專利名稱：利用超短激光脈沖制備光柵器件和實現(xiàn)全息存儲的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光柵及光電子學器件制備技術領域和光學全息與信息處理技術領域。
傳統(tǒng)的光柵加工方法有機械刻劃、離子束刻蝕、紫外寫入和全息曝光等。前兩種方法只能在樣品表面制作光柵、工藝流程復雜、誤差大、制作效率低、加工速度緩慢，對材料限制也很多。后兩種方法雖然可以在樣品體內(nèi)寫入，但不能在材料中實現(xiàn)多層制備，也不易于三維體集成。所以傳統(tǒng)的技術對微型可集成器件中的光柵制作用途有限。
在光學全息存儲與信息處理領域，傳統(tǒng)全息寫入的方法基本為單光子吸收全息曝光技術，寫入速度緩慢、制作效率低、信息存儲量小、不能多層高密度存儲。
本發(fā)明的目的是提供一種利用超短激光單脈沖，在雙光子吸收材料表面或體內(nèi)，精密制備一維、二維或三維可集成光柵結構器件的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用超短激光單脈沖，實現(xiàn)高密度全息快速寫入的方法。
本發(fā)明利用超短激光脈沖制備光柵器件的方法是將超短激光光源輸出的超短激光單脈沖，通過分光系統(tǒng)分成兩束或多束，入射到雙光子吸收聚合物材料樣品的表面或體內(nèi)擬加工光柵的位置上，調(diào)節(jié)光束之間的時空重疊，即可得到干涉的光強明暗分布，明亮照射區(qū)域聚合形成光柵。通過選擇光束的數(shù)目，各光束之間的夾角、相位和強度等有關參數(shù)，可制備出所設計的一維、二維或三維微小周期光柵結構。
所述超短激光光源為皮秒或飛秒脈沖激光器。如輸出波長為760-1220nm，重復頻率為1Hz-200kHz的飛秒放大脈沖激光器或者兆赫茲量級的飛秒脈沖激光器。
所述分光系統(tǒng)為半透半反鏡，超短激光光束經(jīng)過半透半反鏡分成兩束，其中一束經(jīng)過可變光學延遲線改變其光程，利用相關測量原理，微調(diào)激光束之間的光程差，實現(xiàn)時間上的重合。
所述分光系統(tǒng)還可以是各種光束分束器，超短激光光束經(jīng)過分束器分成多束同相位或者固定相位差的光束，該多個光束時間零點基本重合，只要調(diào)制分光后的各束激光束之間的夾角、相位、強度，即可得到所設計的一維、二維或三維的空間周期干涉結構，對樣品曝光即得到光柵。
下面根據(jù)分光系統(tǒng)的不同，具體描述光柵器件制備的操作規(guī)程第一種方法采用半透半反鏡的分光系統(tǒng)，制備裝置如

圖1所示。
(一)空間重疊的調(diào)制超短激光光源輸出超短激光單脈沖經(jīng)過半透半反鏡分成兩束，選取合適焦距和數(shù)值孔徑的聚焦透鏡將各光束聚焦，入射并重疊在樣品的確定位置，利用CCD監(jiān)視調(diào)節(jié)空間重疊情況。調(diào)節(jié)透鏡焦點位置和重疊區(qū)域之間的距離，可得到合適大小的光斑。
(二)時間重合的調(diào)制由半透半反鏡分束所得兩束光，在其中一束光束上加上光學延遲線，根據(jù)和頻自相關測量原理，微調(diào)光束的相對光程，以實現(xiàn)兩束光時間上重合，根據(jù)和頻信號的強弱判斷光束的時間上的重合。
(三)光柵結構的設計和制備一維光柵結構的設計，一般只考慮空間周期。由公式d＝λ/2sin(θ/2)，調(diào)節(jié)兩束入射激光之間夾角θ，得到相應空間周期。調(diào)節(jié)透鏡焦點位置和重疊區(qū)域之間的距離，可得到大小合適的干涉區(qū)域。
二維光柵結構的設計，周期控制方法如上述一維光柵制作方法相同，只需將樣品繞兩入射光束夾角平分線旋轉一定角度。
注意對體內(nèi)光柵的制備要考慮樣品的折射率與空氣不同，光柵結構的周期應采用修正的公式d＝λs/2sinθs＝λair/2sinθair一維光柵的制備激光束分成兩束光干涉即可；對于復頻光柵的制備，調(diào)制兩光束之間夾角并在樣品上已經(jīng)制備光柵的位置再次寫入即可得到。
二維光柵的制備在一維光柵制備之后，將樣品繞兩入射光束夾角平分線旋轉90度，在原來樣品上制作另一個正交一維光柵，即可得到二維光柵結構。對于其他角度復用的光柵，旋轉不同角度即可得到。
三維光柵的制備多次利用半透半反鏡分成多光束，多光束干涉可制備三維光柵。
(四)樣品加工平臺的控制根據(jù)需要選擇在空間上移動位置精確到微米或納米量級的精密移動平臺，可以精密調(diào)節(jié)光柵制備的位置。精度要求不高時，也可采用一般的光學調(diào)節(jié)架。
(五)曝光控制采用快門選取激光器輸出的單個脈沖，當樣品加工平臺把樣品移動到合適位置，快門打開放出一個脈沖完成光柵制備。制備二維光柵時，平臺轉動再打開快門放出一個脈沖完成制備。不采用快門時，只要配合激光輸出重復率，選擇一定速度移動樣品也可以實現(xiàn)單脈沖寫入。
(六)光柵檢測對于制備得到的光柵，其衍射效率是關鍵品質(zhì)。利用He-Ne激光器等作為檢測光源。根據(jù)光柵Bragg衍射公式，將He-Ne激光束入射到光柵上，調(diào)節(jié)檢測激光的入射角度，得到最強的一級Bragg衍射。對比衍射光強與入射光強即得到衍射效率。
第二種方法采用光束分束器的分光系統(tǒng)，制備裝置如圖2所示。
(一)分光系統(tǒng)的調(diào)制激光光源輸出激光脈沖入射到各種光束分束器，分成多束同相位或固定相位差的光束。先用合適的聚焦透鏡將各束光準直平行傳輸，然后用合適焦距的聚焦透鏡將平行光聚焦到樣品上，即得到干涉條紋。只要調(diào)制分光后的激光束數(shù)目以及各激光束之間的夾角、相位、強度等參數(shù)，可得到所設計的一維、二維或三維的空間周期干涉結構，對樣品曝光即得到光柵。
(二)時空重疊系統(tǒng)的調(diào)制光束分束器分成的光束，采用合適聚焦透鏡將光束聚焦到樣品上即實現(xiàn)空間重合。對稱分布的光束光程相等，不需要調(diào)節(jié)相位差即自動滿足時間零點重合，不對稱分布的光束可以在小孔光闌陣列對應小孔上進行相位補償。如果分束器所分出光束比較多，可在各光束準直之后，加上一個小孔光闌陣列，選取其中合適的光束輸出。
(三)光柵結構的設計一維光柵結構的設計，選擇適當?shù)慕咕嗟木劢雇哥R，即可得到合適的光束夾角θ，從而得到相應周期。
二維光柵結構的設計，利用多束光相干后的光強分布公式計算周期分布I=⟨|E1+E2+…+En|2⟩]]>E1=E0cos(k→1·r→-ωt+φ1)]]>E2=E0cos(k→2·r→-ωt+φ2)]]>En=E0cos(k→n·r→-ωt+φn)]]>其中，Φ1，Φ2，...，Φn為各光束經(jīng)分束器和小孔光闌陣列及相位補償后的相對相位。只要控制好所分光束的數(shù)目、各光束的相對相位、各光束的光強大小就可精確制備出周期光柵。如果改變各光束的相位差，可得到不同的陣列分布。
三維光柵結構的設計，同樣可用多束光相干后的光強疊加公式計算周期分布I=⟨|E1+E2+…+En|2⟩]]>E1=E0cos(k→1·r→-ωt+φ1)]]>E2=E0cos(k→2·r→-ωt+φ2)]]>En=E0cos(k→n·r→-ωt+φn)]]>同樣控制光束的數(shù)目、各光束的相對相位、各光束的光強大小就可精確制備出周期光柵。如果改變各光束的相位差，可得到不同的空間陣列分布。
注意對體內(nèi)光柵的制備要考慮樣品的折射率與空氣不同，光柵結構的周期應采用修正的公式d＝λs/2sinθs＝λair/2sinθair一維光柵的制備利用合適的光束分束器將激光分成兩束同相位或者固定相位差的光束干涉即可；對于復頻光柵的制備，調(diào)制兩光束之間夾角并在樣品上已經(jīng)制備光柵的位置再次寫入即可得到。
二維光柵的制備利用合適的光束分束器將激光分成三束或多束同相位或者固定相位差的光束，可用來制作二維結構光柵。對于不同角度復用的光柵，旋轉樣品不同角度進行曝光可制備得到。也可以將光束分束器旋轉，或采用分束器輸出的不同光束干涉得到。
三維光柵的制備根據(jù)光柵結構設計的需要，利用合適的分束器將激光束分成多束干涉得到。
(四)樣品加工平臺的控制同第一種方法中所述。
(五)曝光控制同第一種方法中所述。
(六)光柵檢測同第一種方法中所述。
本發(fā)明的利用超短激光脈沖實現(xiàn)全息存儲的方法是在本發(fā)明的光柵器件制備方法中，分光系統(tǒng)分光后的一光束通過一個空間光調(diào)制器耦合上信息信號，耦合上信息信號的光束與參考光束干涉，記錄到雙光子吸收聚合材料介質(zhì)上，寫入的光柵結構即為帶有信息信號的全息光柵；通過選擇聚焦透鏡控制光柵陣列寫入位置，可得到高密度多層全息存儲。
本發(fā)明的制備光柵器件的方法具有如下優(yōu)點(1)光柵器件制備速度快。根據(jù)超快激光脈沖的特性，單個激光脈沖即能完成制備，原則上單脈沖寫入速度可達到激光重復頻率量級。
(2)適合集成器件的加工。根據(jù)雙光子吸收材料的優(yōu)點，容易在樣品體內(nèi)精密制備一維、二維或三維小周期光柵；將激光干涉光束聚焦到樣品體內(nèi)，可在樣品體內(nèi)多層制備；或將各種器件直接連接成一體，結構精致緊湊，減少各種損耗。
(3)制備的光柵器件質(zhì)量好。超短激光單脈沖與樣品作用時間極短，可以避免熱積累效應和機械震動等不良因素的影響；雙光子吸收材料制備的光柵結構細銳，衍射效率高。
本發(fā)明的實現(xiàn)全息存儲的方法具有如下優(yōu)點(1)全息寫入速度快。根據(jù)超快激光脈沖的特性，單個激光脈沖即能完成信息記錄，原則上單脈沖寫入速度可達到激光重復頻率量級。
(2)高密度存儲，容量大。雙光子吸收的空間局域和超短脈沖激光的特性決定了高密度全息存儲容量大；在單層材料上可寫入光柵陣列，進行多層記錄，存儲容量更高。
(3)可用于集成器件進行信息處理。雙光子吸收有機聚合物材料適合集成器件制備。
(4)全息寫入質(zhì)量好。超短激光單脈沖與樣品作用時間極短，可以避免熱積累效應和機械震動等不良因素的影響；雙光子吸收材料制備的光柵結構細銳，衍射效率高。
圖4為圖3所示光柵的1級布拉格衍射圖像。
圖中，1-超短脈沖激光器，2-激光光束，3-能量衰減器，4-快門，5-分束器，6-能量計，7-計算機，8-半透半反鏡，9-反射鏡，10-光學延遲線，11-聚焦透鏡，12-樣品，13-樣品移動平臺，14-信號線，15-光束分束器，16-小孔光闌陣列，17-準直透鏡，18-聚焦透鏡。
實施例1如圖1所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍寶石飛秒激光器，其輸出的激光束的波長為800nm(納米)、脈寬為120fs(飛秒)，激光的平均功率為700mW，采用能量衰減器3控制寫入激光能量大小，快門4選取單個激光脈沖，分束器5分出小部分光用能量計6探測能量。激光束2單脈沖能量約為400uJ，經(jīng)過半透半反鏡8將激光分成能量相同的兩束光，其中一束經(jīng)過一個光學延遲線10，另一束光由反射鏡9反射，同時利用聚焦透鏡11聚焦到樣品12上，微調(diào)反射鏡9和聚焦透鏡11讓兩束光在樣品12表面位置上重疊。樣品移動平臺13控制制備光柵的位置，計算機7通過信號線14對快門4、能量計6和樣品移動平臺13進行同步操作。
采用的樣品配置如下成膜劑醋酸纖維素(CAB)，占樣品重量50.28％；單體2-苯氧基乙基丙烯酸酯(POEA)，占樣品重量46.55％；引發(fā)劑1，1’，2，2’-二(鄰氯苯基)-4，4’，5，5’-四苯基雙咪唑，占樣品重量1.19％；鏈轉移劑4-甲基-4氫-1，2，4-三唑-3-硫醇，占樣品重量1.91％；光敏劑2，7-雙[(4-二甲胺基)-苯基]亞甲基環(huán)庚酮，占樣品重量0.07％。
配成的樣品涂在玻璃基片上，涂層厚度為40μm。當激光分束后的兩個光束的夾角是14度時，制備得到光柵的空間周期為3.4μm，其圖像如圖3所示。利用He-Ne激光器測量光柵衍射情況，其一級布拉格衍射圖像如圖4所示。經(jīng)過120℃熱化學定影后，衍射效率提高到54％以上。
根據(jù)公式Δn=λπdcosγarcsinη]]>，只要選取折射率調(diào)制度(Δn)大的聚合物材料，考慮樣品薄膜的厚度(d)就可以使衍射效率達到近100％。
實施例2如圖2所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍寶石飛秒激光器，其輸出的激光束2波長為800nm(納米)、脈寬為120fs(飛秒)，激光的平均功率為700mW，采用能量衰減器3控制寫入激光能量大小，快門4選取單個激光脈沖，分束器5分出小部分光用能量計6探測能量。激光束2的單脈沖能量約為400μJ。經(jīng)過光束分束器15將激光分成能量相同、對稱分布的光束，通過準直透鏡17進行準直，再經(jīng)小孔光闌陣列16選取對稱的兩束光，同時利用聚焦透鏡18聚焦到樣品12上，兩束光在樣品12表面位置上重合。樣品移動平臺13控制樣品制備光柵的位置，計算機7通過信號線14對快門4、能量計6和樣品移動平臺13進行同步操作。
采用樣品配置同實施例1所述，—維光柵制備結果與實施例1也相同。
權利要求
1.利用超短激光脈沖實現(xiàn)光柵器件的方法，其特征是將超短激光光源輸出的超短激光單脈沖，通過分光系統(tǒng)分成兩束或多束，入射到雙光子吸收聚合物材料樣品的表面或體內(nèi)擬加工光柵的位置上，調(diào)節(jié)光束之間的時空重疊，得到干涉的光強明暗分布，明亮照射區(qū)域聚合形成光柵；通過選擇光束的數(shù)目，各光束之間的夾角、相位和強度有關參數(shù)，制備出所設計的一維、二維或三維微小周期光柵結構。
2.如權利要求1所述的利用超短激光脈沖實現(xiàn)光柵器件的方法，其特征是所述超短激光光源為皮秒或飛秒脈沖激光器。
3.如權利要求1或2所述的利用超短激光脈沖實現(xiàn)光柵器件的方法，其特征是所述分光系統(tǒng)為半透半反鏡，超短激光光束經(jīng)過半透半反鏡分成兩束，其中一束經(jīng)過光學延遲線調(diào)節(jié)時間，實現(xiàn)時間上的重合。
4.如權利要求1或2所述的利用超短激光脈沖實現(xiàn)光柵器件的方法，其特征是所述分光系統(tǒng)為光束分束器，超短激光光束經(jīng)過分束器分成多束同相位或者固定相位差的光束。
5.利用超短激光脈沖實現(xiàn)全息存儲的方法，其特征是在如權利要求1所述的光柵器件制備方法中，分光系統(tǒng)分光后的一光束通過一個空間光調(diào)制器耦合上信息信號，耦合上信息信號的光束與參考光束干涉，記錄到雙光子吸收聚合材料介質(zhì)上，寫入的光柵結構即為帶有信息信號的全息光柵；通過選擇聚焦透鏡控制光柵陣列寫入位置，可得到高密度多層全息存儲。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用超短激光脈沖制備光柵器件的方法以及實現(xiàn)全息存儲的方法。制備光柵器件的方法是將超快激光的單脈沖通過分光系統(tǒng)分成兩束或多束激光，入射到雙光子吸收聚合物材料樣品的表面或體內(nèi)，在時間、空間上重疊，得到干涉條紋；通過調(diào)制入射激光所分離出來光束的數(shù)目，各束激光之間的夾角、相位和強度等有關參數(shù)，可制備出所設計的一維、二維或三維微小周期光柵結構。實現(xiàn)全息存儲的方法是在光柵器件制備方法中，分光后的一光束通過空間光調(diào)制器耦合上信息信號，信息信號光束與參考光束干涉，記錄到雙光子吸收聚合材料介質(zhì)上，寫入的光柵結構即為帶有信息信號的全息光柵，通過控制光柵陣列寫入位置可得到高密度多層全息存儲。
文檔編號G02B6/124GK1400479SQ0213124
公開日2003年3月5日 申請日期2002年9月19日 優(yōu)先權日2002年9月19日
發(fā)明者蔣紅兵, 郭亨長, 郭紅滄, 楊宏, 龔旗煌 申請人:北京大學