上海光機所在體布拉格光柵角度放大器研究方面取得進展

2021-01-04 中國科學院
上海光機所在體布拉格光柵角度放大器研究方面取得進展

2019-03-18 上海光學精密機械研究所

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語音播報

　　中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室和高功率雷射單元技術實驗室聯合針對光束大角度偏轉系統中的角度放大器——級聯復用體布拉格光柵進行了優化設計，成功製備出了工作波長為1064nm的3塊4通道復用體布拉格光柵，級聯得到的角度放大器具有12個通道，各通道的衍射效率均達80%以上，並具有良好的偏振無關特性。將該角度放大器與小角度連續偏轉放大器件如液晶光學相控陣相結合可實現光束在±45°角範圍的一維空間大角度連續偏轉。

　　非機械光束偏轉技術廣泛應用於雷射雷達、自由空間光通信、高能雷射系統等領域。大角度空域掃描在微波頻段容易實現，而在近紅外光波段，由於受到工藝水平及物理極限的限制，目前使用的單一器件如液晶光學相控陣(LCOPA)或者液晶偏振光柵等只能在小角度範圍內連續偏轉。為了實現高能雷射系統中的空間大角度光束連續偏轉，目前已有的一種方案是雙LCOPA加體布拉格光柵的方法：第一層LCOPA通過對雷射光束的小角度轉向實現對全息光柵的照射部位選擇，然後利用體布拉格光柵(VBG)實現雷射光束的離散大角度偏轉，最後利用LCOPA實現對出射光束偏轉角度的精確控制和填充。目前，國際上關於VBG作為角放大器的研究除幾項專利技術外，深入系統的理論研究和實驗上的實現尚未見報導。

　　在該項研究中，研究人員綜合考慮了光熱敏折變玻璃的最大折射率調製範圍、較小的吸收損耗和走離距離要求、多通道之間的串擾影響，以及雷射發散角對體光柵衍射效率的影響等因素後，進行了角度放大器的多參數優化設計。理論分析結果表明，光熱敏折變玻璃的最大折射率調製範圍和雷射光束的發散角是限制體光柵各通道最大衍射效率的主要因素。多塊多通道復用體光柵級聯的方式可以有效解決這一問題。此外，通過對稱的光柵通道設計，每塊4通道光柵只需搭建2套曝光光路，大大提高了復用體光柵的製備效率。將多次曝光和單次熱處理得到的幾塊復用體光柵依次級聯，實驗上實現了-45°~45°的一維大角度離散偏轉，各通道衍射效率達80%以上並表現出偏振無關特性。該項工作為基於復用體光柵的角度放大器的理論設計和實驗製備提供了清晰詳實的指導，對促進復用體光柵在光束大角度連續偏轉系統中的應用具有重要意義，同時也為基於復用體光柵的二維角度放大器的實現奠定了基礎。

　　該研究成果已被Optics Express [Optics Express, 2018, 26(19), 25336]在線發表，並作為當期亮點文章進行報導。

 

圖1 一維連續角度偏轉系統(左)和多塊多路復用體布拉格光柵級聯角度放大器(右) 

 

圖2 TE偏振態(a)和TM偏振態(b)下角度放大器各個通道的角度選擇性曲線 

　　中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室和高功率雷射單元技術實驗室聯合針對光束大角度偏轉系統中的角度放大器——級聯復用體布拉格光柵進行了優化設計，成功製備出了工作波長為1064nm的3塊4通道復用體布拉格光柵，級聯得到的角度放大器具有12個通道，各通道的衍射效率均達80%以上，並具有良好的偏振無關特性。將該角度放大器與小角度連續偏轉放大器件如液晶光學相控陣相結合可實現光束在±45°角範圍的一維空間大角度連續偏轉。
　　非機械光束偏轉技術廣泛應用於雷射雷達、自由空間光通信、高能雷射系統等領域。大角度空域掃描在微波頻段容易實現，而在近紅外光波段，由於受到工藝水平及物理極限的限制，目前使用的單一器件如液晶光學相控陣(LCOPA)或者液晶偏振光柵等只能在小角度範圍內連續偏轉。為了實現高能雷射系統中的空間大角度光束連續偏轉，目前已有的一種方案是雙LCOPA加體布拉格光柵的方法：第一層LCOPA通過對雷射光束的小角度轉向實現對全息光柵的照射部位選擇，然後利用體布拉格光柵(VBG)實現雷射光束的離散大角度偏轉，最後利用LCOPA實現對出射光束偏轉角度的精確控制和填充。目前，國際上關於VBG作為角放大器的研究除幾項專利技術外，深入系統的理論研究和實驗上的實現尚未見報導。
　　在該項研究中，研究人員綜合考慮了光熱敏折變玻璃的最大折射率調製範圍、較小的吸收損耗和走離距離要求、多通道之間的串擾影響，以及雷射發散角對體光柵衍射效率的影響等因素後，進行了角度放大器的多參數優化設計。理論分析結果表明，光熱敏折變玻璃的最大折射率調製範圍和雷射光束的發散角是限制體光柵各通道最大衍射效率的主要因素。多塊多通道復用體光柵級聯的方式可以有效解決這一問題。此外，通過對稱的光柵通道設計，每塊4通道光柵只需搭建2套曝光光路，大大提高了復用體光柵的製備效率。將多次曝光和單次熱處理得到的幾塊復用體光柵依次級聯，實驗上實現了-45°~45°的一維大角度離散偏轉，各通道衍射效率達80%以上並表現出偏振無關特性。該項工作為基於復用體光柵的角度放大器的理論設計和實驗製備提供了清晰詳實的指導，對促進復用體光柵在光束大角度連續偏轉系統中的應用具有重要意義，同時也為基於復用體光柵的二維角度放大器的實現奠定了基礎。
　　該研究成果已被Optics Express [Optics Express, 2018, 26(19), 25336]在線發表，並作為當期亮點文章進行報導。
 
圖1 一維連續角度偏轉系統(左)和多塊多路復用體布拉格光柵級聯角度放大器(右) 
 
圖2 TE偏振態(a)和TM偏振態(b)下角度放大器各個通道的角度選擇性曲線 

列印 責任編輯：葉瑞優

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