基于堿鹵化物色心晶體的中紅外體布拉格光柵的制作方法
【專利摘要】描述了一種工作在光譜的中紅外區(qū)域的體布拉格光柵裝置以及該裝置的制造方法?？梢酝ㄟ^在堿鹵化物晶體內形成多個色心，并選擇性地去除多個色心的子集而在中紅外光譜區(qū)域內產生堿鹵化物晶體的折射率的改變，從而制造出工作在中紅外光譜范圍的體布拉格光柵。
【專利說明】基于堿鹵化物色心晶體的中紅外體布拉格光柵
[0001] 優(yōu)先權和相關專利申請
[0002] 本專利申請要求于2012年1月12日提交的、題為"MIDDILE-INFRARED VOLUMTRIC BRAGG GRATING BASED ON LIF COLOR CENTER CRYSTALS" 的美國臨時專利申請 No. 61/586, 086的優(yōu)先權和權益，其公開內容通過引用并入本文。

【技術領域】
[0003] 本申請一般地涉及用于在中紅外光譜范圍內的體布拉格光柵的應用的色心晶體。

【背景技術】
[0004] 體布拉格光柵（VBG)可以實現(xiàn)為折射率的周期性改變形式的體透明材料的布拉 格光柵，其與入射光相互作用，以在滿足布拉格條件的一個或多個布拉格波長處產生較大 的反射率。VBG可以用于多種光學裝置和系統(tǒng)中，并且是研發(fā)緊湊型窄線激光器系統(tǒng)的關鍵 部件。目前，許多VBG使用透射光譜范圍介于0. 3 μ m到2. 7 μ m之間的光折射玻璃。


【發(fā)明內容】

[0005] 所公開的實施例涉及體布拉格光柵裝置以及該裝置的制造方法，該體布拉格光柵 基于工作在中紅外區(qū)域的具有色心的堿鹵化物晶體。這樣的裝置可以用多種方式被實現(xiàn)為 使其是光穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的，并且可以使用相對低功率的激光器來批量制造。
[0006] 所公開的實施例的一個方面涉及一種包括堿鹵化物晶體的體布拉格光柵裝置，該 堿鹵化物晶體包含多個色心，在中紅外光譜范圍內具有寬光譜透明度。堿鹵化物晶體被結 構化成，通過選擇性地去除多個色心的至少一個子集而在中紅外光譜范圍內表現(xiàn)出堿鹵化 物晶體的折射率的改變，從而形成工作在中紅外光譜范圍內的體布拉格光柵。
[0007] 在一個示例性實施例中，堿鹵化物晶體為氟化鋰（LiF)晶體。在另一示例性實施 例中，通過對色心的子集進行光致褪色而將堿鹵化物晶體結構化。在又一示例性實施例中， 在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，體布拉格光柵可以表現(xiàn)出介于大約10%以上到接近 100%的效率。根據(jù)再一示例性實施例，體布拉格光柵包括按照由選擇性地去除多個色心所 導致的折射率的空間改變而形成的溝槽或區(qū)域。
[0008] 在一個示例性實施例中，選擇性地去除包括對多個色心的子集進行光致褪色。在 另一示例性實施例中，在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，折射率的改變至少為10'根 據(jù)另一示例性實施例，通過電離輻射和/或添加劑或電解著色，在堿鹵化物晶體中形成多 個色心。在另一示例性實施例中，體布拉格光柵被配置成作為激光腔的反射器或輸出耦合 器工作。另一不例性實施例涉及一種包括上述體布拉格光柵的激光器系統(tǒng)，其中體布拉格 光柵被配置成作為該激光器系統(tǒng)的激光腔的高反射鏡工作。
[0009] 所披露的實施例的另一方面涉及一種用于制造體布拉格光柵裝置的方法，包括獲 得包含多個色心的堿鹵化物晶體，并選擇性地去除多個色心的子集，以在中紅外光譜范圍 內產生堿鹵化物晶體的折射率的改變，從而制造出工作在中紅外光譜范圍內的體布拉格光 柵。
[0010] 在一個示例性實施例中，堿鹵化物晶體為氟化鋰（LiF)晶體。根據(jù)另一示例性實 施例，獲得包含多個色心的堿鹵化物晶體包括：將堿鹵化物晶體暴露于電離輻射和/或通 過添加劑或電解著色，形成多個色心。在一個示例性實施例中，選擇性地去除多個色心的子 集包括對色心的子集進行光致褪色。例如，光致褪色可包括：(a)將包括多個色心的堿鹵化 物晶體暴露于激光束，以形成第一溝槽或區(qū)域，（b)移動堿鹵化物晶體的位置，（c)在移動 之后，將堿鹵化物晶體暴露于激光束，以形成第二溝槽或區(qū)域，以及（d)重復步驟（b)和（c) 預定的次數(shù)，以形成附加的溝槽或區(qū)域。所形成的溝槽或區(qū)域形成空間周期性的光柵圖案。 在一個示例性實施例中，選擇性地去除多個色心的子集包括：將兩個或更多個相干光束引 向堿鹵化物晶體，以使得利用該兩個或更多個光束的干涉圖案來形成體布拉格光柵。
[0011] 根據(jù)一個示例性實施例，選擇性地去除多個色心的子集是通過電子束或離子束刻 蝕來進行的。在另一示例性實施例中，在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，折射率的改變 至少為1〇_4。在又一示例性實施例中，選擇性地去除多個色心產生折射率的空間改變，該折 射率的空間改變形成體布拉格光柵的多個溝槽或區(qū)域。在再一示例性實施例中，在覆蓋大 約1到6微米的光譜范圍內，體布拉格光柵可以表現(xiàn)出從大約10%到接近100%的范圍內 的效率。在另一不例性實施例中，體布拉格光柵是一種相位光柵，實現(xiàn)至少1. 56微米的光 的衍射。
[0012] 此外，提供一種使用由具有色心的堿鹵化物晶體所形成的體布拉格光柵對中紅外 光譜范圍內的光進行衍射以在滿足布拉格條件的特定波長處產生光學反射的方法。在該方 法中，在室溫下，在中紅外光譜范圍下表現(xiàn)為光學透明并且在可見或近紅外光譜范圍表現(xiàn) 出光學吸收的堿鹵化物色心晶體，被暴露于在中紅外光譜范圍內的入射光束下。將堿鹵化 物色心晶體結構化成包括色心的永久性空間周期性光柵圖案，其在中紅外光譜范圍內在堿 鹵化物色心晶體的折射率方面具有足夠大的空間周期性調制，從而實現(xiàn)相位布拉格光柵。 對永久性空間周期性光柵圖案相對于入射光束的取向進行控制，以在布拉格條件下對入射 光束的光進行衍射，從而在中紅外光譜范圍內產生光學反射。
[0013] 在附圖、說明書和權利要求書中更詳細地描述了這些和其他方面以及實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1 (a)是具有色心的LiF晶體樣品的示例性吸收光譜的UV-可見部分。
[0015] 圖1 (b)是具有色心的LiF晶體樣品的示例性吸收光譜的可見-近紅外部分。
[0016] 圖2 (a)是針對LiF晶體理論計算出（按照公式（4))的折射率改變作為波長的函 數(shù)的曲線的UV-近紅外部分的示例。黑色虛線考慮了樣品中的所有色心。實線僅考慮了兩 個主帶（F和F 2&F3)的吸收。
[0017] 圖2(b)是針對LiF晶體理論計算出（按照公式（4))的折射率改變作為波長的函 數(shù)的曲線的近紅外-中紅外部分的示例。實線僅考慮了兩個主帶的吸收。
[0018] 圖3表示根據(jù)示例性實施例的用于制造 VBG的結構。
[0019] 圖4表示根據(jù)示例性實施例，在利用Ti-藍寶石激光器（790nm，400mW，lkHz，35fs， 5秒曝光）照射前后，在514nm氬激光器激發(fā)下測得的LiF CC晶體的光致發(fā)光（PL)光譜。 曲線（a)相應于照射之前的PL光譜，曲線（b)相應于照射之后立即從晶體的靠近褪色帶的 區(qū)域采集的PL光譜，曲線（c)相應于在照射之后立即從晶體的褪色帶區(qū)域采集的PL光譜， 曲線（d)相應于在激光照射之后大約12小時的褪色帶的PL光譜。
[0020] 圖5 (a)表示根據(jù)示例性實施例的在制造之后的短時間，測量的積分的650-700n 處光致發(fā)光強度的改變作為距具有12 μ m溝槽間距的光柵的開頭的距離的函數(shù)。
[0021] 圖5(b)表示圖5(a)的放大以表示在距光柵開頭介于500到600 μ m之間的距離 處的光致發(fā)光強度的改變的一部分。
[0022] 圖5(c)表示根據(jù)示例性實施例的在制造之后大約12小時，測量的積分的 650-700nm處光致發(fā)光強度的改變作為距表征在圖5(a)所示的光柵的開頭的距離的函數(shù)。
[0023] 圖5(d)表示圖5(c)的放大以表示在距離光柵開頭介于500到600 μ m之間的距 離處的光致發(fā)光強度的改變的一部分。
[0024] 圖6 (a)表示根據(jù)示例性實施例的在制造之后的短時間，測量的積分的650_700nm 處光致發(fā)光強度的改變作為距具有24 μ m溝槽間距的光柵的開頭的距離的函數(shù)。
[0025] 圖6(b)表示圖6(a)的放大以表示在距光柵開頭介于500到600 μ m之間的距離 處的光致發(fā)光強度的改變的一部分。
[0026] 圖6(c)表示根據(jù)示例性實施例的在制造之后大約12小時，測量的積分的 650-700nm處光致發(fā)光強度的改變作為距表征在圖6(a)所示的光柵的開頭的距離的函數(shù)。
[0027] 圖6(d)表示圖6(c)的放大以表示在距光柵開頭介于500到600 μ m之間的距離 處的光致發(fā)光強度的改變的一部分。
[0028] 圖7表不根據(jù)不例性實施例的用于表征光柵的結構。
[0029] 圖8表示根據(jù)示例性實施例的可以被執(zhí)行以制造體布拉格光柵的一組操作。
[0030] 圖9表示根據(jù)示例性實施例的可以被執(zhí)行以使用由具有色心的堿鹵化物晶體所 形成的體布拉格光柵對中紅外光譜范圍內的光進行衍射，從而產生光學反射的一組操作。

【具體實施方式】
[0031] 色心（CC)是晶體內的點晶格缺陷，其在不同的透明的晶體中產生光學吸收帶。許 多年以來，具有色心（CC)的堿鹵化物晶體已經作為可調諧固體激光器的有源介質和作為 無源Q開關而為人們所知。在不同的堿鹵化物晶體中，氟化鋰（LiF)是經常被使用的材料， 部分原因在于其是非吸濕的，并且即便在室溫下也展示CC的高穩(wěn)定性。近年來的研究興趣 已經轉移到這些材料可能的基于其光折射性質的光子學應用。這些應用中的一些基于在具 有色心的晶體中的光致光柵和波導的制造。
[0032] 在室溫下工作在2-6 μ m的中紅外激光器的最新的進展，促進了用于這些激光器 的新型光折射材料的發(fā)展，因為使用光折射玻璃制造的VBG不能工作在中紅外區(qū)域。
[0033] 工作在中紅外（中-IR)光譜范圍的光折射材料對于具有多種潛在應用的新型緊 湊的中紅外激光器系統(tǒng)的發(fā)展是非常重要的。這種應用的示例包括但不限于：分子光譜學、 非侵入醫(yī)學診斷、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測、大氣感測、自由空間通訊、石油勘探以及許多與 防御有關的應用，如紅外干擾、監(jiān)測彈藥處置以及遠距離檢測爆炸危險。
[0034] 諸如氟化鋰（LiF)晶體的堿鹵化物晶體在中紅外區(qū)域具有寬的透明度。不過，從 這些堿鹵化物晶體嘗試著制造 VBG，這在商業(yè)上是不可行的。部分是因為，為了對晶體的結 構標上永久的修改而導致晶體的折射率的改變，需要用高強度飛秒激光輻射照射晶體。
[0035] 幾個研究組已經對具有分布反饋（DFB)的色心激光器進行了研究。在近紅外區(qū)域 882-962nm中已經實現(xiàn)了具有F 2+CC的LiF的可調諧激光振蕩，并且使用兩個泵浦光束的干 涉，已經實現(xiàn)了晶體中的動態(tài)增益光柵。在一些系統(tǒng)中，通過改變泵浦光束的入射角來獲得 DFB激光器的調諧。在一些系統(tǒng)中，通過基于由UV激光器所形成的干涉圖案由色心的光致 褪色而形成的增益元件，獲得具有永久光柵的DFB CC激光。在一種系統(tǒng)中，通過基于利用 兩個飛秒Ti :藍寶石激光束的全息技術制造永久光柵，在709nm處產生LiF:F2 CC晶體的分 布反饋激光振蕩。
[0036] 迄今為止進行的多種研究一直聚焦在CC晶體（CCC)在可見和近紅外光譜范圍的 光折射性質，該光譜范圍內折射率的改變較大，并且在有些情形中，接近或達到折射率改變 的最大值。LiF具有較寬的透射帶，能潛在地工作在高達6μπι的中紅外波長。通過電離輻 射或添加劑/電解著色制備而成的多種LiF:CC晶體，在可見和近紅外光譜范圍表現(xiàn)出強吸 收帶。在這類晶體中，可使用色心的空間選擇性色心光致褪色，產生LiF晶體的折射率的空 間圖案或調制。在色心被光致褪色的每個位置處，色心被去除，從而該位置處不再表現(xiàn)出已 經被光致褪色的特定色心的光吸收。LiF:CC晶體傾向于在中紅外光譜范圍不具有強吸收 帶。由于強吸收帶通常與折射率值的顯著改變相關，在LiF:CC晶體中在中紅外光譜范圍的 強吸收帶的這種缺少被認為是LiF:CC晶體不能為形成在中紅外光譜范圍內具有可用的光 柵衍射效率的體布拉格光柵（VBG)結構提供顯著的折射率改變。此外，LiF:CC晶體被認為 具有熱和光致不穩(wěn)定性，因而不適于在日光和環(huán)境溫度或室溫下的應用和使用。
[0037] 不過，可以將LiF:CC晶體和其他具有CC的堿鹵化物晶體加工成具有針對在中紅 外光譜范圍中的工作的有吸引力和所期望的獨特的性質。例如，由無羥基LiF晶體制成的 LiF CCC特征在于較大（?14ev)的帶隙，其不表現(xiàn)出淺施主和受主CC，因而不具有對中紅 外光譜范圍的光的吸收。結果，當晶體在中紅外光譜范圍的光的照射下時，傾向于沒有色心 的光致褪色。因此，LiF:CC體布拉格光柵（VBG)結構在高光學密度中紅外輻射下是穩(wěn)定的。 另一個例子，LiF晶體傾向于表現(xiàn)出寬的透明帶（例如，包括高達6μηι的中紅外光譜范圍） 并且可以用作工作在從1. 5 μ m到6 μ m的光譜范圍的Er3+，Ho3+，Tm3+Cr2+，F(xiàn)e 2+激光器的色 散元件。注意，如下面所述的示例性實施例所說明的，盡管在LiF:CC晶體中缺少在中紅外 光譜范圍內的強吸收帶，不過可以將其結構化成表現(xiàn)出折射率的足夠大的改變，以在用于 多種應用時在中紅外光譜范圍內提供穩(wěn)定且有效的體布拉格光柵（VBG)結構。對處于布拉 格波長或其附近的入射光在VBG的布拉格條件下，即便是晶體中弱的折射率調制也足以實 現(xiàn)相當大的光學反射，諸如后反射。因此，在填充需求空白方面，基于LiF的光柵具有吸引 力，這部分是因為，由玻璃材料制造的各種通常使用的VBG不能有效地工作于各個中紅外 波長，例如長于3 μ m的波長。
[0038] 所公開的實施例說明了 CCC作為工作在中紅外光譜范圍的VBG裝置的介質的可 行性?？梢酝ㄟ^光致褪色或其他褪色技術在選定的空間位置將LiF:CC晶體中的色心褪 色或者去除，以在該晶體中產生折射率的空間周期性調制，其足以實現(xiàn)用于LiF:CC晶體是 光學透明的并且不表現(xiàn)出強的光學吸收的中紅外光譜范圍的VBG。根據(jù)一些實施例，通過 對CC的光致褪色在LiF:CC晶體中制造衍射光柵，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應的所公開的實施例，可以提供從大約10% 到接近100%的范圍內的VBG效率，這對于各種光子學應用是足夠的，諸如用于光耦合器或 激光腔的高反射鏡。在一個示例性實施例中，在覆蓋中紅外光譜范圍的至少1-6 μ m光譜范 圍內，對于l_3cm長的晶體可實現(xiàn)大約60%的效率。衍射效率是測量與入射到衍射元件上 的功率相比，有多少光功率被衍射到指定的方向。
[0039] 應當注意，在本說明書中使用LiF晶體和LiF:CCC作為例子來說明所披露的實施 例的原理。本說明書所描述的多個技術特征可以應用于其他具有色心的堿鹵化物晶體，且 與其相關。
[0040] 首先，考慮由CC引起的在LiF中的折射率的改變。輻射在吸收性介質中的傳播用 復折射率

【權利要求】
1. 一種工作在中紅外光譜范圍內的體布拉格光柵裝置，包括： 包括多個色心的堿鹵化物晶體，在中紅外光譜范圍內具有寬的光譜透明度，通過選擇 性地去除所述多個色心的至少一個子集，所述堿鹵化物晶體被結構化成在所述中紅外光譜 范圍內表現(xiàn)出所述堿鹵化物晶體的折射率的改變，從而形成工作在所述中紅外光譜范圍內 的體布拉格光柵。
2. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，所述堿鹵化物晶體是氟化鋰（LiF)晶體。
3. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，通過對色心的所述子集的光致褪色而對所述堿鹵化 物晶體結構化。
4. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，所述折射率的 改變至少為10'
5. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，所述體布拉格 光柵表現(xiàn)出大約10%到100%的范圍內的效率。
6. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，所述體布拉格光柵包括按照由選擇性地去除所述多 個色心所導致的折射率的空間改變而形成的溝槽。
7. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，所述選擇性地去除包括對所述多個色心的所述子集 進行光致褪色。
8. 根據(jù)權利要求1的裝置，其中，通過電離輻射和/或添加劑或電解著色，在所述堿鹵 化物晶體內形成所述多個色心。
9. 根據(jù)權利要求1的裝置，進一步被配置成作為激光腔的輸出耦合器或反射器工作。
10. -種制造工作在中紅外光譜范圍內的體布拉格光柵裝置的方法，包括： 獲得包括多個色心的堿鹵化物晶體；和 選擇性地去除所述多個色心的子集，以在所述中紅外光譜范圍內產生所述堿鹵化物晶 體的折射率的空間改變，以便實現(xiàn)工作在中紅外光譜范圍內的體布拉格光柵。
11. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，所述堿鹵化物晶體是氟化鋰（LiF)晶體。
12. 根據(jù)權利要求10的方法，其中獲得包括所述多個色心的所述堿鹵化物晶體包括： 將所述堿鹵化物晶體暴露于電離輻射和/或通過添加劑或電解著色，形成所述多個色心。
13. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，選擇性地去除所述多個色心的所述子集包括對色 心的所述子集進行光致褪色。
14. 根據(jù)權利要求13的方法，其中，光致褪色包括： (a) 將包括所述多個色心的所述堿鹵化物晶體暴露于激光束，以形成第一溝槽； (b) 移動所述堿鹵化物晶體的位置； (c) 在所述移動之后，將所述堿鹵化物晶體暴露于所述激光束，以形成第二溝槽；以及 (d) 重復步驟（b)和（c)預定的次數(shù)，以形成附加的溝槽。
15. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，選擇性地去除所述多個色心的所述子集包括：將兩 個或更多個相干光束引向所述堿齒化物晶體，以使得使用兩個或更多個光束的干涉圖案來 形成所述體布拉格光柵。
16. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，通過電子或離子束刻蝕執(zhí)行選擇性地去除所述多 個色心的所述子集。
17. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，折射率的改 變至少為10'
18. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，選擇性地去除所述多個色心產生折射率的空間改 變，該折射率的空間改變形成所述體布拉格光柵的多個溝槽。
19. 根據(jù)權利要求10的方法，其中，在覆蓋大約1到6微米的光譜范圍內，體布拉格光 柵表現(xiàn)出大約10%到100%的效率。
20. -種包括權利要求1的體布拉格光柵裝置的激光器系統(tǒng)，其中，所述體布拉格光柵 裝置被配置成工作為所述激光器系統(tǒng)的激光腔的輸出耦合器或反射器。
21. -種使用由具有色心的堿鹵化物晶體形成的體布拉格光柵對中紅外光譜范圍的光 進行衍射從而產生光學反射的方法，包括： 將在中紅外光譜范圍表現(xiàn)光學透明、并且在可見或近紅外光譜范圍表現(xiàn)光學吸收的堿 鹵化物色心晶體暴露于中紅外光譜范圍內的入射光束，將所述堿鹵化物色心晶體結構化成 包括色心的永久性空間周期性光柵圖案，所述永久性空間周期性光柵圖案在所述中紅外光 譜范圍內在所述堿鹵化物色心晶體的折射率方面具有足夠大的空間周期性調制，從而實現(xiàn) 相位布拉格光柵；和 控制所述永久性空間周期性光柵圖案相對于所述入射光束的取向，以在布拉格條件下 對所述輸入光束的光進行衍射，從而在中紅外光譜范圍內產生光學反射。
22. 根據(jù)權利要求21的方法，其中，通過將堿鹵化物晶體暴露于電離輻射和/或添加劑 或電解著色，在所述堿鹵化物色心晶體中形成色心。
23. 根據(jù)權利要求21的方法，其中，通過光致褪色在所述堿鹵化物色心晶體中形成色 心的所述永久空間周期性光柵圖案。
24. 根據(jù)權利要求21的方法，其中，通過電子或離子束刻蝕在堿鹵化物色心晶體中形 成色心的所述永久空間周期性光柵圖案。
25. 根據(jù)權利要求21的方法，其中，所述入射光束的波長處于2 μ m到6 μ m的范圍。
26. 根據(jù)權利要求21的方法，包括在室溫下操作所述堿鹵化物色心晶體。
27. 根據(jù)權利要求21的方法，包括將所述堿鹵化物色心晶體包括為激光腔的一部分， 以使用所述相位布拉格光柵在激光腔中提供光學反射。
【文檔編號】G02B6/26GK104303379SQ201380011130
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年1月14日 優(yōu)先權日:2012年1月12日
【發(fā)明者】A·阿魯姆加姆, D·V·馬蒂什金, V·V·費德洛夫, D·J·希爾頓, S·B·米羅威 申請人:Uab研究基金會