[发明专利]二维光学高阶衍射分束器的制备方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种光学分束技术。

(二)背景技术

光学分束器是一种把输入光分成一维或二维阵列输出光束或光斑的光学器件，在光学互连、光计算、光盘存储、光电技术、图像处理及精密测量等现代科技的许多领域中广泛应用。

传统的光学分束器是利用光波经过不同折射率的介质时会发生反射和折射的性质制作而成的。这种分束器的缺点是一次只能分出两束出射光波。要想得到几十束出射光波，则需要进行多次分光，因此这种分束器的体积较大、能量损耗多、均匀性差、调试困难，并且当输入光功率很大，分束系统器上的镀膜容易被烧伤而损坏。

双折射光学分束器是利用光学材料的双折射性质制作而成的一种分束器，其利用了不同偏振状态的光波经过介质时因折射率不同而产生的分光效应把入射光分开，利用双折射效应人们已经制作了握拉斯顿棱镜、菲涅耳棱镜等偏振分光棱镜，并在实际中广泛应用。但这种偏振分束器一次只能把入射光分为两束，且具有偏振性，不能实现多路同时输出。

二元光学分束器是一种纯相位衍射的光学分束器，它能够将一束入射的激光束转换成强度均匀的光束列阵，还具有多重成像、光互连、光耦合以及光束复合等功能。二元光学分束器由于采用了计算机设计和超大规模集成电路制造工艺等新技术而格外引人注目。目前，人们提出了二元光学分束器的各种结构与算法，如以求解非线性方程组的方法设计的Dammann光栅、以模拟退火等非线性优化算法设计的相息光栅、基于Talbot自成像效应的Talbot分束光栅以及基于菲涅尔波带片近轴衍射理论的位相型菲涅尔透镜列阵等。根据实际应用中的分束要求，可以选择各种二元光学分束器的设计方法。在计算机技术迅速发展的今天，设计不同用途的二元光学分束器已不成困难，关键在于二元光学分束器的工艺制作，这种分束器在实际应用中受到加工工艺还不成熟的限制，同时还存在适用波长单一、不能用于对携带信息的光束进行分束、成本高等缺点的限制。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小，成本低，加工简单，能在二维空间内进行分束，使得分束数量得以提高，并且可以根据实际需要控制输出各光束光强分布的二维光学高阶衍射分束器的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤一、制备分束器12：使四束具有相干性的光束1、2、3、4相交并输入到光致聚合物5的光输入端，在光致聚合物5内形成光强分布不均匀的干涉条纹并利用光致聚合效应在光致聚合物5中记录下体全息图，即二维相位体光栅，等待光栅稳定后光致聚合物5形成分束器12，所述四束具有相干性的光束1、2、3、4在相交时的夹角(θ)应使这时发生的衍射为高阶衍射；步骤二、分束过程：将步骤一制备的分束器12放在需要分束的光路中，使需要分束的光束输入到分束器12的光输入端，利用高阶衍射在分束器12的光输出端即可获得多束二维出射光束。

本发明还有这样一些技术特征：

1、步骤一中所述光致聚合物5选用能够产生光致聚合效应，且可以观察到清晰高阶衍射的有机光致聚合材料或无机光致聚合材料；

2、步骤一中所述四束具有相干性的光束1、2、3、4为四束具有相干性的可使光致聚合物发生光致聚合效应的光束，输入到光致聚合物的光输入端，照射到光致聚合物光输入端的同一位置，四束相干光1与2，2与3，3与4，4与1之间的夹角小于3度并且相等，它们各自与光致聚合物之间的夹角也相等，对称照射光致聚合物，步骤二中所述需要分束的光束的波长决定于步骤一中所述的四束具有相干性的光束1、2、3、4的波长；

3、步骤二中所述四束具有相干性的光束和需要分束的光束均是直接从激光器输出的激光；

4、步骤一中所述输出四束具有相干性光束1、2、3、4的激光器采用半导体激光器，它输出光的波长为532.0纳米，所述光致聚合物5选用菲醌-聚甲基丙烯酸甲酯(PQ-PMMA)有机光致聚合材料，其中菲醌摩尔浓度为3％，晶体尺寸为10.00×15.03×0.03mm³(立方毫米)，所述四束入射光1、2、3、4的光强均为50mW·cm^-2(毫瓦每平方厘米)，相交的四束入射光1与2，2与3，3与4，4与1的夹角θ为1.26°(度)，所述光致聚合物5被相交光束照射十五分钟后光栅达到稳定；

5、步骤二中所述输出需要分束光束的激光器采用He-Ne激光器，它输出光的波长为632.8纳米，所述第二傅里叶透镜11的焦距为505毫米，二维光学高阶衍射分束器12放置在第二傅里叶透镜11的傅里叶焦平面附近；