通过特定的波长，可实现波长选择，且波长选择带宽与体布拉格光栅的周期有关，周期越小，波长选择带宽也越小，可用作多通道高精度滤波器，其中入射角度和波长选择性分别如图3和图4所示。
[0053]
本发明利用自制新型光热敏折变玻璃，通过拼接曝光方案将不同的光栅周期和光栅角度分别写入特定区域，再经后续热处理等工序，制作出多通道空间滤波器，根据不同的要求设计出多通道区域以及光栅周期与栅线角度，可在同一片体布拉格光栅上实现不同的角度选择性，实现多通道滤波功能，器件功能性更强，集成度更好。
[0054]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。