低截止頻率混合空間濾波器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種低截止頻率混合空間濾波器，所述低截止頻率混合空間濾波器包括沿光路依次放置的體布拉格光柵、第一聚焦透鏡、針孔和第二聚焦透鏡，所述體布拉格光柵對入射光進行布拉格衍射，所述第一聚焦透鏡對體布拉格光柵的衍射光進行傅里葉變換，將光束從空域轉(zhuǎn)換至頻域，所述針孔對光束實現(xiàn)第二次空間濾波，所述第二聚焦透鏡將光束從頻域轉(zhuǎn)換至空域，完成空間濾波。本實用新型的低截止頻率混合空間濾波器根本不同于僅使用透鏡和針孔的傳統(tǒng)空間濾波器，降低了聚焦激光造成堵孔效應(yīng)和燒毀濾波元器件的可能。具有更低的截止頻率和低頻損耗效率；實現(xiàn)了優(yōu)秀的低通濾波能力；可承載的激光功率較高。
【專利說明】低截止頻率混合空間濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光學(xué)濾波【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種兼具角度選擇濾波能力和低截止頻率、低頻損耗率的低截止頻率混合空間濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光的高相干性使得其對各種空間干擾很敏感，各類干擾所導(dǎo)致的衍射會降低激光的空間均勻性。在先進激光裝置領(lǐng)域，小尺度自聚焦效應(yīng)成為影響光束近場質(zhì)量的主要原因，嚴(yán)重研制了先進激光裝置的負(fù)載能力。提高激光的近場均勻性有助于提高先進激光裝置的負(fù)載能力。
[0003]在先進激光裝置研制的近四十年內(nèi)，盡管各類光學(xué)元器件的損傷閾值不斷提高，各類光束控制技術(shù)的日趨完善，并且隨著相關(guān)主動補償技術(shù)的引入，光束近場分布均勻性也不斷提高，使得先進激光裝置的負(fù)載能力有了較大提高，如美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室已將Nova裝置的2J/Cm2/3co/3ns提高到7J/cm2/3 ω/3ns。但損傷問題仍然是困擾裝置穩(wěn)定運行以及負(fù)載能力進一步提高的“瓶頸”問題之一。空間濾波器是必不可少的關(guān)鍵器件。基于傅里葉變換原理的傳統(tǒng)空間濾波器(“4f”系統(tǒng))是最常用的濾波器。它首先對光束聚焦，利用透鏡的傅里葉變換作用分開激光中不同的空間頻率成分，空間頻率高的發(fā)散角大，然后利用針孔(或單模光纖)選取所需的角譜分量，去除有害光噪音。聚焦光斑大小由透鏡焦距、入射光波長口徑、波長以及發(fā)散角決定，針孔直徑控制濾波的程度，實現(xiàn)低通空間濾波。
[0004]現(xiàn)已建成的先進激光裝置中，采用的是傳統(tǒng)的空間濾波器。其存在一個無法解決的矛盾，為了獲得足夠好的濾波效果，空間濾波器的小孔通常都很??；但是由于入射激光束本身的發(fā)散角以及空間調(diào)制，使得光束遠(yuǎn)場分布存在明顯的“裙邊”區(qū)域，這些“裙邊”區(qū)域與小孔邊緣作用發(fā)生“賭孔效應(yīng)”，因此嚴(yán)重限制了小孔的直徑設(shè)計，直接導(dǎo)致空間濾波器濾波能力下降。
[0005]只有當(dāng)入射光束的發(fā)散角極小，且空間分布更均勻時，才能減小遠(yuǎn)場分布的裙邊區(qū)域，從而解決傳統(tǒng)空間濾波器的固有缺陷。本實用新型的低截止頻率混合空間濾波器正是利用體布拉格光柵優(yōu)秀的角度選擇特性，可以極大減小光束的發(fā)散小，同時將光束中的大部分空間調(diào)制濾除，以此提高空間濾波器的入射光質(zhì)量，幫助聚焦透鏡獲得更好的光束遠(yuǎn)場分布。降低小孔尺寸，使空間濾波器獲得更小的截止頻率，提高濾波能力。
[0006]基于布拉格體光柵的傳統(tǒng)空間濾波器優(yōu)化技術(shù)可以有效地消除中高頻調(diào)制對光束的影響、降低傳統(tǒng)空間濾波器的截止頻率和低頻損耗率，有效控制放大自發(fā)輻射的傳輸以及激光的近場光束分布，極大地提高系統(tǒng)的可靠性，降低裝置的體積和成本，是當(dāng)今激光技術(shù)發(fā)展的主要單元技術(shù)之一，對于促進先進激光技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。
[0007]國內(nèi)可見一種體全息光柵整形裝置，其用途是對超短脈沖激光束進行整形(中國專利200610024096.0);可見一種窄帶光濾波器，由一塊透射式體布拉格光柵和一塊反射式體布拉格光柵組合而成的公開專利報道(中國專利200910089834.3)，獲得皮米量級激光輸出；可見一種高功率激光衍射型空間濾波器，使用了分離式體積布拉格光柵或雙片集成式光柵的公開專利報道(中國專利200910312157.7)。可見一種超短脈沖激光濾波裝置，由同光軸依次設(shè)置的第一 1/4波片、第一正透鏡、小孔光闌、非線性正色散透明固體材料、第二正透鏡、第二 1/4波片和檢偏器構(gòu)成，所述非線性正色散透明固體材料為BK7玻璃的公開專利報道(中國專利200710038661.3)?？梢妵揽萍即髮W(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院鄭光威等人發(fā)表的公開文獻報道(鄭光威，何焰藍等，“透射型體相位光柵對連續(xù)激光束的空間低通濾波”，《光學(xué)學(xué)報》，2009年29卷第4期；鄭光威，劉莉等，“透射型體光柵對超短脈沖高斯光束衍射特性研究”，《光學(xué)學(xué)報》，2009年29卷第I期；鄭光威，譚吉春等，“反射型體光柵對超短脈沖高斯光束衍射特性分析”，《光學(xué)學(xué)報》，2009年第12期)研究了體相位光柵對激光的衍射特性，這與應(yīng)用體光柵制作成濾波器有關(guān)聯(lián)性；可見用于實現(xiàn)空間濾波的體布拉格光柵的制備，用全息法在光致聚合物中記錄了體布拉格光柵，完成了激光光束二維空間低通濾波的實驗的公開文獻報道(鄭浩斌，何焰藍等，“用于實現(xiàn)空間濾波的體布拉格光柵的制備”，《光電工程》，2009年第I期)。
[0008]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種低截止頻率混合空間濾波器。
實用新型內(nèi)容
[0009]有鑒于此，本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)空間濾波器截止頻率難以降低，低頻損耗率較高，且易發(fā)生堵孔效應(yīng)、反饋以及光路偏移現(xiàn)象，提供一種兼具低截止頻率和低頻損耗率的低截止頻率混合空間濾波器。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型實施例提供的技術(shù)方案如下:
[0011]一種低截止頻率混合空間濾波器，所述低截止頻率混合空間濾波器包括沿光路依次放置的體布拉格光柵、第一聚焦透鏡、針孔和第二聚焦透鏡，所述體布拉格光柵對入射光進行布拉格衍射，所述第一聚焦透鏡對體布拉格光柵的衍射光進行傅里葉變換，將光束從空域轉(zhuǎn)換至頻域，所述針孔對光束實現(xiàn)第二次空間濾波，所述第二聚焦透鏡將光束從頻域轉(zhuǎn)換至空域，完成空間濾波。
[0012]作為本實用新型的進一步改進，所述體布拉格光柵包括第一體布拉格光柵和第二體布拉格光柵，第二體布拉格光柵對入射光進行第一方向的第一次空間濾波，第一體布拉格光柵實現(xiàn)對光束進行第二方向的第二次空間濾波，所述第一體布拉格光柵與第二體布拉格光柵的光柵矢量相互正交。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述體布拉格光柵為透射型光柵，體布拉格光柵為位相型體布拉格光柵。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，所述體布拉格光柵為均勻周期體光柵。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，所述體布拉格光柵為雙塊組合式透射型體布拉格光柵。
[0016]作為本實用新型的進一步改進，所述體布拉格光柵由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成。
[0017]本實用新型具有以下有益效果:
[0018]本實用新型使用體布拉格光柵的良好的角度選擇性，使傳統(tǒng)空間濾波器的入射光具備更小的發(fā)散角和較均勻的光束近場分布；[0019]透射型布拉格體光柵可以很好地實現(xiàn)入射光發(fā)散角控制并且位相型的布拉格體光柵可以實現(xiàn)位相的調(diào)制；
[0020]采用光致熱敏折射率玻璃制備的體布拉格光柵熱穩(wěn)定性好，對可見光至近紅外波段的高透過率，可承載的激光功率較高；
[0021]采用均勻周期體光柵和組合式體光柵可以達到更好的濾波效果；
[0022]子體光柵采用光柵矢量相互正交的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對入射光的二維低截止頻率空間濾波，子體光柵采用光柵矢量平行的結(jié)構(gòu)消除經(jīng)單塊體光柵濾波后殘留的空間頻率成分，獲得無旁瓣的濾波效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本實用新型第一優(yōu)選實施例中低截止頻率混合空間濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為第一優(yōu)選實施例中布拉格體光柵的角度選擇模擬圖；
[0026]圖3為第一優(yōu)選實施例中布拉格體光柵的光譜選擇模擬圖；
[0027]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中空間濾波器的濾波光斑對應(yīng)的PSD曲線；
[0028]圖5為本實用新型第一優(yōu)選實施例中低截止頻率混合空間濾波器的濾波光斑對應(yīng)的PSD曲線；
[0029]圖6為本實用新型第一優(yōu)選實施例中由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成的布拉格體光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖7本實用新型第二優(yōu)選實施例中低截止頻率混合空間濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖8為布拉格體光柵內(nèi)的光波矢量關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實用新型保護的范圍。
[0033]本實用新型提供了一種通過體布拉格光柵優(yōu)秀的角度選擇特性對傳統(tǒng)空間濾波器實現(xiàn)優(yōu)化的低截止頻率空間濾波器。本實用新型中低截止頻率混合空間濾波器突破了傳統(tǒng)空間濾波器小孔對截止頻率和低頻損耗率的限制，在相同小孔條件下，可獲得更低的截止頻率和低頻損耗率，結(jié)構(gòu)簡單，效率高。
[0034]在圖1所示的低截止頻率混合空間濾波器的第一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖中，低截止頻率混合空間濾波器包括體布拉格光柵1，第一聚焦透鏡2，針孔3和第二聚焦透鏡4。體布拉格光柵I用于對入射光進行第一次角度選擇濾波，同時降低入射光的發(fā)散角；第一聚焦透鏡2用于對體布拉格光柵I的衍射光進行傅里葉變換，將光束從空域轉(zhuǎn)換至頻域；針孔3對光束實現(xiàn)第二次空間濾波；第二聚焦透鏡4將光束從頻域轉(zhuǎn)換至空域，完成空間濾波。
[0035]優(yōu)選地，體布拉格光柵I為透射型光柵，且為位相型體布拉格光柵。體布拉格光柵為均勻周期體光柵。體布拉格光柵為雙塊組合式透射型體布拉格光柵，由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成。
[0036]體布拉格光柵均由光致熱敏折射率玻璃制備而成，光致熱敏折射率玻璃為摻雜有鈰、銀以及氟的硅酸鹽玻璃。
[0037]體布拉格光柵I用作角度選擇濾波元件具有優(yōu)秀的角度、波長選擇特性以及高的衍射效率，被認(rèn)為是理想的光譜和角度選擇器件，具有很高的可調(diào)性。入射角、衍射角、中心波長、角度(光譜)選擇性等參數(shù)，可以通過改變光柵厚度、折射率調(diào)制度、光柵周期、光柵矢量傾斜角等光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)節(jié)。體布拉格光柵I優(yōu)秀的光學(xué)性能主要表現(xiàn)在:
[0038](I)角度選擇達0.1~IOmrad (透射型)，或10~IOOmrad (反射型);
[0039](2)光譜選擇性達0.3~2Onm (透射型)，或0.01~IOnm (反射型)；
[0040](3)衍射效率高，633nm到1550nm范圍可達99% (透射型)或97% (反射型)；
[0041](4)損傷閾值高，對于Ins的YAG激光，損傷閾值可以達到7~10J/cm2，對于8~IOns的激光可達30~40J/cm2 ；
[0042](5)損耗小,光柵損耗小于2.5%。
[0043]體布拉格光柵優(yōu)化入射光束質(zhì)量原理:對透射型體布拉格光柵，當(dāng)入射光偏離布拉格角時，一部分光直接透射，另一部分光束則被衍射。根據(jù)傅里葉光學(xué)原理，任意分布的光束可展開為無數(shù)個平面波的疊加，平面波傳播方向與光束中的空間頻率成分一一對應(yīng)。布拉格體光柵具有良好的角度敏感性和選擇性，光束中不同的空間頻率成分、以及不同的發(fā)散角成分經(jīng)體布拉格光柵衍射后，中高頻成分發(fā)散角偏離布拉格角大，幾乎不能被體布拉格光柵衍射，因此在衍射光束中中高頻成分基本被濾除，同時光束本身的發(fā)散角也得到有效的控制。
[0044]詳細(xì)分析如下:
[0045]由Kogelnik的耦合波理論，有吸收的位相型體布拉格光柵的衍射效率為:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種低截止頻率混合空間濾波器，其特征在于，所述低截止頻率混合空間濾波器包括沿光路依次放置的體布拉格光柵、第一聚焦透鏡、針孔和第二聚焦透鏡，所述體布拉格光柵對入射光進行布拉格衍射，所述第一聚焦透鏡對體布拉格光柵的衍射光進行傅里葉變換，將光束從空域轉(zhuǎn)換至頻域，所述針孔對光束實現(xiàn)第二次空間濾波，所述第二聚焦透鏡將光束從頻域轉(zhuǎn)換至空域，完成空間濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低截止頻率混合空間濾波器，其特征在于，所述體布拉格光柵包括第一體布拉格光柵和第二體布拉格光柵，第二體布拉格光柵對入射光進行第一方向的第一次空間濾波，第一體布拉格光柵實現(xiàn)對光束進行第二方向的第二次空間濾波，所述第一體布拉格光柵與第二體布拉格光柵的光柵矢量相互正交。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低截止頻率混合空間濾波器，其特征在于，所述體布拉格光柵為透射型光柵，體布拉格光柵為位相型體布拉格光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述體布拉格光柵為均勻周期體光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述體布拉格光柵為雙塊組合式透射型體布拉格光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二維角度選擇激光濾波器，其特征在于，所述體布拉格光柵由兩塊光柵柵紋正交的子體光柵組合而成。
【文檔編號】G02B27/46GK203799129SQ201320775747
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】袁孝, 張翔, 鄒快盛, 封建勝, 熊寶星 申請人:蘇州大學(xué)