一种宽带角度选择光学滤波器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明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，l〇nm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] 在本发明做出之前，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.Omrad，具有良好的空间 滤波效果（J.E.Ludman,J.Riccobono,N.Reinhand,etal. ,Nonspatialfilter forlaserbeams, 1995, 8_thLaserOpticsConference,June27 -July1,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CN101614879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CN1 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 宄"（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] 本发明的目的是，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] 为达到上述发明目的，本发明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元相位衍射光栅和与二元相位衍射光栅衍射 级次对应的体布拉格光栅；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参数一致，其光栅的形状 为矩形栅条；所述的二元相位衍射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，体布拉格光栅与二元相位衍 射光栅中心轴线呈对称分布。
[0009] 本发明技术方案中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，二元相位衍射光栅衍射级次为以下中的一种：± 1级，± 1级和± 2 级，±1级、±2级和±3级，±1级、±2级、±3级和更高正负级。
[0010] 本发明的优选方案是：所述的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。
[0011] 本发明技术方案还包括一种宽带角度选择光学滤波器的制备方法，具体步骤如 下： 1、 确定用于制备宽带角度光学滤波器的入射光的波长、带宽和目标衍射效率； 2、 选定用于制备二元相位衍射光栅结构的介质材料和非零衍射级次数目； 3、 根据入射光的波长A和带宽、目标衍射效率，按式 Assiit8 = m^，其中，Aj为二兀相位衍射光栅的周期，A为入射光波长，m为二兀相位衍射 光栅的衍射光级次，m为±1?±4的正负整数，0为二元相位衍射光栅相应级次的衍射 角，采用严格耦合波理论算法，得到二元相位衍射光栅的占空比和周期，及二元相位衍射光 栅的光栅层厚度； 4、 依据体布拉格光栅厚度参数和大于lOppm的折射率调制度，以及二元相位衍射光栅 的周期和非零衍射级次数目，得到需要匹配使用的体布拉格光栅的数目和对应的周期； 5、 将步骤3得到的二元相位衍射光栅的占空比、周期和光栅层厚度参数，在光栅基底 上进行矩形栅条制备，采用全息记录、纳米压印、感应耦合等离子刻蚀和聚焦离子束刻蚀的 方法得到二元相位衍射光栅； 6、 依据步骤4得到的体布拉格光栅的数目和对应的周期和厚度参数，在硅酸盐基光致 热敏折射率玻璃上进行光栅制备，采用直接干涉紫外曝光和光栅调制区域微晶化热处理的 方法得到对应的体布拉格光栅