專利名稱：大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作方法
技術領域：
本發明涉及一種全息波導器件，特別涉及一種大折射率調制度的斜條紋全息波導 器件制作方法。
背景技術：
目前大部分的斜條紋光纖光柵器件都是基于光學光刻技術，傾斜光纖布拉格光柵 的制作過程通常采用波長為242nm的準分子泵浦雙頻燃料激光，在25HZ頻率下，曝光5分 鐘，用掩膜曝光方法記錄，制作過程十分精密，曝光時間、強度、掩膜等諸多因素都能影響光 柵的質量，而且光纖內部在紫外光作用下產生折射率調制的機理并不很清楚，光纖內部所 能達到的最大折射率調控幅度最大不超過10_3數量級，這就意味著入射光必須經過長的傳 輸距離才能達到足夠高的衍射效率。光纖耦合器的另外一個制作方法是在預先設計好的硅 波導器件上直接刻蝕光柵，離子刻蝕法通常需要兩步完成，通常耦合效率較低，約為24%。 因此光刻方法和離子刻蝕方法制作傾斜條紋體光柵均存在一定的局限性，不僅制作方法工 藝要求苛刻，而且衍射效率較低，在實現寬帶濾波，穩定高效的衍射效率等功能方面還存在 不足。

發明內容
本發明是針對光纖耦合器件及制作方法存在的問題，提出了一種斜條紋全息波導 器件制作方法，在全息記錄中采用加入柱面透鏡實現光柵條紋的偏折角度從0°到90°的 自由改變，滿足全息光柵制作等光強等光程的要求，從而獲得折射率調制程度高的全息器 件。本發明的技術方案為一種大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作方法，包 括如下具體步驟1)首先是重鉻酸鹽明膠(DCG)傾斜條紋全息光柵的制作，將DCG平板置于全息 光路曝光，采用柱面透鏡在其中一束光路中，將圓形光斑聚焦成線狀激光，再直接從側面以 平行于DCG材料層的方向入射，通過調節另外一束激光與DCG的夾角獲得不同傾斜角度 從0°到90°，條紋間距任意的傾斜條紋反射式光柵，曝光時間為240s，相應的曝光能量為 1200mJ/cm2 ；2)再將裸露的DCG斜條紋光柵放在柯達固定劑中固化20s，之后用20°C流動自來 水反復沖洗3分鐘，接著使用濃度分別為50%、75%和100%的異丙醇各清洗2分鐘，再將 樣品放在70°C的純度為100%的異丙醇中浸泡半分鐘；3)最后用熱吹風機產生干燥熱氣使DCG斜條紋光柵脫水干燥，定型后采用N0A61 光學匹配膠覆蓋在光柵表面，再封上和記錄基質玻璃同等性質的玻璃片，形成中間折射率 高基質折射率低的波導內置全息元件。所述全息光路為二極管泵浦固體激光器產生的波長為532nm的激光束首先經過 半波片和偏振分光棱鏡以及第二個半波片，再經過物鏡和空間針孔濾波后，通過反射鏡和準直透鏡，接著只讓其中一束激光通過柱面聚焦透鏡，將圓形光斑聚焦成線狀激光再直接 從側面以平行于DCG材料層的方式入射，通過調節另外一束激光與DCG的夾角獲得不同傾 斜角度從0°到90°，條紋間距任意的傾斜條紋反射式光柵。本發明的有益效果在于本發明大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作方 法，大折射率調控DCG波導全息衍射元件不僅具有衍射效率高，波長選擇性帶寬和角度選 擇性帶寬寬等光學性質，還能夠從側面耦合入射光，實現同光纖或者其它光學耦合器件的 直接耦合。同時在制作斜條紋光柵方法上采用在一路激光中加入柱面透鏡解決了傾斜條紋 全息光柵的曝光制作問題，可滿足全息制作等光強等光程的要求，獲得折射率調控程度高 的器件。


圖1為透射式DCG全息光柵示意圖； 圖2為反射式DCG全息光柵示意圖；圖3為本發明大折射率調制度的斜條紋全息波導器件斜條紋DCG全息光柵示意 圖；圖4為本發明大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作斜條紋全息光柵的光 路圖；圖5為本發明大折射率調制度的斜條紋全息波導器件剖面示意圖；圖6為本發明大折射率調制度的斜條紋全息波導器件在折射率調制深度不同時， 波長與衍射效率關系示意圖；圖7為本發明大折射率調制度的斜條紋全息波導器件實驗與理論情況下波長與 衍射效率的關系示意圖；圖8為本發明斜條紋全息光柵衍射超連續白光激光產生七彩分光現象圖。
具體實施例方式一種大折射率調制幅度的斜條紋全息波導器件由高衍射DCG斜條紋全息光柵和 玻璃板組成。以重鉻酸鹽明膠(DCG)為記錄介質，利用柱面鏡的單向聚焦特點，設計傾斜條 紋DCG的制作光路。在全息光柵定型后，采用N0A61光學匹配粘膠覆蓋在DCG斜條紋光柵 表面，再封上一片和透明基質相同的玻璃片。重鉻酸鹽明膠材料是性質比較理想的全息材料，如果制作方法得當可實現 0. 08-0. 1的折射率調控幅度，很容易制作出高衍射效率的光學器件。所以基于DCG材料的 全息光學元件已經廣泛地應用于成像系統，光學大容量存儲和頭盔顯示器件。通常透射或 反射式的DCG全息光柵在制作時，都采用對稱曝光光路產生無傾斜的條紋結構，如附圖1、 2，附圖1光柵平行于基質面，稱為透射式DCG光柵，附圖2光柵垂直于基質面，稱為反射式 DCG光柵。實際應用中需要斜條紋結構的全息器件。例如在光通信系統中對多信道信息進行 分光，過濾，耦合的光學耦合器件如濾波器，衰減器等一系列光通信器件，通常需要有一定 傾斜角度的布拉格光柵器件，尤其是將光纖中傳播的導模模式耦合到輻射模式。如附圖3 所示情形。一束激光以平行于DCG材料層的方式入射，通過調節另外一束激光與DCG的夾角獲得不同傾斜角度從0°到90°，條紋間距任意的傾斜條紋反射式光柵?；贒CG斜條紋全息光柵的全息波導器件制作步驟如下1、首先是DCG傾斜條紋全息光柵的制作過程，將DCG平板置于全息光路曝光。體全息光路如附圖4所示，功率為200mW的二極管泵浦激光器1產生的532nm的激光束首先 經過半波片2改變偏振方向，通過與偏振分光棱鏡3配合使用，調節分光光強制比，偏振分 光棱鏡產生兩束光強相等夾角為90°的線偏光，偏振方向分別為S偏振和P偏振，其中一 束線偏光再通過半波片4使其偏振方向與另一束的偏振方向相同，兩束偏振方向相同，光 強相等的激光分別通過IOX物鏡5放大，和直徑25 μ m小孔6濾波，反射鏡7反射和焦距為 209mm的準直透鏡8準直后獲得直徑為20mm的圓形平行激光束，讓其中一束再通過單方向 焦距為200mm的柱面透鏡9，將圓形光斑聚焦成線狀激光，再直接從側面，以平行于DCG材料 層的方式入射，通過調節另外一束激光與DCG的夾角獲得不同傾斜角度從0°到90°，條紋 間距任意的傾斜條紋反射光柵。用柱面鏡聚焦的最大好處是解決了傾斜條紋全息光柵的曝 光制作問題，可以滿足全息制作等光強等光程的要求，獲得折射率調控高的器件。曝光時間 為240s，相應的曝光能量為1200mJ/cm2。2、再將裸露的DCG斜條紋光柵放在柯達快速固化劑中固化20s，形成更加穩定的 結構，之后用20°C流動自來水反復沖洗3分鐘，將固化劑清洗干凈，接著使用濃度分別為 50%、75%和100%的異丙醇各清洗2分鐘，再將樣品放在70°C的純度為100%的異丙醇中 浸泡半分鐘。3、用電吹風機產生干燥熱氣使DCG斜條紋光柵脫水干燥，定型后采用N0A61光學 匹配膠12覆蓋在光柵11表面，再封上和記錄基質玻璃10同等性質的玻璃片，形成中間折 射率高(DCG全息材料的折射率為1. 56)基質折射率低(通常BK7玻璃的折射率為1. 49) 的波導內置全息元件，如附圖5所示。基于耦合波理論，在三種不同的折射率調制深度0. 015,0. 05,0. 1情況下，傾斜為 45°的全息波導器件衍射效率與衍射波長的模擬關系如附圖6所示，可看出當折射率調制 深度為0.015時衍射效率可達到80%，另外折射率調制深度越大，波長選擇帶寬就越寬。在 實驗中，用準直鎢燈所發出的光束作為寬帶照明光束，柱面透鏡將衍射光束聚焦在探測器。 用海洋光學USB400分光光度儀測量得到如附圖7所示的波長與衍射效率的關系，通過實驗 數據與理論數據的對比，能夠看出實驗曲線與理論曲線擬合得很好。附圖8為斜條紋全息 光柵衍射超連續白光激光產生七彩分光實驗現象圖，從光纖出來的超連續激光能夠很方便 的耦合到45°斜條紋全息光柵上，被DCG斜條紋光柵從側面衍射成彩色條紋，說明波長不 同衍射角度也不相同。
權利要求
一種大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作方法，其特征在于，包括如下具體步驟1)首先是重鉻酸鹽明膠(DCG)傾斜條紋全息光柵的制作，將DCG平板置于全息光路曝光，采用柱面透鏡在其中一束光路中，將圓形光斑聚焦成線狀激光，再直接從側面以平行于DCG材料層的方向入射，通過調節另外一束激光與DCG的夾角獲得不同傾斜角度從0°到90°，條紋間距任意的傾斜條紋反射式光柵，曝光時間為240s，相應的曝光能量為1200mJ/cm2；2)再將裸露的DCG斜條紋光柵放在柯達固定劑中固化20s，之后用20℃流動自來水反復沖洗3分鐘，接著使用濃度分別為50％、75％和100％的異丙醇各清洗2分鐘，再將樣品放在70℃的純度為100％的異丙醇中浸泡半分鐘；3)最后用熱吹風機產生干燥熱氣使DCG斜條紋光柵脫水干燥，定型后采用NOA61光學匹配膠覆蓋在光柵表面，再封上和記錄基質玻璃同等性質的玻璃片，形成中間折射率高基質折射率低的波導內置全息元件。
2.根據權利要求1所述大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作方法，其特征在 于，所述全息光路為二極管泵浦固體激光器產生的波長為532nm的激光束首先經過半波片 和偏振分光棱鏡以及第二個半波片，再經過物鏡和空間針孔濾波后，通過反射鏡和準直透 鏡，接著只讓其中一束激光通過柱面聚焦透鏡，將圓形光斑聚焦成線狀激光再直接從側面 以平行于DCG材料層的方式入射，通過調節另外一束激光與DCG的夾角獲得不同傾斜角度 從0°到90°，條紋間距任意的傾斜條紋反射式光柵。
全文摘要
本發明涉及一種大折射率調制度的斜條紋全息波導器件制作方法，由高衍射DCG斜條紋全息光柵和玻璃板組成。以重鉻酸鹽明膠(DCG)為記錄介質，利用柱面鏡的單向聚焦特點，設計傾斜條紋DCG的制作光路。采用NOA61光學匹配粘膠覆蓋在DCG斜條紋光柵表面，再封上一片和透明基質相同的玻璃片。大折射率調控DCG波導全息衍射元件不僅具有衍射效率高，波長選擇性帶寬和角度選擇性帶寬寬等光學性質，還能夠從側面耦合入射光，實現同光纖或者其它光學耦合器件的直接耦合。同時在制作斜條紋光柵方法上采用在一路激光中加入柱面透鏡解決了傾斜條紋全息光柵的曝光制作問題，可滿足全息制作等光強等光程的要求，獲得折射率調控程度高的器件。
文檔編號G03H1/12GK101866141SQ20101018251
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者唐平玉, 莊松林, 張運波, 蔣妍夢, 鄭繼紅, 黃愛琴 申請人:上海理工大學