CN1249457C - 高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，包括下列步骤：①根据光折变体全息透镜高衍射效率的要求，在平行记录光束和会聚记录光束在晶体内部的夹角α应较小，在取值范围3°≤a≤25.5°内，选择一合适的α值；②根据α对光折变晶体的外形进行优化设计；③选择双掺杂铌酸锂晶体按设计尺寸加工成七面体；④用均匀紫外光进行预敏化；⑤两记录红光光束经同一个入射面射入七面体晶体内，该平行光束和会聚光束在晶体内发生小角度相干记录，制成光折变体全息透镜。本发明制作的体全息透镜具有衍射效率高、体积小、结构紧凑、性能稳定、波长和视场选择性好的优点。

Description

高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法

技术领域

本发明涉及光折变体全息透镜，特别是一种高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法。该方法制作出的体全息透镜主要用于空间激光通信、激光雷达等激光系统。

背景技术

光折变体全息透镜是在光折变材料中，基于光的干涉和衍射等全息光学原理来实现透镜功能的一种全息光学元件。在激光系统中，透镜的主要作用是实现激光准直和激光发射和接收等。传统光学透镜因受透镜的焦距和透镜口径的制约而使整个激光系统所占的空间体积和重量都较大。光折变体全息透镜与传统光学透镜相比具有技术和成本的优势：光折变体全息透镜可以实现对输入光束的横向传输和聚焦，进而使激光系统的空间体积大大减小。对用于激光通信系统的体全息透镜而言，除了要具有较小的空间体积和重量之外，其关键技术还在于提高透镜的衍射效率，从而得到能量较高的光信号。

在先技术[1](参见刘立人、闫爱民、刘德安、栾竹、周煜、祖继锋，“光折变平板透镜”，专利，申请号：03228595.2)所描述的是一种由垂直的双光束纪录的光折变体全息透镜，该透镜实现了对光束的横向传输和聚焦，但是由于该透镜是采用的垂直记录，因此其衍射效率比较低，实验值低于10％。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，该方法制作的光折变体全息透镜具有高衍射效率。

本发明的构思是根据光折变体全息原理。本发明包括两个部分：第一是依据两个记录光夹角较小时对双掺杂的LiNbO₃晶体的几何结构进行优化设计，实现对信号光束的横向传输并聚焦；第二是采用两空间相干记录光束，使其在所设计的双掺杂的LiNbO₃晶体中发生小角度相干，记录产生体全息透镜，以获得高衍射效率。

对于双掺杂的LiNbO₃晶体，其体全息光栅的记录原理是Buse等人提出的双色光两中心全息记录理论模型。参见K.Buse，A.Adibi，et al.，Nature，397(7)，pp.665-668，1998，Nonvolatile holographic storage holograms in doubly doped lithium niobatecrystals。根据体全息光栅的记录理论，参见Yunping Yang，Ali Adibi，and DemetriPsaltis，Appl.Opt.，42(17)，pp3418-3427，2003，Comparison of transmission and the90-degree holographic recording geometry，体全息光栅的衍射效率与记录双光束的夹角有关。实验证明小角度透射记录所得到体全息光栅的衍射效率比90°垂直记录时的衍射效率要高许多，参见Q.Dong，L.Liu，X.Zhu，R.Gao，Y.Hu，，Proc.SPIE，Vol.5206，pp230-238，2003 Grating spacing dependence of nonvolatilephotorefractive holographic recording in doubly doped LiNbO₃ crystals。因此本发明采用双光束小角度相干记录的方法，以提高体全息透镜的衍射效率。同时，为实现信号光经过体全体透镜衍射后横向传输并在晶体外聚焦，本发明对记录介质双掺杂的LiNbO₃晶体的几何结构进行优化设计。

本发明的技术解决方案如下：

一种高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①根据光折变体全息透镜衍射效率的要求，在平行记录光束和会聚记录光束在晶体内部的夹角α的取值范围3°≤α≤25.5°内，选择一合适的α值；

②根据α对光折变晶体的外形进行优化设计；

③选择双掺杂铌酸锂晶体，按步骤②的设计尺寸加工成所需的七面体；

④用均匀紫外光照射该七面体，对记录部分进行预敏化；

⑤两记录红光光束经同一个入射面射入七面体的双掺杂铌酸锂晶体内，其中平行光束垂直入射，会聚光束倾斜入射，其入射角根据②中的α和折射定律计算出，平行光束和会聚光束在上述晶体内发生小角度相干记录产生体全息透镜，制成光折变体全息透镜。

所述的根据α对光折变晶体的外形进行优化设计，包括以下具体步骤：

光折变晶体的体全息透镜的外形是一由顶点为M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉和M₁₀构成的七面体，其入射面的长度为M₁M₂＝L，宽度为M₂M₃＝l，一会聚光束的全反射面的长度为M₇M₈＝L₁，宽度为M₈M₉＝l；该全反射面与入射面相对且其夹角为β，与该入射面相邻的垂直面的高度为M₁M₈＝h，宽度为M₁M₄＝l，与垂直面相对且与该入射面相邻的另一面是会聚光束的出射面，该出射面与入射面的夹角为Ф。上述参数根据下列公式进行优化设计：

①i₁、i₃和i₂分别表示会聚光束两个边缘光线与中心光线在全反射面上的反射角，则i₁＝α-γ+β；i₂＝α+β；i₃＝α+γ′+β，其中α-γ和α+γ′分别为晶体内部会聚光束的边缘光线与入射面法线的夹角，其中：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{\frac{4f}{l}-\sin 2\mathrm{\α}}$

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\mathrm{arctg}\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{\frac{4f}{l}+\sin 2\mathrm{\α}}$

f指会聚光束的等效焦距；

②为使会聚光束在反射面上发生全反射同时平行光束沿原方向透射出晶体，β须满足C-(α-γ)≤β≤C，式中C为寻常光O光在晶体中的全反射角，其值为 $C=\arcsin \frac{1}{n},$ n表示O光在晶体中的折射率；

③为使会聚光束在出射面4上垂直射出，则Ф＝180°-α-2β；

④为使会聚光束的焦点位于该光折变晶体之体外，则h＞h₀，其中

$h_0=[l+\frac{f\sin 2i_1}{2\cos \mathrm{\β}{\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]\cos ({2i}_3-{\mathrm{\α}-\mathrm{\γ}}^{\′}){\cos i}_3{\sin }^{-1}{2i}_3{\cos }^{-1}\mathrm{\β};$

并且L₁＞L₁₀，其中

$L_{10}=\left\{\right[l+\frac{{f\sin 2i}_1}{2\cos \mathrm{\β}{\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]-(\frac{f}{2\cos \mathrm{\β}}+\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β})\sin \mathrm{\β}\}{\cos }^{-1}\mathrm{\β};$

$L=[l+\frac{f\sin {2i}_1}{2\cos \mathrm{\β}\cos i_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]-\frac{2\cos \mathrm{\β\Δ}h\cos i_2}{\sin \mathrm{\φ}}$

上式中Δh＝h-h₀；

所述的全反射面与点M₅M₆M₇M₁₀所在的表面垂直。

所述的点M₁M₂M₆M₇M₈所在的表面和点M₄M₃M₅M₉M₁₀所在的表面与其所有相邻的面都垂直。

本发明的技术效果如下：

本发明可制作出具有高衍射效率的光折变体全息透镜，该透镜同时又实现了平行光束的横向传输和聚焦。与在先技术[1]相比，本发明采用小角度相干光记录产生体全息透镜的方法克服了在先技术的体全息透镜衍射效率较低的的不足。此外，与在先技术相比，本发明制作出的体全息透镜还具有体积小、结构紧凑、性能稳定、波长和视场选择性好的优点。

附图说明：

图1是本发明双掺杂LiNbO₃晶体的外形结构示意图；

图2是本发明设计方案双掺杂LiNbO₃晶体的横截面及其光路示意图；

图3是本发明小角度双光束纪录和紫外光局域固定示意图；

图4是平行光束读出体全息透镜衍射光束横向传输并聚焦示意图；

图5是点光源发出的球面波读出体全息透镜衍射光束横向传输示意图。

具体实施方式

先请参阅图1、图2和图3，本发明高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，包括下列步骤：

①根据光折变体全息透镜衍射效率的要求，在平行记录光束和会聚记录光束在晶体内部的夹角α的取值范围3°≤α≤25.5°内，选择一合适的α值；

②根据α对光折变晶体的外形进行优化设计；

③选择双掺杂铌酸锂晶体，按步骤②的设计尺寸加工成所需的七面体1；

④用均匀紫外光照射该七面体1，对记录部分进行预敏化；

⑤两记录红光光束经同一个入射面3射入七面体的双掺杂铌酸锂晶体内，其中平行光束垂直入射，会聚光束倾斜入射，其入射角根据②中的α和折射定律计算出，平行光束和会聚光束在上述晶体内发生小角度相干记录产生体全息透镜，制成光折变体全息透镜。

所述的根据α对光折变晶体1的外形进行优化设计，包括以下具体步骤：

光折变晶体的体全息透镜的外形是一由顶点为M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉和M₁₀构成的七面体1，其入射面3的长度为M₁M₂＝L，宽度为M₂M₃＝l，一会聚光束的全反射面5的长度为M₇M₈＝L₁，宽度为M₈M₉＝l；该全反射面5与入射面3相对且其夹角为β，与该入射面3相邻的垂直面6的高度为M₁M₈＝h，宽度为M₁M₄＝l，与垂直面6相对且与该入射面3相邻的另一面是会聚光束的出射面4，该出射面4与入射面3的夹角为Ф，上述参数根据下列公式进行优化设计：

①i₁、i₃和i₂分别表示会聚光束两个边缘光线与中心光线在全反射面5上的反射角，则i₁＝α-γ+β；i₂＝α+β；i₃＝α+γ′+β，其中α-γ和α+γ′分别为晶体内部会聚光束的边缘光线与入射面3法线的夹角，其中：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{\frac{4f}{l}-\sin 2\mathrm{\α}}$

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\mathrm{arctg}\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{\frac{4f}{l}+\sin 2\mathrm{\α}}$

f指会聚光束的等效焦距：

②、为使会聚光束在全反射面5上发生全反射同时平行光束沿原方向透射出晶体，β须满足C-(α-γ)≤β≤C，式中C为寻常光O光在晶体中的全反射角，其值为 $C=\arcsin \frac{1}{n},$ n表示O光在晶体中的折射率：

③、为使会聚光束在出射面4上垂直射出，则Ф＝180°-α-2β；

④、为使会聚光束的焦点位于该光折变晶体1之体外，则h＞h₀，其中

$h_0=[l+\frac{f\sin 2i_1}{2\cos \mathrm{\β}{\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]\cos ({2i}_3-{\mathrm{\α}-\mathrm{\γ}}^{\′}){\cos i}_3{\sin }^{-1}{2i}_3{\cos }^{-1}\mathrm{\β};$

并且L₁＞L₁₀，其中

$L_{10}=\left\{\right[l+\frac{{f\sin 2i}_1}{2\cos \mathrm{\β}{\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]-(\frac{f}{2\cos \mathrm{\β}}+\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β})\sin \mathrm{\β}\}{\cos }^{-1}\mathrm{\β};$

$L=[l+\frac{f\sin {2i}_1}{2\cos \mathrm{\β}\cos i_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]-\frac{2\cos \mathrm{\β\Δ}h\cos i_2}{\sin \mathrm{\φ}}$

上式中Δh＝h-h₀；

所述的全反射面5与点M₅M₆M₇M₁₀所在的表面7垂直。所述的点M₁M₂M₆M₇M₈所在的表面8和点M₄M₃M₅M₉M₁₀所在的表面9与其所有相邻的面都垂直。参见图2。

图3所示的是本发明光折变透镜双光束干涉全息记录和紫外光局域预敏化示意图。该图中，用均匀紫外光照射晶体以增加晶体对红光的灵敏度。在均匀紫外光照射的同时，用空间相干红光双光束照射晶体以记录体全息光栅。此外，在图4中，平行读出光束经体全息透镜横向传输后，其聚焦点O的空间位置可以由全反射面5的空间位置来决定。优化设计的结果可以实现将聚焦点限制在读出光入射面3附近，从而实现系统体积的减小。在图4中光折变体全息透镜2对平行读出光束的横向传输并聚焦的原理是根据体光栅衍射理论，当平行光束R₁入射到体光栅衍射时受到Bragg条件制约，只有满足Bragg条件的光线可以经由体光栅衍射而产生横向传输并聚焦，形成会聚光束S₁。此外，根据体光栅衍射再现，光折变体全息透镜2也可以实现对发散光束的横向传输。如图5所示，激光光源在焦点发射的发散光束R₂入射到体全息透镜2上，因符合Bragg条件而受体光栅的衍射，衍射光束S₂垂直光折变晶体表面平行射出。

如图1所示的本发明制作出的光折变体全息透镜的结构，选用的材料为双掺杂的LiNbO₃:Cu:Ce晶体1，Cu作为深能级中心，Ce作为浅中心。采用He-Ne气体激光器作为光源，波长为632.8nm。对于此波长，红光在LiNbO₃晶体中的折射率分别为n_e＝2.2024，n＝2.2864，这里n_e和n分别表示非常光和寻常光的折射率。两记录红光束光强均为10.5mW/cm²；75W的球形高压汞灯，用透紫外的滤光片滤光后经过会聚透镜聚焦，作为非偏振的紫外敏化光源。用来敏化的紫外光的光强为23mW/cm²，365nm。记录光在入射面3上的口径为l＝5mm，会聚光束R的等效焦距为f＝50mm。

记录过程：首先用均匀紫外光对要记录部分进行1小时左右的预敏化，均匀紫外光照射LiNbO₃:Cu:Ce晶体1时，处于深浅两能级中的电子都能被激发到导带，再分别被深浅两个能级俘获；然后用周期性调制的红光，一束为平行光波P，另一束为球面光波R，和均匀的紫外光同时照射晶体1进行干涉全息记录，待记录稳定后，关闭紫外光和其中的一束红光，用另一束红光照射已经记录全息的部分，进行局域全光固定，红光只能激发浅能级中的电子到导带中去，保留了深能级的体光栅。于是在LiNbO₃:Cu:Ce晶体1中就记录了非挥发性的光折变体全息透镜2。

读出过程：请参见图4，用与记录红光P强度相同的平行光束R₁按原方向垂直照射体全息透镜2，该平行光束在体全息透镜2内由于满足Bragg条件而被衍射，形成会聚光束S₁后，继续传播，会聚到一点O；在会聚点O处，用与记录球面波共轭的发散球面波R₂照射体全息透镜2，参见图5，该发散光束R₂在体全息透镜中2由于满足Bragg条件而被衍射，形成平行光束沿S₂与记录平行光束P相反的方向射出。

实施例1：根据以上所述的记录条件和原理，取两记录红光R和P在晶体内夹角为α＝25.5°，反射面5与入射面3间的夹角β＝7.0°，出射面4与入射面3间的夹角φ＝140.5°，表面6其高度为h＝22.00mm，入射面3长度为L＝30.00mm，反射面5长度为L₁＝29.60mm。衍射效率实验值为55％。

实施例2：根据以上所述的部分记录条件和原理，取两记录红光R和P在晶体内夹角为α＝3°，反射面5与入射面3间的夹角β＝25.8°，出射面4与入射面3间的夹角φ＝125.4°，表面6其高度为h＝17.00mm，入射面3长度为L＝28.30mm，反射面5长度为L₁＝19.00mm。衍射效率实验值为70％。

实施例3：根据以上所述的部分记录条件和原理，取两记录红光R和P在晶体内夹角为α＝16.5°，反射面5与入射面3间的夹角β＝17.0°，出射面4与入射面3间的夹角φ＝129.5°，表面6其高度为h＝13.50mm，入射面3长度为L＝27.38mm，反射面5长度为L₁＝25.00mm。衍射效率实验值为60％。

综上所述，根据本发明方法制作的光折变体全息透镜，经实验证明，与在先技术相比，大大提高了其衍射效率，而且具有体积小，结构紧凑，性能稳定，波长和视场选择性好的优点。

Claims (3)

1、一种高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

(一)根据光折变体全息透镜衍射效率的要求，在平行记录光束和会聚记录光束在晶体内部的夹角α的取值范围3°≤α≤25.5°内，选择一合适的α值；

(二)根据α对光折变晶体的外形进行优化设计，包括以下具体步骤：

光折变晶体的体全息透镜的外形是一由顶点为M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉和M₁₀构成的七面体(1)，其入射面(3)的长度为M₁M₂＝L，宽度为M₂M₃＝l，一会聚光束的全反射面(5)的长度为M₇M₈＝L1，宽度为M₈M₉＝l；该全反射面(5)与入射面(3)相对且其夹角为β，与该入射面(3)相邻的垂直面(6)的高度为M₁M₈＝h，宽度为M₁M₄＝l，与垂直面(6)相对且与该入射面(3)相邻的另一面是会聚光束的出射面(4)，该出射面(4)与入射面(3)的夹角为Φ，上述参数根据下列公式进行优化设计：

①i₁、i₃和i₂分别表示会聚光束两个边缘光线与中心光线在全反射面(5)上的反射角，则i₁＝α-γ+β；i₂＝α+β；i₃＝α+γ′+β，其中α-γ和α+γ′分别为晶体内部会聚光束的边缘光线与入射面(3)法线的夹角，其中：

$\mathrm{\γ}=\mathrm{arctg}\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{\frac{4f}{l}-\sin 2\mathrm{\α}}$

${\mathrm{\γ}}^{\′}=\mathrm{arctg}\frac{1+\cos 2\mathrm{\α}}{\frac{4f}{l}+\sin 2\mathrm{\α}}$

f指会聚光束的等效焦距；

②为使会聚光束在反射面(5)上发生全反射同时平行光束沿原方向透射出晶体，β须满足C-(α-γ)≤β≤C，式中C为寻常光O光在晶体中的全反射角，其值为 $C=\arcsin \frac{1}{n},$ n表示O光在晶体中的折射率；

③为使会聚光束在出射面(4)上垂直射出，则Φ＝180°-α-2β；

④、为使会聚光束的焦点位于该光折变晶体(1)之体外，则h＞h₀，其中

$h_0=[l+\frac{f{\sin 2i}_1}{2\cos \mathrm{\β}{\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]\cos ({2i}_3-\mathrm{\α}-{\mathrm{\γ}}^{\′}){\cos i}_3{\sin }^{-1}{2i}_3{\cos }^{-1}\mathrm{\β};$

并且L₁＞L₁₀，其中

$L_{10}=\left\{\right[l+\frac{{f\sin 2i}_1}{{2\cos \mathrm{\β}\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]-(\frac{f}{2\cos \mathrm{\β}}+\mathrm{\Δ}h\cos \mathrm{\β})\sin \mathrm{\β}\}{\cos }^{-1}\mathrm{\β};$

$L=[l+\frac{f{\sin 2i}_1}{2\cos \mathrm{\β}{\cos i}_1\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}]-\frac{2\cos \mathrm{\β\Δ}h\cos i_2}{\sin \mathrm{\φ}}$

上式中Δh＝h-h₀；

(三)选择双掺杂铌酸锂晶体，按步骤㈡设计的尺寸加工成所需的七面体(1)；

(四)用均匀紫外光照射该七面体(1)，对记录部分进行预敏化；

(五)两记录红光光束经同一个入射面(3)射入七面体(1)的双掺杂铌酸锂晶体内，其中平行光束垂直入射，会聚光束倾斜入射，其入射角根据α和折射定律计算出，平行光束和会聚光束在上述晶体内发生小角度相干记录产生体全息透镜，制成光折变体全息透镜。

2、根据权利要求1所述的高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，其特征在于所述的全反射面(5)与点M₅M₆M₇M₁₀所在的表面(7)垂直。

3、根据权利要求1或2所述的高衍射效率光折变体全息透镜的制作方法，其特征在于所述的点M₁M₂M₆M₇M₈所在的表面(8)和点M₄M₃M₅M₉M₁₀所在的表面(9)与其所有相邻的面都垂直。

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