[发明专利]一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法。

背景技术

光栅作为一种重要的光学器件，按照光栅结构分类，可以将其分为平面光栅和体全息光栅两种，这主要是根据记录在介质中的光栅厚度与记录的干涉条纹间距相比较而言的。当两相干光束在介质内相互作用，形成三维光栅状全息图，便将其称之为体全息光栅。体全息光栅有着很多平面光栅无法取代的优点，例如通过改变体全息光栅的厚度和光栅的空间频率的体全息布拉格光栅可以获得极高的光谱选择性和角度选择性。近年来研究的光热折变PTR（photo-thermo -refractive) 玻璃，克服了以往的各种研究中采用的诸如光折变晶体LiNbO₃、聚合物、重铬酸钾凝胶等多种光敏介质的缺点，具有在强激光辐照下仍然坚固耐用不损坏、变形小的极具使用意义的优越特性，从而使得体全息布拉格光栅的广泛应用成为可能。

体全息布拉格光栅的刻写一般通过两个步骤完成，第一步是紫外曝光，即通过两束激光照射并相互干涉以后形成干涉条纹，将PTR玻璃放置在干涉条纹的位置，使得材料特性发生周期性变化，形成体光栅“潜相”；第二步是对紫外光照后的PTR玻璃进行微晶化热处理工艺，从而形成折射率永久调制的体全息布拉格光栅。紫外曝光的过程决定了体全息布拉格光栅的空间频率和布拉格角，从而最终决定了光栅的最终特性。

现有的对于体全息布拉格光栅进行紫外曝光的方法一般是采用马赫—曾德干涉法，就是将一束紫外激光分成等光强的两束，然后再使两束激光在空间重叠后干涉，从而形成干涉条纹。通过调整两束光的夹角来改变干涉条纹的空间频率，通过调整光栅材料放置的角度来改变布拉格角。这种方法的优点是适用范围广，无论是反射式体全息布拉格光栅还是透射式体全息布拉格光栅都可以用这种方法进行曝光，缺点是装置复杂，改变某一光栅参数后需要对整个装置多处进行调节。

提出一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法，这种方法专门针对反射式体全息布拉格光栅而设计，通过在光栅材料的后表面镀高反射膜，从而只用一束紫外激光照射光栅材料就可以在光栅材料内部形成干涉条纹，不再需要将紫外激光分为两束然后再干涉，从而大大简化了紫外曝光装置，而且使用这种方法后，可以非常方便地调节光栅参数，从而获得不同特性的反射式体全息布拉格光栅。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法。

反射式体全息布拉格光栅紫外曝光的方法包括以下步骤：

（1）将待曝光的光栅材料3的表面进行抛光，使光栅入射面4和光栅出射面5的表面粗糙度达到R_a < 0.01μm，R_a为轮廓算术平均偏差，光栅入射面4与光栅出射面5平行或者光栅入射面4与光栅出射面5之间的夹角β为1～20度；

（2）在光栅出射面5上镀有紫外光波段反射率大于90%的高反射膜；

（3）用一束平行的紫外光1从光栅入射面4照射光栅材料3，紫外光1入射至光栅材料3内部后到达光栅出射面5，被光栅出射面5上的高反射膜反射，反射的紫外光2在光栅材料3内部和入射的紫外光1进行干涉，从而形成了强度周期性变化的干涉条纹6；

（4）干涉条纹6周期Λ = λ / (2 n sinα)，其中，λ为入射紫外光的波长，n为光栅材料的折射率，α为光栅材料3内入射的紫外光1和光栅出射面5的夹角；

（5）保持入射的紫外光1和光栅材料3的位置，使干涉条纹6在光栅材料3内部保持5分钟至1小时，光栅材料3的特性发生了周期性变化，体全息布拉格光栅的周期和干涉条纹的周期一致，至此紫外曝光过程结束；

所述的光栅材料3为光热折变PTR玻璃或光折变晶体。所述的紫外光波段反射率大于90%的高反射膜为介质膜或金属膜。所述的介质膜的材料为氧化铪，金属膜的材料为铝。

本发明的紫外曝光方法专门针对反射式体全息布拉格光栅而设计，通过在光栅材料的后表面镀高反射膜，从而只用一束紫外激光照射光栅材料就可以在光栅材料内部形成干涉条纹，不再需要将紫外激光分为两束然后再干涉，从而大大简化了紫外曝光装置。同时，由于不需要将入射激光分为两束，所以在相同的入射功率条件下，形成干涉条纹的对比度更高，使得形成的体全息布拉格光栅的折射率调制度更高，可以获得更高的衍射效率。而且使用这种方法后，可以非常方便地调节光栅的周期和倾斜角等参数，从而获得不同特性的反射式体全息布拉格光栅。