高激光辐照通量下体布拉格光栅的衍射特性外文翻译资料

 2022-01-16 06:01

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高激光辐照通量下体布拉格光栅的衍射特性

张翔，1,2,3冯建生，1,3熊宝兴，1,2,3邹快胜，1,2,3肖远1,2,3

摘 要

研究了光致热折变玻璃(PTR)中的透射型体布拉格光栅(VBGs)在1274瓦每平方厘米的连续波光纤激光器照射下的衍射特性。研究了不同结晶温度条件下制备的透射型体布拉格光栅的温度特性。当体布拉格光栅温度升高到33摄氏度时，透射型体布拉格光栅的衍射效率降低了百分之2.7，纹波率降低了百分之1.59。利用透射型体布拉格光栅热膨胀引起的周期变化解释了衍射效率的降低圆心，实验数据结果与理论分析结果相吻合。

关键词： 激光损伤；体布拉格光栅；激光；光纤。

1. 介绍

在光致热折变(PTR)玻璃中记录的体布拉格光栅(VBG)具有良好的光学和机械力学性能。其衍射效率可达到99%以上，在角度范围0.1m rad至100m rad之间具有非常灵敏的角度选择性，在0.1 纳米至20纳米[1]之间的衍射谱宽较窄。体布拉格光栅在许多先进的激光应用中得到了十分广泛的应用，如角滤波[2]、输出光谱稳定的二极管激光器[ 3 ]和窄化、固态激光器的输出镜[ 4 - 5 ]和光纤激光器[ 6 ]。在高峰值功率脉冲激光作用下，在1054nm波长下，测量了1纳秒和8纳秒脉冲下光致热折变玻璃中记录的体布拉格光栅的表面损伤阈值分别为11焦耳每平方厘米和40焦耳每平方厘米 [ 7 - 8 ], 透射型体布拉格光栅在1096纳米的高平均功率激光照射下，100 瓦聚焦激光对体布拉格光栅无激光诱导损伤[ 9 ]。

连续波(CW)激光器用于激光束组合或近场滤波时，体布拉格光栅上的辐照激光功率很容易达到几百瓦级[10]，大功率高能激光器的光斑直径可达几毫米到几十毫米。作为这些应用的关键元件，体布拉格光栅的结构和衍射性能主要受光致热折变玻璃[11]中残余吸收的热效应影响。用于体布拉格光栅记录的原始光致热折变玻璃的透射光谱为400 ~ 2700纳米[ 12 ]，而记录在玻璃中的体布拉格光栅的吸收则强烈依赖于制作工艺[13]。最近报道的体布拉格光栅的吸收值为1.5times;10 – 3每厘米[14]和1times;10 – 4每厘米[15]。当反射型体布拉格光栅受到高峰值功率激光照射时，由于体布拉格光栅吸收引起的温度升高，导致峰值衍射发生轻微红移，衍射效率随着激光功率的增加而降低[16-17]。然而，高平均功率激光辐照对透射型体布拉格光栅衍射性能的依赖关系尚未见报道。另一方面，利用数十微米级的小点研究了高平均功率激光下体布拉格光栅的性能。在参考文献[9]中，输入激光功率100 w,和通量约是100千瓦/平方厘米但光束直径只有17.8微米,不能有效地用于描述透射型体布拉格光栅衍射性能在高平均功率激光器应用光束直径大。

本文采用不同的结晶温度制备了光致热折变玻璃中记录的透射型体布拉格光栅。研究了不同结晶温度下体布拉格光栅的透射率与衍射效率的关系。采用了1274瓦每平方厘米的连续波光纤激光器进行激光辐照实验，给出了高功率激光辐照引起的衍射特性随温度升高的实验结果。利用透射型体布拉格光栅光栅周期的微小变化解释了体布拉格光栅衍射效率的降低，与实验数据吻合较好。

2. 传输体布拉格光栅的制造

在聚四氟乙烯光致热折变玻璃中传输透射型体布拉格光栅时，使用波长为325 纳米、输出功率为50 毫瓦的氦-镉激光器(Kimmon Electric Model IK3501R - G)进行记录。在紫外光照射下，光致热折变玻璃中价为3的铈离子转化为价为4的铈离子，同时释放一个电子。光致热折变玻璃中的银离子捕获被释放的电子并转变为银原子，如图1(a)[18]所示。然后将干涉图样写入光致热折变玻璃中，干涉图样的周期由双激光束的交角控制。聚四氟乙烯光致热折变玻璃经曝光后折射率仅下降约百万分之几(百万分之一，10 - 6)，衍射效率小于（百分之一，10 - 2）。聚四氟乙烯光致热折变玻璃经曝光后通过热显色[18]获得了高衍射效率，这需要折射率调制从几十到几百毫克每升不等。我们研究中使用的热显影方法称为“两步法”[19]。第一步称为成核过程，在成核温度的条件下，暴露在外的光致热折变玻璃中的银原子聚集在了一起形成了银团簇，如图1(b)所示。第二步称之为结晶过程。光致热折变玻璃中的氟化钠分子在结晶温度的条件下围绕银团簇结晶，如图1(c)所示。氟化钠微晶化的折射率远低于未曝光的光致热折变玻璃的折射率;因此，聚四氟乙烯光致热折变玻璃获得了足够高的折射率调制，以达到较高的透射型体布拉格光栅的衍射效率。

图1 体布拉格光栅制备原理。(a) 光致热折变玻璃的光敏过程;(b)成核过程;(c)结晶过程。

表1制备工艺及性能

透射型体布拉格光栅的透射率定义为:

定义透射型体布拉格光栅的衍射效率为:

式中，I衍射为入射光通过透射型体布拉格光栅的衍射光束的光照强度，I透射为如射光束通过透射型体布拉格光栅的透射光的光照强度，I入射为入射光入射透射型体布拉格光栅的光束的光照强度。制备过程中的透射型体布拉格光栅具有相同的结构参数,例如所有透射型体布拉格光栅的厚度为2.8毫米、所有透射型体布拉格光栅的倾角约为0度、所有透射型体布拉格光栅的光栅周期约为1.13微米。在入射光的波长为532纳米的条件下测量了连续光通过透射型体布拉格光栅的透射率和衍射效率。我们研究制备的透射型体布拉格光栅的制备工艺及性能如表1所示。随着透射型体布拉格光栅中结晶温度的升高，透射型体布拉格光栅的透过率略有降低，而相应的透射型体布拉格光栅的衍射效率相应有所提高。透射型体布拉格光栅的折射率调制是由晶体相的浓度和NaF晶体[20]的体积尺寸所决定的。在这种情况下，由于成核温度和成核时间相同，银团簇在透射型体布拉格光栅中的分布是一致的。在这种情况下，透射型体布拉格光栅的折射率调制不受结晶相浓度的影响，仅由同一结晶时间[19]结晶温度控制的NaF晶体大小决定。然后，通过提高结晶温度，控制NaF晶体的体积尺寸越大，透射型体布拉格光栅的折射率调制越高。因此，在较高的结晶温度590摄氏度下制备的编号3透射型体布拉格光栅衍射效率最高，为74.4%。然而，更强的散射是由于晶体相的浓度和NaF晶体的体积尺寸不同造成的，如图2所示。因此，编号3透射型体布拉格光栅的最小透过率为82.55%。

图2 不同结晶温度下透射型体布拉格光栅在570℃(a)、580℃(b)和570℃(C)下的散射特性。

3.实验

高功率光纤激光辐照下透射型体布拉格光栅衍射实验原理图如图3所示。将辐照波长为1080纳米、输出功率为1千瓦、光束直径为10毫米的准直光纤激光器照射在透射型体布拉格光栅上。所产生的平均辐照度功率密度约为1274 瓦每平方厘米。用于监测透射型体布拉格光栅衍射效率的激光束为连续波倍频YAG激光器，采用激光的波长为532纳米，激光的输出功率为2瓦。为了得到准直均匀的探测光束，采用软刃孔径对近场光束进行了轮廓线的整形，并将探测光束以透射型体布拉格光栅地布拉格角入射到透射型体布拉格光栅上。透射型体布拉格光栅的温度升高度数由热成像系统记录，采样间隔为1秒(InfraTec, VarioCAMreg;hr research)。功率计(相干、LabMax-TOP和PM3Q)用于测量衍射光束和输入光束的功率。电能表的采样间隔为2.5秒。

图3所示。高通量激光辐照下透射型体布拉格光栅衍射原理图。

连续波激光辐照量为1274瓦每平方厘米时，不同结晶温度制备的透射型体布拉格光栅的温度特性如图4所示。可以看出，编号1透射型体布拉格光栅、编号2透射型体布拉格光栅、编号3透射型体布拉格光栅上的温度在开始的几十秒内迅速上升，然后在90秒到180秒之间保持稳定。编号1透射型体布拉格光栅、编号2透射型体布拉格光栅、编号3透射型体布拉格光栅升温时间分别为73秒、14摄氏度；87秒、20摄氏度；93秒、33摄氏度。当高通量激光辐照停止后，辐照区透射型体布拉格光栅的温度分别在16秒、18秒和24秒内迅速降低到室温。在相同的辐照通量下，透射型体布拉格光栅中残余吸收量与晶体相浓度和NaF晶体大小成正比。实验结果表明，随着结晶温度的升高，透射型体布拉格光栅的升温速率和最高温升均加快、升高。

图4 透射型体布拉格光栅温度随激光照射时间的变化规律。

透射型体布拉格光栅在激光照射下的归一化衍射效率如图5所示，在90 ~ 180度激光照射下的衍射效率基本相同，这与温升稳定的情况相对应。但是，编号2透射型体布拉格光栅和编号3透射型体布拉格光栅的衍射效率会慢慢降低，如图5所示。在高通量激光辐照下，光栅的周期因热膨胀而略有变化，透射型体布拉格光栅的布拉格角发生了变化，导致入射激光的部分波长成分偏离了布拉格条件。结果，透射型体布拉格光栅的衍射效率下降。此外，衍射效率的降低受结晶温度的影响，如图5所示。编号2透射型体布拉格光栅和编号3透射型体布拉格光栅的衍射效率分别降低了约百分之0.68和百分之2.7。

图5 透射型体布拉格光栅归一化衍射效率与辐照时间的关系。

参考文献[21]报道了光致热折变玻璃中8.5times;10minus;6每度的热膨胀系数。在高通量激光辐照下,编号2透射型体布拉格光栅在温度上升20 摄氏度的条件下光栅周期的变化约为194 x 10-6 微米；编号3透射型体布拉格光栅在温度上升33 摄氏度的条件下光栅周期的变化约为312x 10-6 微米,分别。假设透射型体布拉格光栅的折射率为1.5，则空气中的布拉格条件可以写成

布拉格条件的式子中theta;是透射型体布拉格光栅的布拉格角,lambda;是入射光入射透射型体布拉格光栅的布拉格波长，Lambda;是透射型体布拉格光栅的光栅周期。我们可以得到编号2透射型体布拉格光栅的布拉格角偏差分别为0.027mrad和编号3透射型体布拉格光栅的布拉格角偏差为0.05mrad。因此，可以计算得到编号2透射型体布拉格光栅的衍射效率降低程度为0.7%和编号3透射型体布拉格光栅的衍射效率降低程度为2.6%，如图6所示，衍射效率降低数据的理论计算结果与实测数据结果吻合较好。

图6 透射型体布拉格光栅的角选择性。

此外，透射型体布拉格光栅的衍射效率随横坐标变化存在明显的波纹，如图5所示。在高功率激光的光谱合成和近场滤波等应用中，透射型体布拉格光栅的衍射效率的波纹是不可以存在的。我们引入一个参数 alpha;用来评估的脉动强度衍射效率, 评估参数 alpha;被定义为:

公式中eta; max是 透射型体布拉格光栅的最大衍射效率,eta; min是透射型体布拉格光栅最低衍射效率。研究的实验结果表明，随着透射型体布拉格光栅的结晶温度的升高，衍射效率的波动幅度会增大。结晶温度为580℃和590℃时的透射型体布拉格光栅衍射效率纹波强度分别为1.13%和1.59%，结晶温度为570℃的纹波强度为0.45%。可以看出，透射型体布拉格光栅的结晶温度升高10℃时，衍射效率的纹波强度增加2.5倍；透射型体布拉格光栅的结晶温度分别升高20℃时，衍射效率的纹波强度增加5.3倍。

4. 结论

采用双光束干涉曝光法和“两步”热显影法，在光致热折射玻璃中制备了透射型体布拉格光栅。高通量激光辐照过程中，在结晶温度从570℃提高到590℃时，透射型体布拉格光栅的衍射效率逐渐提高。透射型体布拉格光栅的温度随结晶温度的升高而升高。当透射型体布拉格光栅升温稳定时，衍射效率基本相同，但在较高结晶温度下制备的的透射型体布拉格光栅在高通量激光辐照下的衍射效率略有下降。用光栅周期的变化解释了透射型体布拉格光栅衍射效率的降低，理论计算得到的结果与实验数据作图得到的结果吻合较好。

致谢

这项工作由国家自然科学基金委员会91023009号和61275140号合同、国家自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合基金会11176021, 11076021、10876011号合同、江苏市高等教育机构自然科学基金10kJA1400 45号项目、江苏省高等学校（PAPD）、国家高技术863计划、江苏省研究生科研创新项目（CXZZ11-0095）资助。

参考文献

[1]. O. M. Efimov, L. B. Glebov, L. N. Glebova, K. C. Richardson, and V. I. Smirnov, “High-efficiency Bragg gratings in photothermorefractive glass,” Appl. Opt. 38(4), 619–627 (1999).

[2]. X. Zhang, X. Yuan, S. Wu, J. S. Feng, K. Zou, and G. Zhang, “Two-dimensional angular filtering by volume Bragg gratings in photothermorefractiv

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资料编号：[1320]

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