利用超短激光脉冲制备光栅器件和实现全息存储的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用超短激光脉冲制备光栅器件的方法以及实现全息存储的方法。制备光栅器件的方法是：将超快激光的单脉冲通过分光系统分成两束或多束激光，入射到双光子吸收聚合物材料样品的表面或体内，在时间、空间上重叠，得到干涉条纹；通过调制入射激光所分离出来光束的数目，各束激光之间的夹角、相位和强度等有关参数，可制备出所设计的一维、二维或三维微小周期光栅结构。实现全息存储的方法是：在光栅器件制备方法中，分光后的一光束通过空间光调制器耦合上信息信号，信息信号光束与参考光束干涉，记录到双光子吸收聚合材料介质上，写入的光栅结构即为带有信息信号的全息光栅，通过控制光栅阵列写入位置可得到高密度多层全息存储。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光栅及光电子学器件制备
和光学全息与信息处理
传统的光栅加工方法有机械刻划、离子束刻蚀、紫外写入和全息曝光等。前两种方法只能在样品表面制作光栅、工艺流程复杂、误差大、制作效率低、加工速度缓慢，对材料限制也很多。后两种方法虽然可以在样品体内写入，但不能在材料中实现多层制备，也不易于三维体集成。所以传统的技术对微型可集成器件中的光栅制作用途有限。在光学全息存储与信息处理领域，传统全息写入的方法基本为单光子吸收全息曝光技术，写入速度缓慢、制作效率低、信息存储量小、不能多层高密度存储。本专利技术的目的是提供一种利用超短激光单脉冲，在双光子吸收材料表面或体内，精密制备一维、二维或三维可集成光栅结构器件的方法。本专利技术的另一目的在于提供一种利用超短激光单脉冲，实现高密度全息快速写入的方法。本专利技术利用超短激光脉冲制备光栅器件的方法是将超短激光光源输出的超短激光单脉冲，通过分光系统分成两束或多束，入射到双光子吸收聚合物材料样品的表面或体内拟加工光栅的位置上，调节光束之间的时空重叠，即可得到干涉的光强明暗分布，明亮照射区域聚合形成光栅。通过选择光束的数目，各光束之间的夹角、相位和强度等有关参数，可制备出所设计的一维、二维或三维微小周期光栅结构。所述超短激光光源为皮秒或飞秒脉冲激光器。如输出波长为760-1220nm，重复频率为1Hz-200kHz的飞秒放大脉冲激光器或者兆赫兹量级的飞秒脉冲激光器。所述分光系统为半透半反镜，超短激光光束经过半透半反镜分成两束，其中一束经过可变光学延迟线改变其光程，利用相关测量原理，微调激光束之间的光程差，实现时间上的重合。所述分光系统还可以是各种光束分束器，超短激光光束经过分束器分成多束同相位或者固定相位差的光束，该多个光束时间零点基本重合，只要调制分光后的各束激光束之间的夹角、相位、强度，即可得到所设计的一维、二维或三维的空间周期干涉结构，对样品曝光即得到光栅。下面根据分光系统的不同，具体描述光栅器件制备的操作规程第一种方法采用半透半反镜的分光系统，制备装置如附图说明图1所示。(一)空间重叠的调制超短激光光源输出超短激光单脉冲经过半透半反镜分成两束，选取合适焦距和数值孔径的聚焦透镜将各光束聚焦，入射并重叠在样品的确定位置，利用CCD监视调节空间重叠情况。调节透镜焦点位置和重叠区域之间的距离，可得到合适大小的光斑。(二)时间重合的调制由半透半反镜分束所得两束光，在其中一束光束上加上光学延迟线，根据和频自相关测量原理，微调光束的相对光程，以实现两束光时间上重合，根据和频信号的强弱判断光束的时间上的重合。(三)光栅结构的设计和制备一维光栅结构的设计，一般只考虑空间周期。由公式d＝λ/2sin(θ/2)，调节两束入射激光之间夹角θ，得到相应空间周期。调节透镜焦点位置和重叠区域之间的距离，可得到大小合适的干涉区域。二维光栅结构的设计，周期控制方法如上述一维光栅制作方法相同，只需将样品绕两入射光束夹角平分线旋转一定角度。注意对体内光栅的制备要考虑样品的折射率与空气不同，光栅结构的周期应采用修正的公式d＝λs/2sinθs＝λair/2sinθair一维光栅的制备激光束分成两束光干涉即可；对于复频光栅的制备，调制两光束之间夹角并在样品上已经制备光栅的位置再次写入即可得到。二维光栅的制备在一维光栅制备之后，将样品绕两入射光束夹角平分线旋转90度，在原来样品上制作另一个正交一维光栅，即可得到二维光栅结构。对于其他角度复用的光栅，旋转不同角度即可得到。三维光栅的制备多次利用半透半反镜分成多光束，多光束干涉可制备三维光栅。(四)样品加工平台的控制根据需要选择在空间上移动位置精确到微米或纳米量级的精密移动平台，可以精密调节光栅制备的位置。精度要求不高时，也可采用一般的光学调节架。(五)曝光控制采用快门选取激光器输出的单个脉冲，当样品加工平台把样品移动到合适位置，快门打开放出一个脉冲完成光栅制备。制备二维光栅时，平台转动再打开快门放出一个脉冲完成制备。不采用快门时，只要配合激光输出重复率，选择一定速度移动样品也可以实现单脉冲写入。(六)光栅检测对于制备得到的光栅，其衍射效率是关键品质。利用He-Ne激光器等作为检测光源。根据光栅Bragg衍射公式，将He-Ne激光束入射到光栅上，调节检测激光的入射角度，得到最强的一级Bragg衍射。对比衍射光强与入射光强即得到衍射效率。第二种方法采用光束分束器的分光系统，制备装置如图2所示。(一)分光系统的调制激光光源输出激光脉冲入射到各种光束分束器，分成多束同相位或固定相位差的光束。先用合适的聚焦透镜将各束光准直平行传输，然后用合适焦距的聚焦透镜将平行光聚焦到样品上，即得到干涉条纹。只要调制分光后的激光束数目以及各激光束之间的夹角、相位、强度等参数，可得到所设计的一维、二维或三维的空间周期干涉结构，对样品曝光即得到光栅。(二)时空重叠系统的调制光束分束器分成的光束，采用合适聚焦透镜将光束聚焦到样品上即实现空间重合。对称分布的光束光程相等，不需要调节相位差即自动满足时间零点重合，不对称分布的光束可以在小孔光阑阵列对应小孔上进行相位补偿。如果分束器所分出光束比较多，可在各光束准直之后，加上一个小孔光阑阵列，选取其中合适的光束输出。(三)光栅结构的设计一维光栅结构的设计，选择适当的焦距的聚焦透镜，即可得到合适的光束夹角θ，从而得到相应周期。二维光栅结构的设计，利用多束光相干后的光强分布公式计算周期分布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为各光束经分束器和小孔光阑阵列及相位补偿后的相对相位。只要控制好所分光束的数目、各光束的相对相位、各光束的光强大小就可精确制备出周期光栅。如果改变各光束的相位差，可得到不同的阵列分布。三维光栅结构的设计，同样可用多束光相干后的光强叠加公式计算周期分布I=⟨|E1+E2+…+En|2⟩]]>E1=E0cos(k→1·r→-ωt+φ1)]]>E2=E0cos(k→2·r→-ωt+φ2)]]>En=E0cos(k→n&CenterDo本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用超短激光脉冲实现光栅器件的方法，其特征是：将超短激光光源输出的超短激光单脉冲，通过分光系统分成两束或多束，入射到双光子吸收聚合物材料样品的表面或体内拟加工光栅的位置上，调节光束之间的时空重叠，得到干涉的光强明暗分布，明亮照射区域聚合形成光栅；通过选择光束的数目，各光束之间的夹角、相位和强度有关参数，制备出所设计的一维、二维或三维微小周期光栅结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋红兵，郭亨长，郭红沧，杨宏，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]