大折射率调制度的斜条纹全息波导器件制作方法

具体实施方式

一种大折射率调制幅度的斜条纹全息波导器件由高衍射DCG斜条纹全息光栅和玻璃板组成。以重铬酸盐明胶(DCG)为记录介质，利用柱面镜的单向聚焦特点，设计倾斜条纹DCG的制作光路。在全息光栅定型后，采用NOA61光学匹配粘胶覆盖在DCG斜条纹光栅表面，再封上一片和透明基质相同的玻璃片。

重铬酸盐明胶材料是性质比较理想的全息材料，如果制作方法得当可实现0.08-0.1的折射率调控幅度，很容易制作出高衍射效率的光学器件。所以基于DCG材料的全息光学元件已经广泛地应用于成像系统，光学大容量存储和头盔显示器件。通常透射或反射式的DCG全息光栅在制作时，都采用对称曝光光路产生无倾斜的条纹结构，如附图1、2，附图1光栅平行于基质面，称为透射式DCG光栅，附图2光栅垂直于基质面，称为反射式DCG光栅。

实际应用中需要斜条纹结构的全息器件。例如在光通信系统中对多信道信息进行分光，过滤，耦合的光学耦合器件如滤波器，衰减器等一系列光通信器件，通常需要有一定倾斜角度的布拉格光栅器件，尤其是将光纤中传播的导模模式耦合到辐射模式。如附图3所示情形。一束激光以平行于DCG材料层的方式入射，通过调节另外一束激光与DCG的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射式光栅。

基于DCG斜条纹全息光栅的全息波导器件制作步骤如下：

1、首先是DCG倾斜条纹全息光栅的制作过程，将DCG平板置于全息光路曝光。体全息光路如附图4所示，功率为200mW的二极管泵浦激光器1产生的532nm的激光束首先经过半波片2改变偏振方向，通过与偏振分光棱镜3配合使用，调节分光光强制比，偏振分光棱镜产生两束光强相等夹角为90°的线偏光，偏振方向分别为S偏振和P偏振，其中一束线偏光再通过半波片4使其偏振方向与另一束的偏振方向相同，两束偏振方向相同，光强相等的激光分别通过10X物镜5放大，和直径25μm小孔6滤波，反射镜7反射和焦距为209mm的准直透镜8准直后获得直径为20mm的圆形平行激光束，让其中一束再通过单方向焦距为200mm的柱面透镜9，将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接从侧面，以平行于DCG材料层的方式入射，通过调节另外一束激光与DCG的夹角获得不同倾斜角度从0°到90°，条纹间距任意的倾斜条纹反射光栅。用柱面镜聚焦的最大好处是解决了倾斜条纹全息光栅的曝光制作问题，可以满足全息制作等光强等光程的要求，获得折射率调控高的器件。曝光时间为240s，相应的曝光能量为1200mJ/cm²。

2、再将裸露的DCG斜条纹光栅放在柯达快速固化剂中固化20s，形成更加稳定的结构，之后用20℃流动自来水反复冲洗3分钟，将固化剂清洗干净，接着使用浓度分别为50％、75％和100％的异丙醇各清洗2分钟，再将样品放在70℃的纯度为100％的异丙醇中浸泡半分钟。

3、用电吹风机产生干燥热气使DCG斜条纹光栅脱水干燥，定型后采用NOA61光学匹配胶12覆盖在光栅11表面，再封上和记录基质玻璃10同等性质的玻璃片，形成中间折射率高(DCG全息材料的折射率为1.56)基质折射率低(通常BK7玻璃的折射率为1.49)的波导内置全息元件，如附图5所示。

基于耦合波理论，在三种不同的折射率调制深度0.015，0.05，0.1情况下，倾斜为45°的全息波导器件衍射效率与衍射波长的模拟关系如附图6所示，可看出当折射率调制深度为0.015时衍射效率可达到80％，另外折射率调制深度越大，波长选择带宽就越宽。在实验中，用准直钨灯所发出的光束作为宽带照明光束，柱面透镜将衍射光束聚焦在探测器。用海洋光学USB400分光光度仪测量得到如附图7所示的波长与衍射效率的关系，通过实验数据与理论数据的对比，能够看出实验曲线与理论曲线拟合得很好。附图8为斜条纹全息光栅衍射超连续白光激光产生七彩分光实验现象图，从光纤出来的超连续激光能够很方便的耦合到45°斜条纹全息光栅上，被DCG斜条纹光栅从侧面衍射成彩色条纹，说明波长不同衍射角度也不相同。