一种宽带角度选择光学滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种光栅式宽带角度选择光学滤波器件，属于激光光学系统器件
技术领域。
【背景技术】
[0002] 在光学传输中，光滤波器用于从众多的波长中挑选所需的波长，阻止除此波长以 外的光波，被广泛应用于各类光学系统中。如激光传输中对各种空间干扰很敏感，各种干扰 进入光学元件导致的衍射会降低激光的空间均匀性，从而使激光器系统的负载能力下降。 在成像光学系统中，采用空间光学滤波处理多色信号，能够改善影像质量，去除高频噪声与 干扰和增强影像边缘。
[0003] 传统的"4f"空间光学滤波系统主要由金属针孔、凸透镜和多维调节支架组成。光 束聚焦后通过针孔，利用透镜的傅里叶变换作用来分开激光中不同的空间频率成分，空间 频率高的发散角大，光路中的中高频噪音因偏离光的正入射方向而不能通过针孔，达到滤 波效果，透镜口径决定光斑大小，金属针孔直径控制滤波程度，实现低通空间滤波作用。由 于"4f"系统需要真空室消除聚焦击穿和需要大空间或非球面透镜消除球差，因此造成整 个滤波器体积庞大；滤波器的小孔太小容易造成等离子堵孔效应，因此对中高频的滤除十 分困难，滤波性能较差；滤波器主要光学元件是透镜，对于窄带脉冲，透镜元件的色差效应 并不明显，而对宽带脉冲则不能忽视，对于自由空间线性传输，IOnm量级带宽的影响是有限 的，但透镜等元件的色差较大，在系统设计时必须认真考虑。
[0004] 在本实用新型做出之前，利用体全息光栅进行激光空间滤波的最早报道在1995 年，J. E. Ludman等人制作毫米厚度的提全息滤波器,角度选择达1.0 mrad,具有良好的空 间滤波效果（J· E. Ludman, J. Riccobono, N. Reinhand, et al. , Nonspatial filter for laser beams, 1995, 8_th Laser Optics Conference, June 27 - July I, St. Petersburg, Russia.)。利用体全息器件进行空间滤波，光束不需要聚焦、光束准直性好、 结构简单和造价低，并且用两块体全息滤波器叠加可以实现二维空间滤波。但是，用于滤波 元件的全息介质材料主要是孔隙玻璃光敏材料或光致聚合物感光材料等，稳定性差、滤波 均匀性不理想，并且材料耐热性不好，不能承受高功率激光照射。
[0005] 利用体布拉格光栅做窄带滤波器已有报道，公开号为CN 101614879的中国发明 专利"窄带光滤波器"，涉及一种窄带光滤波器，由一块透射式体布拉格光栅和一块反射式 体布拉格光栅组成；公开号为CNl 01738739A的中国发明专利"高功率激光衍射型空间滤 波器"，涉及一种高功率衍射型空间滤波器，采用了分离式体布拉格光栅或双片集成式光栅 结构。
[0006] 现有技术中，文献"透射型体相位光栅对连续激光束的空间低通滤波"（郑光威， 何焰蓝等人，《光学学报》，2009年第4期）;"透射型体光栅对超短脉冲高斯光束衍射特性研 究"（郑光威，刘莉等，《光学学报》，2009年第1期）；"用于实现空间滤波的体布拉格光栅的 制备"（郑浩斌，何焰蓝等人，《光电工程》，2009年第1期）报道了体布拉格光栅对激光的衍 射特性和用全息法在光致聚合物中记录体布拉格光栅实现激光光束二维空间低通滤波，所 述的滤波器构型满足窄带滤波的需求，不支持宽带激光输出。
【发明内容】
[0007] 本实用新型的目的是，针对宽带光学滤波现有技术存在的不足，提供一种具有大 光学带宽、高激光功率承载和滤波能量效率高的特点，且制作简便的新型宽带角度选择光 学滤波器系统及其制备方法。
[0008] 为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种宽带角度选择光学滤波 器，它的滤波系统包括对称衍射级次分布的二兀相位衍射光栅和体布拉格光栅；其结构为： 沿平行入射的宽带光的传播方向，宽带光先入射到前端二元相位衍射光栅，经对称衍射级 次分光后，分别进入对应级次分布的体布拉格光栅中，再由体布拉格光栅进行相应的角度 选择后入射到后端二元相位衍射光栅，将经滤波后的宽带光平行输出；所述的前端和后端 二元相位衍射光栅的结构一致，其光栅的形状为矩形栅条，光栅的衍射光级次从中心向两 侧位置依次增加；所述的体布拉格光栅按其光栅周期由低到高依次从中心向两侧放置，体 布拉格光栅与二兀相位衍射光栅中心轴线呈对称分布。
[0009] 所述的前端和后端二元相位衍射光栅的光栅周期为几十纳米~几微米，占空比为 0. 1~0.9,光栅厚度为几十纳米~几微米。所述的体布拉格光栅的光栅周期为几十纳米~ 几微米，占空比为1:1，光栅厚度为1毫米~几毫米。所述的体布拉格光栅的个数与二元相 位衍射光栅的非零衍射级次数目衍射级次对应。
[0010] 本实用新型技术方案中，二元光栅是一种色散元件，在很宽光谱范围内具有很高 的色散分辨能力，并且二元光栅的对称多级衍射能力，不同光谱成分总有对应方向的衍射 光，并且衍射角对应于波长值，大大的提高了衍射效率和能量利用率。体光栅选择满足布拉 格条件的入射光，抑制杂散光，只对固定波长条件下或窄带光有用，具有很好的角度选择特 性。因此，二元光栅和体光栅满足匹配条件下，实现宽带光空间滤波。在本实用新型中，二 元光栅的形状是矩形的，材料是Si0 2、MgF2、ZnS、ZnO等透明光学介质材料中的一种。
[0011] 现有的技术方案是采用闪耀光栅将无色散的〇级光谱转移到较高级次上。闪耀光 栅的刻槽面与光栅面不平行，有一个夹角（闪耀角)，从而使得单个刻槽面衍射的中央极大 和各槽面间的干涉〇级主极大分开，转移并集中到某一级光谱上，实现该级光谱的闪耀。优 点是某1级的衍射效率高，特别是在其闪耀角的波长上，衍射效率最高能达到80%~90%。 缺点由于闪耀光栅的槽形特性，高衍射效率仅出现在闪耀波长附近，在它的其他衍射波段 内，衍射效率分布极不均匀。
[0012] 本实用新型的原理是：宽带角选择光学滤波器中包含两块二元相位衍射光栅与 一块体布拉格衍射光栅，当平行入射光在光栅中传播时，满足一定结构参数的光栅之间发 生高效衍射耦合，并且滤除不满足衍射条件的杂散光实现空间滤波功能。两块二元相位 衍射光栅结构参数一致，一块用于色散一块用于补偿色散，体布拉格光栅具有很高的角度 选择特性。根据平行光入射二兀光栅的色散方程：= βΛ ;体光栅的布拉格条件： ZAuSine = λ ;其中Aii和Λν分别为二兀光栅和体光栅的周期，λ为传输光波长，m=±l， ±2, ±3,…，Θ为二兀光栅不同级次的衍射角，即体光栅的布拉格入射角，正负号表不衍射 的方向向上和向下，相同级次的衍射光具有相同的能量分布；当满足条件:As = 2mAv时， 即二元光栅周期为体光栅周期的2倍、4倍等偶次倍数时，正入射光束经前端二元衍射光栅 后不同级衍射光束的波长成分衍射到不同的角度上，而这个角度正好满足各波长光束入射 体光栅的布拉格条件，因而能够被体光栅高效衍射。这一组合式发明结构使得光栅衍射带 宽不再受限于布拉格光栅的光谱选择限制，从而具有很宽的输出光谱，二元光栅的各级衍 射光对称分布且非零级衍射光总能量利用率高，同时保留了布拉格光栅良好的角度选择特 性，实现宽带角度选择滤波的功能。此外，前端二元相位光栅所引入的色散量可由后端二元 相位光栅完全补偿，两块二兀相位光栅具有相同的结构参数，输出光束可与正入射光束保 持同轴同向传输，并且可以解决超短脉冲布拉格衍射所带来的时空畸变。体光栅滤波结合 了傅里叶光学中空间频率对应不同发散角的概念，体光栅对入射光的布拉格角度选择性对 应衍射空域选择性，将以"低阶模偏转、高阶模透射"方式实现中高频信号滤波功能。本实 用新型采用严格耦合波理论方法严格求解二元相位衍射光栅的结构参数、工作波长和各级 衍射效率的关系；采用Kogelnik耦合波理论方法精确求解体光栅的结构参数和布拉格衍 射效率的关系。通过设计二元光栅和体光栅的周期、厚度、占空比及材料的配比，控制入射 光的工作波长及谱宽，实现数纳米~百纳米任意宽带光空间滤波输出功能。
[0013] 与现有技术相比，本实用新型具有以下显著特点：
[0014] 1、本实用新型采用将二元相位衍射光栅与体布拉格光栅组合直接制作用于空间 光学滤波器的技术方案，实现了宽带光输入滤波的效果，与传统的"4f"空间滤波器相比，具 有结构简单和滤波一致性好的优点，并且光束传输口径由二元相位衍射光栅以及多个体光 栅器件并联使用，容易满足大口径光束和高衍射效率传输需求。
[0015] 2、本实用新型采用的二元相位衍射光栅和体布拉格光栅联合结构，通过调节光栅 层的周期、厚度和占空比得到滤波峰值位置和带宽任意可调的光谱分布，光谱带宽从几纳 米到上百纳米，峰值位置在可见光到近红外波长覆盖的任意位置。
[0016] 3、本实用新型采用的宽带角度选择光学滤波器结构均采用光学介质材料制作，特 别是采用光敏折射率玻璃制作光栅，是一种物理和化学性质稳定的位相记录介质，具有与 可见光或近红外波长很好匹配的光谱选择性和激光损伤阈值高的特点，极大提高激光系统 的光学承载能力，并且器件结构简单易实现产业化和推广应用。
【附图说明】
[0017] 图1是本实用新型实施例提供的一种宽带角度选择光学滤波器系统结构剖面示 意图；
[0018] 图2是本实用新型实施例1提供的二元相位衍射光栅的入射光波长为750nm~ 850nm范围内的透过率光谱分布曲线图；
[0019] 图3是本实用新型实施例1提供的体布拉格光栅的透射光谱角选择和光谱选择分 布曲线图；
[0020] 图4是本实用新型实施例1提供的体布拉格光栅的入射光波长为750nm~850nm 范围内的透射光衍射效率分布曲线图。
[0021] 图5是本实施例1提供的宽带角选择滤波系统的入射光波长为750nm~850nm范 围内的透射光衍射效率分布曲线图。
[0022] 图6是本实用新型实施例提供的宽带滤波器系统中衍射光栅出现0和± 1级衍射 光透过率的变化曲线图；
[0023] 图7是本实用新型实施例提供的宽带滤波器系统中衍射光栅出现0, ± 1和±2级 衍射光透过率的变化曲线图；
[0024] 图8是本实用新型实施例提供的宽带滤波器系统中衍射光出现0, ±1，±2和±3 级衍射光透过率的变化曲线图；
[0025] 在图1中，11、前端二元相位衍射光栅；12、后端二元衍射光栅；21a和21b、±1级 衍射对应的体光栅；22a和22b、±2级衍射对应的体光栅；23a和23b、±3级衍射对应的体 光栅；24a和24b、更高级次衍射对应的体光栅；3、入射光；4、衍射光；5、输出光。
【具体实施方式】
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