基于BB640的斜条纹全息波导器件及应用研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.16MB 40 页 15积分

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摘要

体光栅器件是光通信，光学成像和检测系统中的分光、合光关键器件。通常

体光栅的制作都采用对称曝光光路产生无倾斜的条纹结构，而在很多的实际应用

中需要斜条纹的全息体光栅。因此本论文提出利用柱面镜的单向聚焦特点设计斜

条纹的全息制作光路，使用超细颗粒（直径约为 22nm）卤化银致敏明胶 BB640

材料作为全息曝光的记录介质，柱面镜可将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接以

平行于 BB640 材料层的方式入射，通过调节另外一束圆形光斑与介质层的夹角，

可获得任意倾斜角度的斜条纹光栅。新方法解决了传统制作方法中光强比的失配、

激光散射严重等曝光制作问题。

本论文运用 Herwig Kogelnik提出的耦合波理论对 BB640斜条纹光栅的波长选

择性及角度选择性进行研究，讨论光栅倾斜角度与波长、角度选择性之间的关系。

发现：随着倾斜角度的增大，旁瓣峰值均逐渐减小，波长选择性半峰全宽呈急剧

下降再缓慢上升的趋势，而角度选择性半峰全宽变化相对平稳，也呈先下降再呈

缓慢上升的趋势。

全息光栅定型后，采用 NOA61 覆盖在 BB640 斜条纹光栅的表面，再封上一

片和透明基底玻璃同等性质的玻璃片，形成中间折射率高（乳胶平均折射率约为

1.579），基底折射率低（玻璃折射率约为 1.53）的波导内置全息元件。通过与光纤

耦合，可将光纤中传输的纤芯模耦合为包层模或辐射模。倾斜角度不同，对应不

同传输损耗峰值波长。利用传输损耗特性，配合掺铒光纤放大器，根据增益不平

坦频带范围设计不同的倾斜角度，使传输损耗曲线与增益曲线相匹配，达到增益

平坦的目的。

关键词：BB640 卤化银致敏明胶斜条纹光栅耦合波理论波长选

择性角度选择性增益平坦均衡器

ABSTRACT

The volume grating devices are key components for integrating and splitting beam

in optical communication, optical imaging and detection system. Usually, the structure

of gratings is not tilting produced by symmetrical exposure light path， but in many

practical applications holographic optical elements with tilted gratings are needed. So

this paper presents the new method of using cylindrical lens’s unidirectional focused

characteristic to design the tilted holographic optical path. We use the ultrafine particles

(diameter is about 22nm) of silver halide sensitized gelatin BB640 as the recording

medium. The cylindrical lens can focus circular laser into linear laser which directly

incidents into the BB640 material side surface. We can get any tilted angle by adjusting

the direction of another laser. The new method can solve the traditional method’s

problems those are coherent lights’ mismatch and scattering.

Based on Herwig Kogelnik’s coupled wave theory, this paper studies the

wavelength-selection and angle-selection of BB640 tilted grating, and further discusses

the relationship between tilted angle and wavelength-selection, angle-selection. As tilted

angle increases, the sidelobe peak value gradually reduces and the full width at half

maxima (FWHM) of wavelength-selection shows a sharp decline and then slowly rises,

but the FWHM of angle-selection shows stable. The trend also decreases first and then

slowly rises.

When holographic grating finished, covered the BB640 tilted grating surface with

NOA61, and then sealed the same glass as the substrate glass. At last it formed the

built-in holographic elements with high intermediate refractive index (approximately

1.579) and low basement (approximately 1.53). When coupling with fiber, the core

modes were coupled into cladding modes or radiation modes. Different tilted angle

corresponding to different transmission loss peak wavelength. According to the

transmission loss characteristics, we can achieve the purpose of gain flattening by

designing the tilted angle to make the transmission curve match the gain curve.

Keywords: BB640 silver halide sensitized gelatin, Tilted grating,

Coupled wave theory, Wavelength-selection, Angle-selection,

Equalizer

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................. 1

§1.1 全息光学元件的记录材料 ............................................................................. 1

§1.1.1 卤化银明胶乳剂 ................................................................................... 1

§1.1.2 重铬酸盐明胶 ....................................................................................... 4

§1.1.2 光致抗蚀剂 ........................................................................................... 5

§1.2 课题研究的意义 ............................................................................................. 6

第二章全息光学元件的衍射效率 .............................................................................. 8

§2.1 耦合波理论 ..................................................................................................... 8

§2.2 反射无损耗体光栅的衍射效率 ................................................................... 10

第三章 BB640 斜条纹光栅的设计和实现 ................................................................. 11

§3.1 BB 系列全息干板性能指标 .......................................................................... 12

§3.2 BB640 全息干板预处理 ................................................................................ 15

§3.3 BB640 斜条纹光栅的制作 ............................................................................ 16

§3.4 BB640 斜条纹光栅的后序处理 .................................................................... 18

第四章 BB640 斜条纹光栅的性能研究 .................................................................... 29

§4.1 BB640 斜条纹光栅的波长选择性 ................................................................ 18

§4.2 BB640 斜条纹光栅的角度选择性 ................................................................ 18

第五章基于 TFBG 的增益平坦均衡器的设计 ........................................................ 29

第六章总结及展望 .................................................................................................... 34

§6.1 总结 ............................................................................................................... 34

§6.2 展望 ............................................................................................................... 34

参考文献 ........................................................................................................................ 36

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 38

致谢 ............................................................................................................................ 39

第一章绪论

激光的问世带来了全息技术的重新崛起，全息光学元件作为全息技术的一项

重要应用，发展得异常迅猛，全息光学元件的研究现已成为光学界的前沿工作。

对全息记录材料的研究是光学全息技术中一项重要的内容，材料的各项性能

是影响全息光学元件衍射效率的一个重要的因素，换句话说，光学元件能否实现

某种用途，与所使用的记录材料密不可分。

§1.1 全息光学元件的记录材料

在蓬勃发展的全息光学领域，每一个全息光学元件的记录都包含一个重要的

过程：全息干涉光束在记录介质中曝光形成明暗相间的条纹[1]。全息曝光是记录光

束与参考光束在光敏记录材料内形成相干干涉，形成稳定的光学驻波图形。记录

的驻波图形反应了两束光在记录介质上的相长或相消，反应的正是光的强度的变

化。因此光敏记录材料对光的敏感度将直接影响衍射后光波的成像质量。

除了要求光敏材料对记录和成像波长有高的敏感度这个因素以外，在选择全

息记录材料时还应考虑以下几个因素[2]：

 高的衍射效率

 足够的空间分辨率

 良好的稳定性

 合适的乳胶厚度

 高的信噪比

 可以复制

全息光学元件的记录材料有许多种，这一章我们主要介绍卤化银明胶乳剂（主

要是 AgBr），重铬酸盐明胶（DCG），光致抗蚀剂的性能指标，这三种光敏材料是

记录全息光学元件的比较理想的介质。

§1.1.1 卤化银明胶乳剂

卤化银明胶乳剂一直被用来记录可见的和不可见的光辐射[3]，它是由卤化银及

作为保护胶体的明胶组成，卤化银（主要是 AgBr）的微晶和亚微晶体悬浮在明胶

中。自 Gabor 发明的第一幅卤化银胶片全息图以来，就开启了卤化银材料在光学

全息界的大门。

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摘要：

摘要体光栅器件是光通信，光学成像和检测系统中的分光、合光关键器件。通常体光栅的制作都采用对称曝光光路产生无倾斜的条纹结构，而在很多的实际应用中需要斜条纹的全息体光栅。因此本论文提出利用柱面镜的单向聚焦特点设计斜条纹的全息制作光路，使用超细颗粒（直径约为22nm）卤化银致敏明胶BB640材料作为全息曝光的记录介质，柱面镜可将圆形光斑聚焦成线状激光，再直接以平行于BB640材料层的方式入射，通过调节另外一束圆形光斑与介质层的夹角，可获得任意倾斜角度的斜条纹光栅。新方法解决了传统制作方法中光强比的失配、激光散射严重等曝光制作问题。本论文运用HerwigKogelnik提出的耦合波理论对BB640斜条...

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