专利名称：制造体积布拉格光栅的方法和装置的制作方法
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，本发明涉及ー种全息光学元件，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(參见美国专利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ー些不便之处。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ー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。另ー种使用面干渉计记录(參见美国专利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。ー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(參见美国专利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”(參见美国专利5，367，588)。在结构上，用于执行本方法的设备配置有福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。使用相位掩膜的ー些明显优势包含(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強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強度。因此，掩膜没有均匀暴露于光，这引起光栅參数(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(參见美国专利5，066，133，其全文以引用的方式并入本文中)移置的激光器解決。
因此，存在ー种需要以在大量生产中所用的高效方式制造VBG的方法。 存在另ー种需要制造VBG的方法，其特征为曝光(UV)均匀。还存在ー种需要制造VBG的方法，其特征为光栅參数的可重复性，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兀件(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、高大量生产カ等等，所述高大量生产カ至少等于产品的95 %，其超出已建立的质量标准和光栅參数的可重复性。根据本公开内容的ー个方面，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ー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并进一歩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単元。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。
可以从下文以随附图式阐释的详细说明更容易地了解本公开的方法的以上以及其他方面、特征和优势，其中图I是可操作用于执行本公开方法的组件的ー个高度简图。图2是图解说明所公开方法的基本概念的简图。图2A是具有根据图I的组件记录的VBG的材料的单独单元的视图。图3是在概念上图解说明已知的现有技术的简图。图4图解说明根据所公开方法配置的切割台。图5图解说明根据所公开方法的ー个方面的提供的待照射材料的単元。图6图解说明表示所公开方法的主要步骤的流程图。
具体实施例方式现在详细參考所公开的系统。在可能的情形下，在图式和说明书使用相同或类似參考数字来指代相同的相似的部件或步骤。所述图式为简化形式且和精确尺寸大不同。图I图解说明系统10，所述系统10配置用于执行在光热折射玻璃片12中记录体积布拉格光栅(VBG)的方法。所述系统10还包含光产生组件14，光产生组件14可操作用于辐射入射在相位掩膜18上的UV光束25。掩膜18布置为与片12接触或者接近于片12，片12与掩膜大致上轴向共同扩张并且配置为记录VBG的主材料。如果将片12的尺寸选择为大于掩膜18的尺寸，那么可以沿着所述片布置若干个掩膜。掩膜18可用半导体制造技术领域中的技术人员所熟知的方式操作。片12包含沿着轴A-A’延伸并安装到支撑体13的长形主体。系统10操作使得掩膜18、光源组件14以及12全部可以通过致动器21而相对于彼此移置。在下文说明的一个优选实施方案中。光组件14可操作用于在平行于片12的长形轴A-A’的方向上相对于固定掩膜18移动。光源组件和掩膜/片组合的移置可颠倒使得掩膜18和片12相对于UV光束25移动，掩膜18和片12安装到各自的支撑体13、19或者简单地可移置地彼此固定。相对移置允许形成任何任意长度的光栅区域24。甚至更为重要的是，这些组件的相对移置在光栅区域24上提供光束25的高強度场的大致均匀分布。由于照射片12，在所述片中产生多个边 缘23 (如虚线所示)来界定光栅区域24，进ー步沿着边缘切割光栅区域24以形成个别的、彼此分离的单元。配置光产生组件14以在片12内的所需深度处并且当然沿着光栅区域24的所需长度写入VBG 22。所述组件包含光源，诸如激光器26，其可以配置为实质上以具有高斯分布的基本模式辐射输出光束25的光纤激光器。光束25沿着光路径传播直到其撞击到第一光反射组件，诸如上游镜28，上游镜28安装在轴36上，以可如双箭头16所示般旋转。镜28的角度移置允许设置激光器26即掩膜18可从VBG写入组件移开而激光器沿垂直方向无实际移置的所需距离。光产生组件14还配置有光束扩展器，光束扩展器可以包含两个光反射元件，诸如凹面镜30和32。光束扩展器配置用于修改片12处分别由干渉光束38和40所产生的光点的尺寸。干涉光束之间的重叠部分42越大，光传播到片12中的深度越大。光束扩展因数由各自元件30和32的焦距比率決定。因此，元件30和32应具有重叠的焦点以具有准直光束输出，这可以通过相对于彼此移置这些元件来获得。最終，扫描光反射元件34朝包含掩膜18和片12的写入组件44投送扩展光束25。为均匀照射所需尺寸的整个光栅区域24，可以通过致动器21可控制地移置元件34以最优化曝光剂量的均匀性。或者，如上所述，分别相对于组件14移置支撑体13和19。图2按图表图解说明VBG写入组件44。由于图I的系统10的配置，随着光束25撞向片12同时传播穿过掩膜18，光栅22垂直于轴A-A’压印。这种配置允许简单地将片12切割成个别单元50。如图2所示，在垂直于轴A-A’的方向上即平行于光栅22的纵向尺寸沿着边缘23实现切割，相比之下，如表示已知技术(參见美国专利7，391，703)的图3所示，跨光栅47执行沿着轴C-C’延伸并具有多个边缘47的长形片46的切割。在技术上，沿着边缘23切割片18实质上比现有技术跨光栅切割边缘容易。除了參考图I和图2タト，还參考图2A，掩膜18和主体12可通过例如图I的致动器21而相对于彼此绕垂直方向成角度地移置，即可旋转，如图2中的双箭头所示。本结构允许形成倾斜VBG 22，如图2A所示，图2A图解说明各具有(多个)光栅22的矩形形状单元50(只显示ー个单元)与边缘23成角度地延伸，在平行于VBG 22的纵向尺寸垂直于图2的纵轴A-A’的方向上切割边缘23。參考图I和图4，在完成VBG 22的记录后，片12可以放置在平移台(未显示)上，平移台可操作以绕轴A-A’枢转，如图2中的双箭头所示。这种结构允许通过锯27将主体12切割成个别单元50，每个单元50具有平行六面体形状配置，其中光栅22垂直于单元的相对顶面和底面延伸。或者，锯27可以相对于片12枢转以产生平行六面体形状単元50。当倾斜边缘23用于不想要地多次反射使得后者绕开光源(诸如激光二极管)时，此种配置有用。当然，可固定锯27和主体12的位置用于制造矩形形状単元50’。图6图解说明上文论述的一般步骤。在步骤52中实现光组件14和掩膜18之间的所需距离调整。为提供光栅22写入主体12或其単元50中的所需深度，在步骤54中调整光源扩展器。如果需要，那么可执行步骤56的相对旋转以使VBG 22平行于边缘23延伸 (如步骤56’中所示)或与边缘23成角度地旋转(如步骤56”所示)。最終，步骤58图解说明所公开制程的切割台，其中个别单元50可以具有如步骤58’所示的矩形形状或具有如步骤58”所示的倾斜边缘23。虽然已经图解说明并描述操作结构，但是本领域技术人员应清楚地理解这是用于阐释目的，并且在不脱离本发明的精神和范围下，可以容易地对其作出改变和修改。
权利要求
1.一种用于在光热折射材料主体中记录多个体积布拉格光栅的方法，所述方法包括以下步骤 将相位掩膜暴露于相干光束；以及 通过所述光束穿过所述相位掩膜而辐射所述光热折射材料主体以在所述主体中形成多个隔开的边缘，从而在每对相邻边缘之间的所述材料主体中记录至少ー个体积布拉格光柵。
2.根据权利要求I所述的方法，其还包括在平行于所述体积布拉格光栅的纵向尺寸的平面中切割所述主体，以提供各具有至少ー个体积布拉格光栅的多个单元。
3.根据权利要求I所述的方法，其还包括相对于彼此移置辐射所述相干光束的光源和所述相位掩膜，从而沿着在所述多个边缘上延伸的所述材料的体积布拉格光栅区域大致上均匀分布所述光束的高强度场。
4.根据权利要求I所述的方法，其中形成所述体积布拉格光栅包含相对于彼此绕垂直方向旋转所述相位掩膜和所述主体，以在相对于所述垂直方向成角度地延伸的所述主体中记录所述多个体积布拉格光柵。
5.根据权利要求I所述的方法，其还包括将所述主体切割成多个单元，并且在照射前将所述多个单元堆叠在一起。
6.根据权利要求I所述的方法，其还包括相对于彼此移置切割锯和所述主体，以将所述主体切割成各具有平行六面体形状截面的多个单元，其中每个单元含有至少ー个垂直于每个单元的顶面和底面延伸的体积布拉格光柵。
7.根据权利要求I所述的方法，其还包括将所述主体切割成多个矩形形状単元，每个单兀具有至少ー个体积布拉格光栅。
8.根据权利要求I所述的方法，其中辐射所述光束包含 供能给单模式激光器，因此发射所述光束，所述光束沿着光路径传播； 调整上游镜以提供所述光路径的所需长度，同时反射进ー步沿着所述光路径的撞击光束； 调整光束扩展器，以在所述材料主体中在所需深度处记录所述多个体积布拉格光栅； 通过扫描反射器来接收所述扩展光束以朝向所述相位掩膜引导所述扩展光束，以及 在引导所述扩展光束的同时相对于彼此移置所述扫描反射器和所述掩膜。
9.一种用于在光热折射材料中记录多个体积布拉格光栅的系统，所述系统包括 激光源组件，其可操作以沿着光路径辐射相干光束； 相位掩膜，所述激光源下游的光束撞击在其上；以及 材料支撑体，其构造用于从所述相位掩膜的下游接收所述光热折射材料，其中穿过所述掩膜照射所述材料以提供多个隔开的平行边缘，所述边缘在其间界定所述材料的多个子区域，所述多个子区域中的每个子区域具有至少ー个记录在其中的体积布拉格光柵。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述激光源组件包含单模式激光器，其辐射所述光束；上游反射器，其反射进ー步沿着所述光路径的光束；扩展器，其接收所述反射光束并配置用于扩展所述反射光束；以及扫描反射器，其朝所述相位掩膜引导所述扩展光束。
11.根据权利要求9所述的系统，其还包括第一线性致动器，所述第一线性致动器可操作用于相对于彼此线性地移置所述扫描反射器和所述相位掩膜，以照射所述材料的所需区域，所述所需区域包含具有均匀强度的所述多个子区域，其中所述相位掩膜安装在可移置地固定到所述材料支撑体的掩膜支撑体上。
12.根据权利要求9所述的系统，其还包括第二致动器，所述第二致动器可操作用于相对于彼此绕垂直方向旋转各自的材料和掩膜的支撑体，以提供横向于所述垂直方向延伸的所述多个体积布拉格光柵；及切割単元，其可操作用于将所述材料切割成多个单体単元。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述切割単元可操作用于沿着所述边缘并大致上平行于所述体积布拉格光栅的纵向方向将所述材料切割成各具有一个或多个体积布拉格光栅的多个单元。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述第二致动器可操作用于移置所述掩膜和材料支撑体，使得在将所述材料切割成所述多个単元后，每个单元具有选自由平行六面体形状単元和矩形形状单元组成的组的截面。
15.根据权利要求9所述的系统，其中所述材料支撑体配置用干支撑所述材料的单件式片。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述材料支撑体配置为使单体材料件堆叠在一起。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述上游反射器是枢转的，以调整所述激光器和所述材料支撑体之间的距离。
18.根据权利要求14所述的系统，其中移置所述掩膜和材料支撑体使得所述矩形形状单兀各具有平行于所述单兀的相对侧延伸的一个或多个体积布拉格光栅。
19.根据权利要求14所述的系统，其中移置所述掩膜和材料支撑体使得所述平行六面体形状単元各具有垂直于所述単元的相对顶面和底面延伸的一个或多个体积布拉格光柵。
20.根据权利要求14所述的系统，其中移置所述掩膜和材料支撑体使得所述矩形形状単元各具有以不同于所述単元的相对顶面和底面之间的直角的角度延伸的ー个或多个体积布拉格光栅。
全文摘要
本发明公开了一种用于在光热折射材料中记录多个体积布拉格光栅(VBG)的系统，所述系统配置用于执行提供通过穿过相位掩膜的相干光来照射所述材料的方法。所述系统具有多个致动器，所述致动器可操作用于相对于彼此移置光源、相位掩膜和材料，以大量生产各具有一个或多个均匀配置的VBG的材料的多个单元。
文档编号H01S5/02GK102652384SQ201080035311
公开日2012年8月29日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者亚历克斯·奥夫契尼可夫, 德米特里·斯塔德波夫, 瓦伦丁·盖庞特瑟夫, 阿列克谢·科米萨诺夫 申请人:Ipg光子公司