基于碱卤化物色心晶体的中红外体布拉格光栅的制作方法
【专利摘要】描述了一种工作在光谱的中红外区域的体布拉格光栅装置以及该装置的制造方法。可以通过在碱卤化物晶体内形成多个色心，并选择性地去除多个色心的子集而在中红外光谱区域内产生碱卤化物晶体的折射率的改变，从而制造出工作在中红外光谱范围的体布拉格光栅。
【专利说明】基于碱卤化物色心晶体的中红外体布拉格光栅
[0001] 优先权和相关专利申请
[0002] 本专利申请要求于2012年1月12日提交的、题为"MIDDILE-INFRARED VOLUMTRIC BRAGG GRATING BASED ON LIF COLOR CENTER CRYSTALS" 的美国临时专利申请 No. 61/586, 086的优先权和权益，其公开内容通过引用并入本文。
【技术领域】
[0003] 本申请一般地涉及用于在中红外光谱范围内的体布拉格光栅的应用的色心晶体。
【背景技术】
[0004] 体布拉格光栅（VBG)可以实现为折射率的周期性改变形式的体透明材料的布拉 格光栅，其与入射光相互作用，以在满足布拉格条件的一个或多个布拉格波长处产生较大 的反射率。VBG可以用于多种光学装置和系统中，并且是研发紧凑型窄线激光器系统的关键 部件。目前，许多VBG使用透射光谱范围介于0. 3 μ m到2. 7 μ m之间的光折射玻璃。
【发明内容】
[0005] 所公开的实施例涉及体布拉格光栅装置以及该装置的制造方法，该体布拉格光栅 基于工作在中红外区域的具有色心的碱卤化物晶体。这样的装置可以用多种方式被实现为 使其是光稳定和热稳定的，并且可以使用相对低功率的激光器来批量制造。
[0006] 所公开的实施例的一个方面涉及一种包括碱卤化物晶体的体布拉格光栅装置，该 碱卤化物晶体包含多个色心，在中红外光谱范围内具有宽光谱透明度。碱卤化物晶体被结 构化成，通过选择性地去除多个色心的至少一个子集而在中红外光谱范围内表现出碱卤化 物晶体的折射率的改变，从而形成工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅。
[0007] 在一个示例性实施例中，碱卤化物晶体为氟化锂（LiF)晶体。在另一示例性实施 例中，通过对色心的子集进行光致褪色而将碱卤化物晶体结构化。在又一示例性实施例中， 在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，体布拉格光栅可以表现出介于大约10%以上到接近 100%的效率。根据再一示例性实施例，体布拉格光栅包括按照由选择性地去除多个色心所 导致的折射率的空间改变而形成的沟槽或区域。
[0008] 在一个示例性实施例中，选择性地去除包括对多个色心的子集进行光致褪色。在 另一示例性实施例中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，折射率的改变至少为10'根 据另一示例性实施例，通过电离辐射和/或添加剂或电解着色，在碱卤化物晶体中形成多 个色心。在另一示例性实施例中，体布拉格光栅被配置成作为激光腔的反射器或输出耦合 器工作。另一不例性实施例涉及一种包括上述体布拉格光栅的激光器系统，其中体布拉格 光栅被配置成作为该激光器系统的激光腔的高反射镜工作。
[0009] 所披露的实施例的另一方面涉及一种用于制造体布拉格光栅装置的方法，包括获 得包含多个色心的碱卤化物晶体，并选择性地去除多个色心的子集，以在中红外光谱范围 内产生碱卤化物晶体的折射率的改变，从而制造出工作在中红外光谱范围内的体布拉格光 栅。
[0010] 在一个示例性实施例中，碱卤化物晶体为氟化锂（LiF)晶体。根据另一示例性实 施例，获得包含多个色心的碱卤化物晶体包括：将碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或通 过添加剂或电解着色，形成多个色心。在一个示例性实施例中，选择性地去除多个色心的子 集包括对色心的子集进行光致褪色。例如，光致褪色可包括：(a)将包括多个色心的碱卤化 物晶体暴露于激光束，以形成第一沟槽或区域，（b)移动碱卤化物晶体的位置，（c)在移动 之后，将碱卤化物晶体暴露于激光束，以形成第二沟槽或区域，以及（d)重复步骤（b)和（c) 预定的次数，以形成附加的沟槽或区域。所形成的沟槽或区域形成空间周期性的光栅图案。 在一个示例性实施例中，选择性地去除多个色心的子集包括：将两个或更多个相干光束引 向碱卤化物晶体，以使得利用该两个或更多个光束的干涉图案来形成体布拉格光栅。
[0011] 根据一个示例性实施例，选择性地去除多个色心的子集是通过电子束或离子束刻 蚀来进行的。在另一示例性实施例中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，折射率的改变 至少为1〇_4。在又一示例性实施例中，选择性地去除多个色心产生折射率的空间改变，该折 射率的空间改变形成体布拉格光栅的多个沟槽或区域。在再一示例性实施例中，在覆盖大 约1到6微米的光谱范围内，体布拉格光栅可以表现出从大约10%到接近100%的范围内 的效率。在另一不例性实施例中，体布拉格光栅是一种相位光栅，实现至少1. 56微米的光 的衍射。
[0012] 此外，提供一种使用由具有色心的碱卤化物晶体所形成的体布拉格光栅对中红外 光谱范围内的光进行衍射以在满足布拉格条件的特定波长处产生光学反射的方法。在该方 法中，在室温下，在中红外光谱范围下表现为光学透明并且在可见或近红外光谱范围表现 出光学吸收的碱卤化物色心晶体，被暴露于在中红外光谱范围内的入射光束下。将碱卤化 物色心晶体结构化成包括色心的永久性空间周期性光栅图案，其在中红外光谱范围内在碱 卤化物色心晶体的折射率方面具有足够大的空间周期性调制，从而实现相位布拉格光栅。 对永久性空间周期性光栅图案相对于入射光束的取向进行控制，以在布拉格条件下对入射 光束的光进行衍射，从而在中红外光谱范围内产生光学反射。
[0013] 在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了这些和其他方面以及实施例。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1 (a)是具有色心的LiF晶体样品的示例性吸收光谱的UV-可见部分。
[0015] 图1 (b)是具有色心的LiF晶体样品的示例性吸收光谱的可见-近红外部分。
[0016] 图2 (a)是针对LiF晶体理论计算出（按照公式（4))的折射率改变作为波长的函 数的曲线的UV-近红外部分的示例。黑色虚线考虑了样品中的所有色心。实线仅考虑了两 个主带（F和F 2&F3)的吸收。
[0017] 图2(b)是针对LiF晶体理论计算出（按照公式（4))的折射率改变作为波长的函 数的曲线的近红外-中红外部分的示例。实线仅考虑了两个主带的吸收。
[0018] 图3表示根据示例性实施例的用于制造 VBG的结构。
[0019] 图4表示根据示例性实施例，在利用Ti-蓝宝石激光器（790nm，400mW，lkHz，35fs， 5秒曝光）照射前后，在514nm氩激光器激发下测得的LiF CC晶体的光致发光（PL)光谱。 曲线（a)相应于照射之前的PL光谱，曲线（b)相应于照射之后立即从晶体的靠近褪色带的 区域采集的PL光谱，曲线（c)相应于在照射之后立即从晶体的褪色带区域采集的PL光谱， 曲线（d)相应于在激光照射之后大约12小时的褪色带的PL光谱。
[0020] 图5 (a)表示根据示例性实施例的在制造之后的短时间，测量的积分的650-700n 处光致发光强度的改变作为距具有12 μ m沟槽间距的光栅的开头的距离的函数。
[0021] 图5(b)表示图5(a)的放大以表示在距光栅开头介于500到600 μ m之间的距离 处的光致发光强度的改变的一部分。
[0022] 图5(c)表示根据示例性实施例的在制造之后大约12小时，测量的积分的 650-700nm处光致发光强度的改变作为距表征在图5(a)所示的光栅的开头的距离的函数。
[0023] 图5(d)表示图5(c)的放大以表示在距离光栅开头介于500到600 μ m之间的距 离处的光致发光强度的改变的一部分。
[0024] 图6 (a)表示根据示例性实施例的在制造之后的短时间，测量的积分的650_700nm 处光致发光强度的改变作为距具有24 μ m沟槽间距的光栅的开头的距离的函数。
[0025] 图6(b)表示图6(a)的放大以表示在距光栅开头介于500到600 μ m之间的距离 处的光致发光强度的改变的一部分。
[0026] 图6(c)表示根据示例性实施例的在制造之后大约12小时，测量的积分的 650-700nm处光致发光强度的改变作为距表征在图6(a)所示的光栅的开头的距离的函数。
[0027] 图6(d)表示图6(c)的放大以表示在距光栅开头介于500到600 μ m之间的距离 处的光致发光强度的改变的一部分。
[0028] 图7表不根据不例性实施例的用于表征光栅的结构。
[0029] 图8表示根据示例性实施例的可以被执行以制造体布拉格光栅的一组操作。
[0030] 图9表示根据示例性实施例的可以被执行以使用由具有色心的碱卤化物晶体所 形成的体布拉格光栅对中红外光谱范围内的光进行衍射，从而产生光学反射的一组操作。
【具体实施方式】
[0031] 色心（CC)是晶体内的点晶格缺陷，其在不同的透明的晶体中产生光学吸收带。许 多年以来，具有色心（CC)的碱卤化物晶体已经作为可调谐固体激光器的有源介质和作为 无源Q开关而为人们所知。在不同的碱卤化物晶体中，氟化锂（LiF)是经常被使用的材料， 部分原因在于其是非吸湿的，并且即便在室温下也展示CC的高稳定性。近年来的研究兴趣 已经转移到这些材料可能的基于其光折射性质的光子学应用。这些应用中的一些基于在具 有色心的晶体中的光致光栅和波导的制造。
[0032] 在室温下工作在2-6 μ m的中红外激光器的最新的进展，促进了用于这些激光器 的新型光折射材料的发展，因为使用光折射玻璃制造的VBG不能工作在中红外区域。
[0033] 工作在中红外（中-IR)光谱范围的光折射材料对于具有多种潜在应用的新型紧 凑的中红外激光器系统的发展是非常重要的。这种应用的示例包括但不限于：分子光谱学、 非侵入医学诊断、工业过程控制、环境监测、大气感测、自由空间通讯、石油勘探以及许多与 防御有关的应用，如红外干扰、监测弹药处置以及远距离检测爆炸危险。
[0034] 诸如氟化锂（LiF)晶体的碱卤化物晶体在中红外区域具有宽的透明度。不过，从 这些碱卤化物晶体尝试着制造 VBG，这在商业上是不可行的。部分是因为，为了对晶体的结 构标上永久的修改而导致晶体的折射率的改变，需要用高强度飞秒激光辐射照射晶体。
[0035] 几个研究组已经对具有分布反馈（DFB)的色心激光器进行了研究。在近红外区域 882-962nm中已经实现了具有F 2+CC的LiF的可调谐激光振荡，并且使用两个泵浦光束的干 涉，已经实现了晶体中的动态增益光栅。在一些系统中，通过改变泵浦光束的入射角来获得 DFB激光器的调谐。在一些系统中，通过基于由UV激光器所形成的干涉图案由色心的光致 褪色而形成的增益元件，获得具有永久光栅的DFB CC激光。在一种系统中，通过基于利用 两个飞秒Ti :蓝宝石激光束的全息技术制造永久光栅，在709nm处产生LiF:F2 CC晶体的分 布反馈激光振荡。
[0036] 迄今为止进行的多种研究一直聚焦在CC晶体（CCC)在可见和近红外光谱范围的 光折射性质，该光谱范围内折射率的改变较大，并且在有些情形中，接近或达到折射率改变 的最大值。LiF具有较宽的透射带，能潜在地工作在高达6μπι的中红外波长。通过电离辐 射或添加剂/电解着色制备而成的多种LiF:CC晶体，在可见和近红外光谱范围表现出强吸 收带。在这类晶体中，可使用色心的空间选择性色心光致褪色，产生LiF晶体的折射率的空 间图案或调制。在色心被光致褪色的每个位置处，色心被去除，从而该位置处不再表现出已 经被光致褪色的特定色心的光吸收。LiF:CC晶体倾向于在中红外光谱范围不具有强吸收 带。由于强吸收带通常与折射率值的显著改变相关，在LiF:CC晶体中在中红外光谱范围的 强吸收带的这种缺少被认为是LiF:CC晶体不能为形成在中红外光谱范围内具有可用的光 栅衍射效率的体布拉格光栅（VBG)结构提供显著的折射率改变。此外，LiF:CC晶体被认为 具有热和光致不稳定性，因而不适于在日光和环境温度或室温下的应用和使用。
[0037] 不过，可以将LiF:CC晶体和其他具有CC的碱卤化物晶体加工成具有针对在中红 外光谱范围中的工作的有吸引力和所期望的独特的性质。例如，由无羟基LiF晶体制成的 LiF CCC特征在于较大（?14ev)的带隙，其不表现出浅施主和受主CC，因而不具有对中红 外光谱范围的光的吸收。结果，当晶体在中红外光谱范围的光的照射下时，倾向于没有色心 的光致褪色。因此，LiF:CC体布拉格光栅（VBG)结构在高光学密度中红外辐射下是稳定的。 另一个例子，LiF晶体倾向于表现出宽的透明带（例如，包括高达6μηι的中红外光谱范围） 并且可以用作工作在从1. 5 μ m到6 μ m的光谱范围的Er3+，Ho3+，Tm3+Cr2+，Fe 2+激光器的色 散元件。注意，如下面所述的示例性实施例所说明的，尽管在LiF:CC晶体中缺少在中红外 光谱范围内的强吸收带，不过可以将其结构化成表现出折射率的足够大的改变，以在用于 多种应用时在中红外光谱范围内提供稳定且有效的体布拉格光栅（VBG)结构。对处于布拉 格波长或其附近的入射光在VBG的布拉格条件下，即便是晶体中弱的折射率调制也足以实 现相当大的光学反射，诸如后反射。因此，在填充需求空白方面，基于LiF的光栅具有吸引 力，这部分是因为，由玻璃材料制造的各种通常使用的VBG不能有效地工作于各个中红外 波长，例如长于3 μ m的波长。
[0038] 所公开的实施例说明了 CCC作为工作在中红外光谱范围的VBG装置的介质的可 行性。可以通过光致褪色或其他褪色技术在选定的空间位置将LiF:CC晶体中的色心褪 色或者去除，以在该晶体中产生折射率的空间周期性调制，其足以实现用于LiF:CC晶体是 光学透明的并且不表现出强的光学吸收的中红外光谱范围的VBG。根据一些实施例，通过 对CC的光致褪色在LiF:CC晶体中制造衍射光栅，并且其特征在于0. 532 μ m、0. 632 μ m和 1.56 μ m。另外，涉及基于色心褪色的光折射效应的所公开的实施例，可以提供从大约10% 到接近100%的范围内的VBG效率，这对于各种光子学应用是足够的，诸如用于光耦合器或 激光腔的高反射镜。在一个示例性实施例中，在覆盖中红外光谱范围的至少1-6 μ m光谱范 围内，对于l_3cm长的晶体可实现大约60%的效率。衍射效率是测量与入射到衍射元件上 的功率相比，有多少光功率被衍射到指定的方向。
[0039] 应当注意，在本说明书中使用LiF晶体和LiF:CCC作为例子来说明所披露的实施 例的原理。本说明书所描述的多个技术特征可以应用于其他具有色心的碱卤化物晶体，且 与其相关。
[0040] 首先，考虑由CC引起的在LiF中的折射率的改变。辐射在吸收性介质中的传播用 复折射率
【权利要求】
1. 一种工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅装置，包括： 包括多个色心的碱卤化物晶体，在中红外光谱范围内具有宽的光谱透明度，通过选择 性地去除所述多个色心的至少一个子集，所述碱卤化物晶体被结构化成在所述中红外光谱 范围内表现出所述碱卤化物晶体的折射率的改变，从而形成工作在所述中红外光谱范围内 的体布拉格光栅。
2. 根据权利要求1的装置，其中，所述碱卤化物晶体是氟化锂（LiF)晶体。
3. 根据权利要求1的装置，其中，通过对色心的所述子集的光致褪色而对所述碱卤化 物晶体结构化。
4. 根据权利要求1的装置，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，所述折射率的 改变至少为10'
5. 根据权利要求1的装置，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，所述体布拉格 光栅表现出大约10%到100%的范围内的效率。
6. 根据权利要求1的装置，其中，所述体布拉格光栅包括按照由选择性地去除所述多 个色心所导致的折射率的空间改变而形成的沟槽。
7. 根据权利要求1的装置，其中，所述选择性地去除包括对所述多个色心的所述子集 进行光致褪色。
8. 根据权利要求1的装置，其中，通过电离辐射和/或添加剂或电解着色，在所述碱卤 化物晶体内形成所述多个色心。
9. 根据权利要求1的装置，进一步被配置成作为激光腔的输出耦合器或反射器工作。
10. -种制造工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅装置的方法，包括： 获得包括多个色心的碱卤化物晶体；和 选择性地去除所述多个色心的子集，以在所述中红外光谱范围内产生所述碱卤化物晶 体的折射率的空间改变，以便实现工作在中红外光谱范围内的体布拉格光栅。
11. 根据权利要求10的方法，其中，所述碱卤化物晶体是氟化锂（LiF)晶体。
12. 根据权利要求10的方法，其中获得包括所述多个色心的所述碱卤化物晶体包括： 将所述碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或通过添加剂或电解着色，形成所述多个色心。
13. 根据权利要求10的方法，其中，选择性地去除所述多个色心的所述子集包括对色 心的所述子集进行光致褪色。
14. 根据权利要求13的方法，其中，光致褪色包括： (a) 将包括所述多个色心的所述碱卤化物晶体暴露于激光束，以形成第一沟槽； (b) 移动所述碱卤化物晶体的位置； (c) 在所述移动之后，将所述碱卤化物晶体暴露于所述激光束，以形成第二沟槽；以及 (d) 重复步骤（b)和（c)预定的次数，以形成附加的沟槽。
15. 根据权利要求10的方法，其中，选择性地去除所述多个色心的所述子集包括：将两 个或更多个相干光束引向所述碱齒化物晶体，以使得使用两个或更多个光束的干涉图案来 形成所述体布拉格光栅。
16. 根据权利要求10的方法，其中，通过电子或离子束刻蚀执行选择性地去除所述多 个色心的所述子集。
17. 根据权利要求10的方法，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，折射率的改 变至少为10'
18. 根据权利要求10的方法，其中，选择性地去除所述多个色心产生折射率的空间改 变，该折射率的空间改变形成所述体布拉格光栅的多个沟槽。
19. 根据权利要求10的方法，其中，在覆盖大约1到6微米的光谱范围内，体布拉格光 栅表现出大约10%到100%的效率。
20. -种包括权利要求1的体布拉格光栅装置的激光器系统，其中，所述体布拉格光栅 装置被配置成工作为所述激光器系统的激光腔的输出耦合器或反射器。
21. -种使用由具有色心的碱卤化物晶体形成的体布拉格光栅对中红外光谱范围的光 进行衍射从而产生光学反射的方法，包括： 将在中红外光谱范围表现光学透明、并且在可见或近红外光谱范围表现光学吸收的碱 卤化物色心晶体暴露于中红外光谱范围内的入射光束，将所述碱卤化物色心晶体结构化成 包括色心的永久性空间周期性光栅图案，所述永久性空间周期性光栅图案在所述中红外光 谱范围内在所述碱卤化物色心晶体的折射率方面具有足够大的空间周期性调制，从而实现 相位布拉格光栅；和 控制所述永久性空间周期性光栅图案相对于所述入射光束的取向，以在布拉格条件下 对所述输入光束的光进行衍射，从而在中红外光谱范围内产生光学反射。
22. 根据权利要求21的方法，其中，通过将碱卤化物晶体暴露于电离辐射和/或添加剂 或电解着色，在所述碱卤化物色心晶体中形成色心。
23. 根据权利要求21的方法，其中，通过光致褪色在所述碱卤化物色心晶体中形成色 心的所述永久空间周期性光栅图案。
24. 根据权利要求21的方法，其中，通过电子或离子束刻蚀在碱卤化物色心晶体中形 成色心的所述永久空间周期性光栅图案。
25. 根据权利要求21的方法，其中，所述入射光束的波长处于2 μ m到6 μ m的范围。
26. 根据权利要求21的方法，包括在室温下操作所述碱卤化物色心晶体。
27. 根据权利要求21的方法，包括将所述碱卤化物色心晶体包括为激光腔的一部分， 以使用所述相位布拉格光栅在激光腔中提供光学反射。
【文档编号】G02B6/26GK104303379SQ201380011130
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年1月14日 优先权日:2012年1月12日
【发明者】A·阿鲁姆加姆, D·V·马蒂什金, V·V·费德洛夫, D·J·希尔顿, S·B·米罗威 申请人:Uab研究基金会