基于反射型全息光栅的温度响应特性研究

　　摘要： 针对全息材料的热膨胀,研究了温度变化时,全息光栅条纹结构的变化情况并对多块不同制备条件下记录的反射型全息光栅进行20 ℃到80 ℃间的温度特性测量。测量结果表明,反射型全息光栅的衍射布拉格峰随温度变化而平移,最大衍射效率也因此改变。此外,反射型全息光栅对温度变化的敏感性与其条纹周期有关。

　　关键词： 信息光学; 全息光栅; 衍射效率; 温度响应特性

　　中图分类号： O 438.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005?5630.2014.03.004

　　Corresponding characteristic research based on

　　the reflective holographic grating temperature

　　HONG Shaoxin1,2,3, ZHANG Menghua1,2,3, ZHENG Tuo1,2,3, LU Yang1,2,3, ZHENG Jihong1,2,3

　　(1.Engineering Research Center of Optical Instruments and Systems (MOE), University of Shanghai for

　　Science and Technology, Shanghai 200093, China;

　　2.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for

　　Science and Technology, Shanghai 200093, China;

　　3.School of Optical?Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for

　　Science and Technology, Shanghai 200093, China)

　　Abstract： According to the thermal expansion of the holographic material, the article suggested the possibility the fringes structure of the holographic grating would change when the temperature changed.Temperature dependence measurements were done from 20 ℃ to 80 ℃ on several reflection holographic grating, recorded under different conditions.The measurement results indicated that the diffraction Bragg peak of reflection holographic gratings shifted when the temperature changed, and the maximum diffraction efficiency changed as well.Moreover, the sensitivities of reflection holographic gratings on temperature change are related with the fringes period of the grating.

　　Key words： information optics; holographic grating; diffraction efficiency; temperature dependence

　　引言自20世纪60年代后期以来,产生了一种不同于传统的刻画工艺,即利用光干涉原理制备全息衍射光栅。由于全息光栅衍射效率高、光栅条纹密度大、无鬼线等优点,在数据存储、通信、天文摄谱仪等领域有着广泛的应用。当光栅温度改变时,光栅条纹结构受全息材料热胀冷缩的影响也随之改变［1?5］。全息光栅的衍射特性对其条图1全息光栅制备原理

　　Fig.1Recording principle of

　　the holographic grating纹结构参数十分敏感［6?7］,故温度变化将对全息光栅的衍射特性带来很大影响［8?9］。本文在20~80 ℃范围内,对反射型全息光栅进行衍射特性(衍射效率,衍射角度)测量,分析反射型全息光栅的温度特性,发掘全息光栅在温控方面潜在的应用价值。1全息光栅的基本原理与制备当两个偏振态、振幅一致的单色相干平行光（来自同一光源），于空间中交汇时，产生干涉。该干涉场的光强分布为一组相互平行且距离相等的直条纹，且振幅成正弦函数分布。若将一块全息干板（光敏聚合物）置于该干涉区域，该全息干板上各点的曝光程度将依照干涉光强正弦分布。显影处理后，全息干板上形成如图1所示的条纹结构，这就是全息光栅，其条纹周期与倾角，由两束平行光的夹角与波长确定。光学仪器第36卷

　　第3期洪少欣，等：基于反射型全息光栅的温度响应特性研究

　　反射型全息光栅制备光路如图2所示，激光光束由激光器出射，经偏振分光棱镜分成两路光强相等的光束，经反射镜反射，分别从全息干板两端入射到全息干板上。通过改变反射镜的位置，得到不同的制备角度（基于全息干板）。其中，1/4波片用来调整出射激光的椭偏状态，从而改变两分束光的光强；半波片用来改变其中一路光束的偏振态，使得两分束光偏振态一致。制备光栅时，其中一路光固定，以0°角入射到全息干板上，另一路光分别从10°、30°、50°以及70°角入射到全息干板，并分别以记录角0°及10°、0°及30°、0°及50°、0°及70°表示制备光栅时二路光的入射角。

　　图2反射型全息光栅制备光路

　　Fig.2Recording light path of reflection holographic gratings

　　2全息材料的热胀冷缩如果全息材料的大小受热膨胀均匀,在温度变化时,全息光栅条纹结构如图3所示。T″、T、T′为光栅表面的不同温度,且T′>T>T″,φ为光栅条纹倾斜角,Λ为光栅常数,w为表面光栅常数。当温度改变时,光栅倾斜角φ不变,而光栅常数随温度的增大而增大。 本文采用的测试样品是在20 μm厚的光敏聚合物膜上制备的反射型全息光栅,该膜被粘贴在3 mm厚的玻璃上。这种情况下,光栅条纹结构变化与玻璃以及光敏聚合物膜的热膨胀系数有关,而玻璃在20 ℃时热膨胀系数约为7.1×10-6 K-1,当变化温度在100 ℃以内时,玻璃热膨胀变化可以忽略不计。如果光敏聚合物的热膨胀系数小于或与玻璃的热膨胀系数相近,样品光栅条纹结构受温度变化(变化量在100 ℃以内)影响同样可以忽略不计,而当光敏聚合物的热膨胀系数远大于玻璃的热膨胀系数时,样品光栅的热膨胀状态如图4所示。