专利名称：单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法
技术领域：
本发明涉及全息光栅，特别是一种单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法，具体地说，是一种利用脉冲宽度小于1ps(10-12秒)的超短脉冲激光的干涉，在固态透明介质表面一次性写入双全息光栅的方法。
背景技术：
一般全息光栅是用长脉冲甚至连续激光相干诱导光敏材料制作形成。脉冲宽度小于1ps(10-12秒)的超短脉冲激光，因脉冲宽度很短而具有极高的峰值光强，不仅能用于光敏材料(如光折变晶体、光聚合材料)全息光栅的制备，而且能用于非光敏材料(如薄膜和各种透明玻璃材料)光栅的制备。目前，Jinhai Si等人使用相干的飞秒脉冲在无机薄膜(Appl.Phys.Lett.，Jinhai Si等，美国物理研究所，2002，81(5)832～834)中已诱导形成微光栅，Yan Li等人使用相干的飞秒脉冲在玻璃介质(Appl.Phys.Lett.，Yan Li等，美国物理研究所，2002，80(9)1508～151)中也诱导出微光栅。但上述两方法有一个共同缺点，那就是单个输出脉冲经分束、聚焦产生的相干，一次只能形成一个微光栅。如果在几微米至几十微米的范围内，一次相干产生多个微结构光栅阵列，而且这多个微结构的大小可以改变，对光信息存储和微光学领域的集成器件制作更有实际意义，如光存储器、微光栅、量子线等微器件。
发明内容
本发明要解决的问题是克服上述现有技术的不足，提供一种单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法，为光存储和微光学领域的集成提供可能，此方法也可用于量子线的制备。
本发明单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法的实质是使用脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光经分束后实现空间和时间上的相干迭加，在固态透明介质中一次性写入双全息光栅，具体做法为1、选用脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光，经分束片分成两束，然后由两凸透镜聚焦，并在焦点或附近相交，实现空间与时间上的相干；2、选用固态透明介质；3、控制激光器输出的单个脉冲的能量，使分束后的每个脉冲能量密度都小于透明介质烧蚀所需阈值能量密度，并且保证产生干涉相长时达到的能量密度刚好大于固态透明介质烧蚀所需阈值能量密度；4、将上述两束相干超短脉冲激光会聚，并使非常接近相交点的两脉冲作用在上述透明介质表面，同时产生两个周期性微结构，双全息微光栅一次干涉形成。。
上述具体做法的第一点，选用脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光的原因是当激光的脉冲宽度小于1ps时，聚焦的干涉光将产生很强的周期性变化的相干场，能引发固态材料周期性的结构变化，从而在材料中记录下入射光振幅和位相的信息。
上述具体做法的第二点，固态透明介质能够在相干的超短激光脉冲作用下，通过相干场的烧蚀作用，形成周期性的结构变化，而且存储在透明介质中的信息可用探测光读出。
上述具体做法的第三点，使分束后的每个激光脉冲能量密度都小于固态透明介质烧蚀所需阈值能量密度，是保证产生干涉的单个脉冲不会引起固态透明介质烧蚀。产生干涉相长后的能量密度大于固态透明介质的烧蚀阈值，目的是通过超短脉冲激光极强的相干场的作用，在固态透明介质表面形成周期性微结构。
上述具体做法的第四点，将两束相干超短脉冲激光会聚，并使非常接近相交点的两脉冲作用于上述透明介质表面，而不是会聚的两脉冲完全重合点作用于透明介质表面，因为激光脉冲是高斯脉冲，其强度是中心轴对称径向分布，如果使两束相干超短脉冲激光中的一束的中心部分与另一束激光的边缘部分相重迭，就可实现干涉并形成两个周期性相干场，而并不需要两束激光中心部分完全重合。
本发明的优点在于现有技术中利用单个输出的飞秒脉冲激光经分束、聚焦产生的相干，一次只能形成一个微光栅，而本发明方法与之有着明显的不同。第一，本方法是利用单个飞秒脉冲，在实现空间和时间上的相干后，一次形成两个全息微光栅，每个光栅携带相同的振幅和位相信息。第二，本方法中，改变两相干脉冲会聚后的相交点到固态透明介质表面的距离(但必须保证两束光脉冲有相互重迭)，即可改变形成的两全息光栅的距离。第三，本方法中，改变两聚焦透镜中的任何一个透镜的焦距即可改变相对应的全息光栅的大小。
本发明方法不仅可用于玻璃，也可用于半导体、有机薄膜、无机薄膜写入双全息光栅。
图1是本发明方法实施的装置示意2为本发明方法用相干的飞秒脉冲激光一次性诱导双全息微光栅的原理图。
图3为实施例1脉冲宽度为50fs的相干脉冲激光，在石英玻璃表面诱导的双全息光栅，用光学显微镜(100×物镜)观察到的结果。
图4为实施例2脉冲宽度为120fs的相干脉冲激光，在铅玻璃表面诱导的双全息光栅，用光学显微镜(100×物镜)观察到的结果。
图5为实施例3脉冲宽度为500fs的相干脉冲激光，在K9玻璃表面诱导的双全息光栅，用光学显微镜(100×物镜)观察到的结果。
具体实施例方式
先请参阅图1，图1是本发明方法实施的装置示意图。本发明单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法，具体包括下列步骤1、用脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光，经分束片分成两束，然后由两凸透镜聚焦，并在焦点或附近相交，实现空间与时间上的相干。
2、用固态透明介质。
3、制激光器输出的单个脉冲的能量，使分束后的每个脉冲能量密度都小于透明介质烧蚀所需阈值能量密度，但产生干涉相长时达到的能量密度刚好大于固态透明介质烧蚀所需阈值能量密度。
4、上述两束相干超短脉冲激光会聚，并使非常接近相交点的两脉冲作用于上述透明介质表面，同时产生两个周期性微结构，双全息微光栅一次干涉形成。
实施例1选用脉冲宽度为50fs(5×10-14秒)的飞秒脉冲，波长为800nm，脉冲重复率为1Hz，脉冲能量为70μJ，通过分束片将光束分成两束，光束直径为6mm，两束光的相干借助于倍频晶体(BBO)产生的二次谐波来实现。两束光的夹角为45°，样品由计算机操纵的三维移动平台控制。用焦距均为10cm的两个聚焦透镜将两光束聚焦在距石英玻璃表面约35μm处，焦点处光斑直径约为30μm，这样在石英玻璃表面形成双全息光栅，用光学显微镜(100×物镜)观察到的结果如图3所示，结构周期为1μm。
实施例2与实施例1的做法相似，选用脉冲宽度为120fs(1.2×10-13秒)的超短脉冲，波长为800nm，脉冲重复率为5Hz，脉冲能量为80μJ，光束直径为6mm，两束光的夹角为45°，用焦距为15cm和10cm的两个聚焦透镜将两光束聚焦并在焦点处相交，相交点距铅玻璃表面约30μm处，两光束在焦点处的光斑直径分别为35和30μm，这样在铅玻璃表面形成双全息光栅，用光学显微镜(100×物镜)观察到的结果如图4所示，结构周期为1μm。
实施例3如实施例1的做法，选用脉冲宽度为500fs(5×10-13秒)的超短脉冲，波长为800nm，脉冲重复率为10Hz，脉冲能量为90μJ，两束光的夹角为60°，用焦距为20cm和10cm的两个聚焦透镜将两光束聚焦并在焦点处相交，相交点距K9玻璃表面约40μm处，两光束在焦点处的光斑直径分别为50μm和30μm，这样在K9玻璃表面形成双全息光栅，两全息光栅大小明显不同，用光学显微镜(100×物镜)观察到的结果如图5所示，结构周期为0.8μm。
综上所述，本发明利用单个脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光经分束后实现空间和时间上的相干迭加，在固态透明介质中一次可写入双全息微光栅，上述实施例仅列举了几种玻璃，但是本发明方法也可用于在半导体、有机薄膜、无机薄膜等材料的表面写入双全息光栅。
权利要求
1.一种单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法，其特征是利用脉冲宽度小于1ps(10-12秒)的超短脉冲激光的干涉，在固态透明介质表面一次性写入双全息光栅的方法，具体步骤如下(1)选用脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光，经分束片分成两束，然后由两凸透镜聚焦，并在焦点或附近相交，实现空间与时间上的相干；(2)选用固态透明介质；(3)控制激光器输出的单个脉冲的能量，使分束后的每个脉冲能量密度都小于透明介质烧蚀所需阈值能量密度，但产生干涉相长时达到的能量密度刚好大于固态透明介质烧蚀所需阈值能量密度；(4)将上述两束相干超短脉冲激光会聚，并使非常接近相交点的两脉冲作用于上述透明介质表面，同时产生两个周期性微结构，双全息微光栅一次形成。
2.根据权利要求1所述的单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法，其特征是所述的固态透明介质可为玻璃，或半导体，或有机、无机薄膜。
全文摘要
一种单脉冲激光一次性写入双全息光栅的方法，其方法的具体步骤如下选用脉冲宽度小于1ps的超短脉冲激光，经分束片分成两束，然后由两凸透镜聚焦，并在焦点或附近相交，实现空间与时间上的相干；选用固态透明介质；控制激光器输出的单个脉冲的能量，使分束后的每个脉冲能量密度都小于透明介质烧蚀所需阈值能量密度，但产生干涉相长时达到的能量密度刚好大于固态透明介质烧蚀所需阈值能量密度；将上述两束相干超短脉冲激光会聚作用于上述透明介质表面，同时产生两个周期性微结构，双全息微光栅一次形成。
文档编号G02B5/32GK1448810SQ0311634
公开日2003年10月15日 申请日期2003年4月11日 优先权日2003年4月11日
发明者曲士良, 赵崇军, 邱建荣, 朱从善 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所