[发明专利]制造体积布拉格光栅的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种在光热折射玻璃中制造体积衍射元件的方法。更特定而言，本发明涉及一种全息光学元件，并且具体而言涉及一种在掺杂光热折射(PFR)玻璃中制造的体积布拉格光栅(VBG)。

背景技术

衍射光学元件包含VBG和UV光引起的折射率结构，衍射光学元件在光热折射玻璃中制造，近来在光电子器件中已被广泛接受。例如，VBG是稳定商用激光二极管的输出波长的有效光学解决方案。

一种记录VBG的典型方法涉及基于棱镜的干涉计(参见美国专利7,391,703，其全文以引用的方式并入本文中)，所述干涉计具有耦合到棱镜面的薄长形光敏玻璃板。棱镜由在给定波长下为透明的材料制成。棱镜暴露于入射光波引起VBG沿着板表面的记录。

在使用上述干涉计方法的VBG制程期间可能会遇到一些不便之处。例如，为了沿着板并跨板具有均匀折射率变化和折射率调制，曝光强度应该均匀。然而，这在技术上可能具有挑战性。而且，挑战性可能是光束和耦合到棱镜的板之间的空间稳定性，光栅的可重复制造同样需要所述空间稳定性。棱镜和板之间的耦合可能对未对准敏感并且需要良好的机械稳定性。通过本方法提出的另一不便之处可以包含将所述板切成块以收纳个别VBG，这是因为当需要光栅平面和玻璃表面之间的角度时，这是通过横向于光栅边缘的纵向方向切割板来完成。另一种使用面干涉计记录(参见美国专利5,491,570，其全文以引用的方式并入本文中)的体积光栅制造方法允许制造大且厚的体积全息。如同上文所述的方法，本方法由于难以维持组件之间的所需对准，所以在大量生产方面可能是低效的。另外，本方法没有教示切成玻璃片，这是因为最终产品包含大且厚的体积全息，而非小VBG。

一种使用比上述方法更简单更高效的方法制造光纤布拉格光栅的方法。通常使用硅石玻璃光栅相位掩膜(参见美国专利5,367,588，其全文以引用的方式并入本文中)将光栅压印在光纤核心中。“具有垂直入射的紫外光的相位掩膜激光照射压印到光纤核心，由相位掩膜产生干涉图样”(参见美国专利5,367,588)。在结构上，用于执行本方法的设备配置有辐射具有高斯分布的光的固定光源，光入射在掩膜上，继而与光纤并置。

使用相位掩膜的一些明显优势包含(但不限于)用于光栅制造的低相干受激准分子激光器的使用以及可靠并可重复的光栅长度。这些优点对于高效的大量生产至关重要。与光纤光栅生产过程相关的可能的不想要结果之一也许源于固定光源，所述固定光源通常是具有长相干波长的激光器。

一般而言，可照射任何长度的光纤，只要其不超过所用掩膜的尺寸。然而，由单模式固定激光器发射的辐射实质上呈高斯分布，其特征在于：沿着激光器轴的高强度场和随着所述分布的边侧远离其中央轴区域延伸而逐渐改变的较小场强度。因此，掩膜没有均匀暴露于光，这引起光栅参数(诸如反射性和中央波长)的变化。场均匀性问题由可以相对于掩膜(参见美国专利5,066,133，其全文以引用的方式并入本文中)移置的激光器解决。

因此，存在一种需要：以在大量生产中所用的高效方式制造VBG的方法。

存在另一种需要：制造VBG的方法，其特征为曝光(UV)均匀。

还存在一种需要：制造VBG的方法，其特征为光栅参数的可重复性，尤其是光栅周期，其在大量生产中相当重要。

发明内容

通过本公开内容满足这些需要，本公开内容利用相位掩膜和所述掩膜与激光器相对于彼此的移置来在光热折射玻璃中大量生产横向全息元件(诸如VBG)。所公开的设备允许均匀折射率变化、中央波长和辐射剂量、高大量生产力等等，所述高大量生产力至少等于产品的95％，其超出已建立的质量标准和光栅参数的可重复性。

根据本公开内容的一个方面，所公开的设备提供将单件式厚片暴露于UV光，UV光入射在位于光源和片之间的长形相位掩膜之间。通过光源、辐射UV光和掩膜的相对移置完成曝光以均匀地照射所述片。光源优选(但不是必需)相对于固定掩膜移动。

配置包含相位掩膜和光源，相位掩膜和光源可以相对于彼此移置，所述配置产生多个平行体积布拉格光栅(VBG)，所述VBG沿着待照射材料的曝光表面并延伸穿过曝光表面而形成。根据所公开的设备和方法的显著特征中的一个特征光栅位置允许切割锯沿着光栅而非垂直于光栅切割片，如已知的现有技术中所教示。

根据本公开内容的另一方面，取代在单件式片中制造VBG并进一步切割片以产生个别体积光栅的是，最初便将所述片切割成多个均匀单元。将所述个别单元堆叠在一起并且将其暴露于可以类似于先前所公开方面的方式移置的UV源。