CN1259576C - 紧凑结构光折变体全息透镜 - Google Patents

Abstract

一种紧凑结构光折变体全息透镜，它是由光折变晶体及其上的体全息光栅构成，该光折变晶体是一种双掺杂的铌酸锂晶体，其几何形状是由一长方体平板和一三角棱体构成一体的七面体，长方体平板的尺寸为a×b×c，其中a＞b＞＞c，厚度c远大于入射光波的波长，所述三角棱体的底面与该平行长方平板顶面重叠，大小均为a×b，该三角棱体的高度为d，该三角棱体的两锐角满足α＜36°，β＞27°，且2β+α＝90°，该光折变晶体中具有体全息光栅。本发明采用有限体积光折变体全息方案，实现了在一小体积晶体内转换光束方向并聚焦，或对输入光点产生横传并准直。其体积小重量轻，结构简单可靠，衍射效率高，抗干扰能力强。

Description

紧凑结构光折变体全息透镜

技术领域

本发明涉及光折变体全息透镜，是一种采用有限体积光折变体全息原理的紧凑结构光折变体全息透镜，主要用于空间激光通信、激光雷达、激光对抗、光纤通信、微小化三维光学集成系统和微小化卫星等信息光学领域。

背景技术

光学透镜系统是激光在空间应用中的一种关键器件，光学透镜系统主要用于激光准直、激光发射、激光接收等。传统的透镜系统由于聚焦作用必定需要一段衍射传播距离来实现，使其在激光总体应用系统中占据很大的空间尺寸。此外，透镜的光学玻璃的比重很高，透镜的支撑机构的重量也很大，这些在空间应用中是非常不利的，因此有效减小透镜系统的体积和重量更是激光空间应用发展的必然趋势。紧凑结构光折变体全息透镜技术是对传统光学的一项技术革新，主要是采用光致折射率变化的全息记录方法产生的。紧凑结构光折变体全息透镜可以在其有限体积内实现转换输入光束的方向并聚焦，或对点源输入光束产生一横向传输的准直光束，其体积小、重量轻、衍射效率高、结构简单可靠、能大大地减小系统的体积。

在先技术[1]，参见Maria Victoria collados，Isabel Arias，Ana Garcia，JesusAtencia，and Manuel Quintanilla.Appl.Opt，42(2003)，pp 805-810，Sliver halidesensitized gelatin process effects in holographic lenses recorded on SlavichPFG-01 plates中所描述的是由两个非中心单轴全息系统组成的分隔全息透镜系统。整个透镜系统由二个全息干涉光栅复合叠加在一起组成。其全息光栅的记录由一发散光和平行光入射到乳胶体上干涉形成。在重现过程中，第一块全息光的衍射光将作为第二全息光栅的入射光，再由第二块全息光栅的衍射光得到一束会聚光。因此，它是一种利用光栅衍射对入射光束进行透射离轴聚焦的三维光学元件，整个光束系统占用的空间体积大，不易于微小化集成。

在先技术[2]，参见Stephen.M.Schultz，Elias.N.Glytsis，and Thmask.Gaylord.Opt.let，1999，24(30).pp 1708-1710，Volume grating preferential-orderfocusing waveguide coupler，中所描述的是体光栅波导耦合器，用以转换光束方向，它是由一束透过柱透镜的会聚光与一束平行光再透过一棱镜入射到波导表面形成的干涉条纹，不同入射角度的会聚光将在波导层内面形成具有倾斜条纹和变波矢量的光栅。当导波光入射到体光栅上时，具有变波矢量的体光栅将导波光衍射，不同角度的衍射光会聚到一点。通过改变体光栅形成时的波矢量的变化形为，可以实现不同焦距的体光栅波导耦合。但此光栅只对限制在波导内传播的导波进行衍射，衍射效率低。而且这种变波矢量的体光栅形成时的精确控制比较难，所以获得低像差的会聚焦点很难。

在先技术[3]，参见GHatakoshi，H.Fujima and K.Goto.Appl.Opt.1984，23(11)，pp.1794-1753，Waveguide grating lenses for optical couplers，文中描述的是波导光栅衍射透镜，其工作原理是用全息记录或电子束蚀刻方法在波导表面形成光栅透镜，此光栅透镜可以把波导内的光束衍射成只进入衬底的球面波，然后折射到空气中会聚到一点。这种透镜只对波导内传播的一定模式的导波光进行光束转换，在波导表面的厚度很小，只能达到微米量级，波长的选择性和光栅透镜的复用性差。而且透镜和传播基质(衬底)不是同种介质，稳定性和可靠性差，另外，波导衍射器件的应用面积增大时衍射效率会变得很大。

在先技术[4]，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，其中所描述的光折变平板透镜系统，是一种形状是长方体的双掺杂的LiNbO₃晶体平板，它的工作原理是由两束空间相干光正交入射到光折变晶体平板内记录产生光折变全息光栅，并用紫外光进行局域固定。此光折变晶体平板可以实现对输入光束产生横传并聚焦，或对输入光点产生横传的准直。但是，由于正交光束入射到光折变平板内形成的光栅过程中，光激发自由载流子的扩散过程占主导地位，载流子漂移形成的空间电荷场受到一个饱和电场的限制，这使得所形成的光栅的条纹间距太小，光栅较弱；此外，两光正交入射进行全息光栅记录的过程中只能用寻常偏振光来记录，这使得两光束正交入射干涉情况下光折变晶体的电光系数较小，平均调制深度小，所以正交入射的光折变平板透镜系统的衍射效率不高，使其在实际的应用中受到了限制。由于可以复用在LiNbO₃晶体平板的全息图的数量受晶体的动态范围(M/#)的限制，即晶体的存储容量受到光折变晶体动态范围的限制，动态范围越大，晶体的存储容量越大，而90°全息光栅记录结构的动态范围(M/#)比透射全息光栅结构的动态范围(M/#)小。因此，90°记录全息光栅的存储容量比小角度全息光栅记录结构的容量小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服在先技术的不足，提供了一种紧凑结构光折变体全息透镜。该体全息透镜，应能在一有限体积的光折变晶体内实现对输入光束的方向转换并聚焦，或对输入光点产生横传并准直。它应具有体积小重量轻、结构简单可靠、衍射效率高和抗干扰能力强的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种紧凑结构光折变体全息透镜，它是由光折变晶体及其上的体全息光栅构成的，该光折变晶体是一种双掺杂的铌酸锂晶体，其几何形状是由一长方体平板和一三角棱体构成一体的七面体，长方体平板的尺寸为a×b×c，其中a为长，b为宽，c为厚度，且a＞b＞＞c，厚度c远大于入射光波的波长，所述三角棱体的底面与该长方体平板的顶面重合，大小均为a×b，该三角棱体的高度为d，该三角棱体的两斜面与底面所成的两锐角满足α＜36°，β＞27°，且2β+α＝90°，以使平行光束垂直于入射面进入晶体内并传播到达全反射面时能发生全反射，该光折变晶体中具有体全息光栅。

所述的紧凑结构光折变体全息透镜的制备方法，其特征在于该光折变晶体中体全息光栅的记录过程是：

第一步，用均匀紫外光对所述七面体晶体进行0.8-1.2小时辐照；

第二步，在均匀紫外光束继续照射的同时，用空间相干的两红光：一平行光束从晶体的最大平面正交照射晶体，一会聚记录光束从晶体的最小平面正交照射晶体；

第三步，待记录稳定后，关闭紫外光，继续用该平行光束或会聚记录光束照射已经记录全息光栅的部分。

所述的体全息光栅的记录是采用两色光两中心全息记录法。

所述的体全息光栅的记录过程，既可使用寻常偏振光记录，也可使用非寻常偏振光记录。

所述光折变晶体中形成体全息光栅的过程是：由两记录光束垂直入射到晶体，一平行记录光束由七面体的最大平面并靠近另一入射面垂直入射，该平行记录光束在晶体内受一平面全反射改变光在晶体内的传播方向，另一会聚记录光束由七面体的最小平面垂直入射，该两光束以较小的角度α干涉形成体全息光栅。

与在先技术相比，本发明突出的优点和特点是：

1、体积小、重量轻，与传统透镜相比较，可以缩小至百分之一左右，且透镜与传播机制为统一介质，因此稳定可靠，抗环境干扰能力强。

2、体全息光栅的记录是由两空间相干光束以较小角度干涉形成的，其光栅间距较大，光栅强。所形成体光栅的晶体有更大的动态范围(M/#)，因此具有较高的衍射效率和灵敏度。

3、两相干光束以较小角度干涉记录光栅的过程，是在双掺杂的LiNbO₃晶体中采用双中心全息记录法，此记录光栅的方法很好的抑制了光栅记录和读出过程中的散射和扇形噪声。

4、可以通过光折变效应记录若干个分立的局域体全息，通过衍射光的互联在单片晶体内实现多干涉功能器中组合器件组合的微小化三维光学集成系统。

5、两束相干记录光束以较小角度的干涉形成光栅，记录光束可以使用寻常偏振光和非寻常偏振光。用非寻常偏振光束记录全息光栅，可以使晶体具有更大的动态范围(M/#)，从而具有更高的存储容量。

6、光折变晶体作为体全息介质，对记录在其中的体全息光栅来讲具备严格的布拉格选择条件，当光折变全息读出时，任何角度或波长的改变将使布拉格条件失配导致衍射效率急剧下降，这种角度和波长的选择性使得可以利用不同角度或波长的入射光在同一体积内记录许多全息，可以实现体全息复用和海量存储。

附图说明

图1为本发明紧凑结构光折变体全息透镜的结构示意图。

图2为紧凑结构光折变体全息透镜的双光束干涉全息记录和紫外光局域固定示意图。

图3为平行光束入射到本发明紧凑结构光折变体全息透镜上产生衍射再现聚焦光束示意图。

图4为点光源发出的球面波读出体全息光栅透镜衍射平行射出光束示意图。

具体实施方式

先请参阅图1，本发明紧凑结构的光折变光学体全息透镜系统的结构包括两部分，光折变体全息透镜结构和其上的体全息光栅透镜。其形状是如图1所示的一块七面体，可以看作是由同种晶体材料构成的长方体平板与三角棱体一体组合而成，长方体平板的尺寸为a×b×c，其中a＞b＞＞c，厚度c远大于入射光波的波长。三角棱体底面面积为a×b的长方形，三角棱体的高度为d，应满足α＜36°，β＞27°，且2β+α＝90°。使平行光束01垂直于入射面1进入晶体内并传播到达全反射面3时能发生全反射，α角与β角度的选取与整个晶体结构的体积及形成体全息光栅透镜的体积有一定的关系，α角越小，所形成的体全息光栅透镜的体积和整个晶体结构的体积越大，同时形成的光栅间距越大，光栅的衍射效率越高。其工作过程分两步，在光折变晶体七面体中体全息光栅的记录和体全息光栅的读出。所用的晶体材料是双掺杂的LiNbO₃晶体，即掺入两种不同能级深度的杂质离子形成深能级中心和浅能级中心，在光的辐照下，双掺杂的LiNbO₃晶体的折射率随光强的空间分布而发生变化，该晶体内载流子的产生可用双中心带输运模型来描述。

本发明中相干光束在光折变晶体中记录体全息光栅利用的是光折变晶体的光折变效应。在双掺杂的LiNbO₃晶体中记录和固定非挥发性光栅的原理是Buse等人提出的双色光两中心全息记录法，参见K.Buse，A.Adibi，et al.Nuture，397(7)，pp.665-668，1998，Nonvolatile holographic storage holograms indoubly doped lithium niobate crystals，对掺入两种能级深度不同的杂质，如Fe，Mn的LiNbO₃晶体中进行全息记录分为以下三步：

首先用非相干的均匀紫外光对此晶体进行预曝光处理，利用晶体的光色效应，通过导带把电子从深能级中心转移到浅能级中心，以改变晶体对光的吸收，使晶体对可见光产生吸收，从而可以用可见光对晶体进行全息存储；

第二步为全息记录过程，用紫外光和空间干涉的调制红光同时照射晶体进行存储记录，将调制光的信息同时存储在两能级中心的光栅之中；

第三步为全息光固定过程，关闭紫外光，用红光去抹除浅能级中心光栅，使所有的电子都陷入到深能级中心，从而保留了对红光不敏感的深能级中心光栅，实现储存信息的光固定。

双掺杂LiNbO₃晶体的空间双光束干涉全息记录和局域全光固定的过程结合图2说明如下：

第一步，用均匀紫外光03对光折变体透镜进行预敏化，使电子通过导带从深能级中心激发到浅能级中心，以增加晶体记录的灵敏度；

第二步，在均匀紫外光束03继续照射的同时，用空间干涉的调制平行光束01与会聚记录光束02，两光束均为红光，分别正交照射晶体结构的入射面1和入射面2，平行记录光束01传播至全反射面3时，发生全反射改变光束01的传播方向，使其方向平行于面4并与会聚记录光束02以小角度α相干涉，最终通过线性电光效应形成深能级中心的体全息光栅和浅能级中心的体全息光栅；

第三步，关闭紫外光束03并用一束红光照射晶体，红光将抹除浅能级中心光栅，保留对红光不敏感的深能级中心光栅，实现对紧凑结构光折变体全息透镜中体全息光栅透镜5的非挥发性记录和局域全光固定。

紧凑结构光折变体全息透镜可以使读入的准直光束产生横向传输并聚焦，也可以使输入光点经衍射平行射出。其读出过程结合图3、图4说明如下：

平行读出光束05垂直入射到晶体内传播至光折变体全息透镜的全反射面3，由于满足全反射条件将改变光束05的传播方向，并入射到体全息光栅透镜5上，由于符合布拉格匹配条件，该入射光束05受到体全息光栅5的衍射，在光折变体全息透镜5内传播并聚焦到一点O，形成会聚光束06输出，不满足布拉格匹配条件的光波将透过光栅直接传播。

如图4所示，激光点光源从O点发射的发散光束07入射到体全息光栅透镜5上，也因符合布拉格匹配条件而受到体全息光栅的衍射，衍射光束08将平行射出，不满足布拉格匹配条件的光波将透过该体全息光栅发散传播。

与在先技术相比，在先技术[1]是由两个非中心单轴全息系统组成的分隔全息透镜系统，整个光束系统占用的空间体积大，不易于微小化集成。在先技术[2]是转换光束方向用的体光栅波导耦合器，光栅只对限制在波导内传播的导波进行衍射，衍射效率低。而且这种变波矢量的体光栅形成时的精确控制比较难，所以获得低像差的会聚焦点很难。在先技术[3]的波导光栅衍射透镜，光栅厚度很小，只能达到微米量级，波长的选择性和光栅透镜的复用性差。而且透镜和传播基质，即衬底不是同种介质，稳定性和可靠性差，另外，波导衍射器件的应用面积增大时，衍射效率会变得很大。在先技术[4]光折变平板透镜系统，是一种由两光束正交干涉形成光栅的光折变平板透镜系统，它的衍射效率不高。本发明如上述结构，利用有限体积光折变体全息原理，在一小体积的光折变晶体内实现对输入的自由空间的光束产生横向传输并聚焦，或对输入光点产生横传的准直。

下面给出具体实施例作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。基本结构如图1所示。这里选取了满足以上条件的三组尺寸，即三个实施例，考虑到晶体生长时尺寸的限制及晶体的成本价值，α角最小值选取为7°，当平行记录光束的光斑半径为15mm时得到：

第一组尺寸：α＝7°，β＝41.5°，a×b×c＝117.5mm×15.0mm×5mm，d为13.3mm；

第二组尺寸选取为：α＝20°，β＝35°，a×b×c＝44.0mm×15.0mm×5mm，d为10.5mm；

第三组选取记录光束垂直入射到晶体中到达全反射面3时刚好可以发生全反射时的尺寸大小α＝36°，β＝27°，a×b×c＝22.5mm×15.0mm×5mm，d为8.7mm。

这三种不同尺寸的紧凑结构光折变体全息透镜具有的不同的效果，第一组尺寸下的紧凑结构光折变体全息透镜的体积最大，干涉形成的体全息光栅透镜的体积也最大，光栅间距最大，光栅的衍射效率最高；第三组尺寸下的紧凑结构光折变体全息透镜的体积最小，干涉形成的体全息光栅透镜的体积也最小，光栅间距最小，光栅的衍射效率是三组中最低的；第二组尺寸下的紧凑结构光折变体全息透镜的体积和光栅的衍射效率介于第一组情况和第二组情况之间。但其中的体全息光栅的记录过程和读出过程是相同的。

因此，选取第二组尺寸a×b×c＝44.0mm×15.0mm×5.0mm，d为10.5mm，β＝35°，α＝20°为例加以说明。本例中所采用的晶体材料是双掺杂的LiNbO₃:Cu:Ce晶体。采用He-Ne气体激光器作为光源，波长为632.8nm。寻常和非寻常偏振红光在LiNbO₃晶体的折射率分别为2.2864和2.2024，因此当记录红光01从最大平面1垂直进入晶体入射到全反射面3时，均能满足全反射条件而改变光束01的传播方向，另一会聚记录红光02从最小平面2垂直进入晶体，该两束记录红光的光强均为10.5mW/cm²，平行记录光束01光斑半径为15mm；一75W的球形高压汞灯，用透紫外的滤波片后经会聚透镜聚焦作为紫外敏化光源，其光束03用来敏化的紫外光的光强为23mW/cm²，波长为365nm。

记录过程如图2所示：首先用均匀紫外光03对要记录的部分进行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，一束平行光波01，一束会聚球面波02和均匀的紫外光03同时照射晶体进行干涉全息记录，平行记录光束01在晶体内传播到全反射面3时发生全反射改变光束传播方向，并与会聚球面波记录光束02以α角度相交干涉。待记录稳定后，关闭紫外光03和其中的一束红光02，用另一束红光01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，保留了深能级中的体光栅。于是在LiNbO₃:Cu:Ce晶体中记录了非挥发性的体全息光栅透镜。

读出过程：如图3所示，用与记录红光强度相同的平行光束05按原方向照射体全息光栅透镜，该平行光束05在体全息透镜内传播至面3时发生全反射，以α角照射到体光栅透镜上，由于满足布拉格匹配条件而被衍射，形成再现会聚光束06，继续传播，聚焦到一点O。同样，在会聚焦点处O，用与记录球面波共轭的发散球面波光束07照射体全息光栅透镜，该发散光束07在体全息光栅透镜内由于满足布拉格条件而被衍射，形成平行光束08沿与记录光束01相反的方向射出。如图4所示。

综上所述，本发明与在先技术相比，其突出的优点和特点是：

1、体积小、重量轻，结构简单，性能稳定可靠，抗环境干扰能力强。

2、体全息光栅的记录是由两空间相干光束以较小角度干涉形成的，其光栅间距较大，光栅强。所形成体光栅的晶体有更大的动态范围(M/#)，因此具有较高的衍射效率和灵敏度。

3、两相干光束以较小角度干涉记录光栅的过程，是在双掺杂的LiNbO₃晶体中采用双中心全息记录法，此记录光栅的方法很好的抑制了光栅记录和读出过程中的散射和扇形噪声。

4、可以通过光折变效应记录若干个分立的局域体全息，通过衍射光的互联在单片晶体内实现多干涉功能器中组合器件组合的微小化三维光学集成系统。

5、两束相干记录光束以较小角度的干涉形成光栅，记录光束可以使用寻常偏振光和非寻常偏振光。用非寻常偏振光束来记录全息光栅，可以使晶体具有更大的动态范围(M/#)，从而具有更高的存储容量。

6、光折变晶体作为体全息介质，对记录在其中的体全息光栅来讲具备严格的布拉格选择条件，当光折变全息读出时，任意角度或波长的改变将使布拉格条件失配导致衍射效率急剧下降，这种角度和波长的选择性使得可以利用不同角度或波长的入射光在同一体积内记录许多全息，可以实现体全息复用和海量存储。

Claims (4)

1、一种紧凑结构光折变体全息透镜，其特征在于它由光折变晶体及其上的体全息光栅构成，该光折变晶体是一种双掺杂的铌酸锂晶体，其几何形状是由一长方体平板和一三角棱体构成一体的七面体，长方体平板的尺寸为a×b×c，其中a为长，b为宽，c为厚度，且a＞b＞＞c，厚度c远大于入射光波的波长，所述三角棱体的底面与该长方体平板的顶面重合，大小均为a×b，该三角棱体的高度为d，该三角棱体的两斜面与底面所处的两锐角满足α＜36°，β＞27°，且2β+α＝90°，该光折变晶体中具有体全息光栅。

2、根据权利要求1所述的紧凑结构光折变体全息透镜的制备方法，其特征在于所述光折变晶体中记录体全息光栅的过程是：

第一步，用均匀紫外光(03)对所述七面体晶体进行0.8-1.2小时辐照；

第二步，在均匀紫外光束(03)继续照射的同时，用空间相干的两红光：一平行光束(01)从晶体的最大平面(1)正交照射晶体，一会聚记录光束(02)从晶体的最小平面(2)正交照射晶体；

第三步，待记录稳定后，关闭紫外光(03)，继续用该平行光束(01)或会聚记录光束(02)照射已经记录全息光栅的部分。

3、根据权利要求2所述的紧凑结构光折变体全息透镜的制备方法，其特征在于所述的体全息透镜的记录是采用的两色光两中心全息记录法。

4、根据权利要求2所述的紧凑结构光折变体全息透镜的制备方法，其特征在于所述的记录过程中，既可使用寻常偏振光记录，也可使用非寻常偏振光记录。

Images