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^[1,2,3,4,5]。

全息光栅的衍射特性对其条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。

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。

图 1

Fig. 1

图 1 全息光栅制备原理 Fig. 1 Recording principle of the holographic grating

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。

图 2

Fig. 2

图 2 反射型全息光栅制备光路 Fig. 2 Recording light path of reflection holographic gratings

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。

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。

图 3

Fig. 3

图 3 均匀膨胀的全息光栅示意图 Fig. 3 Uniform thermal expansion of holographic gratings

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。

图 4

Fig. 4

图 4 样品光栅的热膨胀示意图 Fig. 4 Thermal expansion of the samples

其中,样品光栅的热膨胀仅存在与垂直玻璃的方向(Z轴),向量 K 为光栅向量,Δl 为温度改变后,光敏聚合物膜的厚度变化大小。这种情况下,表面光栅常数 w 不随温度变化而变化,这意味着入射角与相应衍射角度的关系不会改变,而光栅条纹倾斜角以及光栅常数Λ随温度的改变,将导致布拉格衍射峰与最大衍射效率的改变。

本文所采用的测量装置由两个步进电机驱动的精密旋转台、一个光探测器(光功率计)以及温度控制模块组成,如图 5所示。通过LabVIEW编程控制旋转台的转动以及探测器采样,实现对全息光栅衍射效率的自动测量。测量前,通过温度控制模块控制待测样品上的温度,并设置测量入射角度范围以及待测全息光栅的参数,包括类型、记录波长、记录角度等。测量时,系统会对全息光栅的光栅常数进行预计算,并通过数次测量校准光栅常数。之后,系统根据所需测量的范围、步长,逐步对各个入射角度的衍射效率以及衍射角度进行测量,测量结果分组归类存储。该系统的功率测量误差为1%,测量角度误差为±0.1°。

图 5

Fig. 5

图 5 测量装置 Fig. 5 Measurement device

图 6所示为温度控制模块,由Peltier元件、NTC温度传感器、温度控制系统以及冷却系统组成,可将全息光栅上的温度控制在0~80 ℃间的一个定值上,温度误差小于0.5 ℃。

图 6

Fig. 6

图 6 温度控制模块 Fig. 6 Temperature control block

用图 5所示的测量装置测量记录角度为0°及50°,记录波长为532 nm的样品光栅在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性。测量入射角度范围为-10°~80°,步长为0.5°,测量结果如图 7所示。

图 7

Fig. 7

图 7 反射型全息光栅温度特性 Fig. 7 The temperature dependence measurement result of the reflection holographic grating

由图 7可看出,被测光栅样品在22 ℃、40 ℃和60 ℃下,衍射效率与入射角的关系,曲线中缺失的部分是由测量装置的检测盲区导致的。在一定区域内,当被测衍射光束射向入射光束附近,由于探测器扫描挡住了入射光而致使被测衍射光效率为0,称该区域为检测盲区。图 7中结果显示,反射型全息光栅的两个布拉格峰随温度的增加向两端扩张,并且衍射效率峰值降低。值得注意的是,在各个温度下所测得的衍射角度相同。根据光栅公式 w (sinα+sinβ)=λ,衍射角β与入射角α间的关系与入射波长λ以及光栅常数 w 有关,而入射波长λ既定,为532 nm,这说明了温度变化时,表面光栅常数 w 固定不变。

被测光栅样品的记录角度为0°及50°,记录波长为532 nm,制备温度为室温23 ℃,测量入射角范围为0°~80°,测量结果如图 8所示。测量结果表明,测量时的温度相对制备温度的变化量越大,测得最大衍射效率下降越多。此外,被测光栅样品的布拉格衍射峰(以制备温度下测得的布拉格峰对应的入射角度为基准)随温度变化而平移,且平移的大小与温度变化量成线性关系。

图 8

Fig. 8

图 8 全息光栅衍射特性与温度关系 Fig. 8 Measurements of the temperature influence on the diffraction characteristics of the holographic grating

对记录角为0°及10°、0°及50°、0°及70°的样品光栅分别在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性进行测量,不同样品光栅受温度变化影响而导致布拉格峰平移曲线如图 9所示。图中曲线表明,不同制备条件的光栅样品受温度影响的程度不同,其中,记录角为0°及10°的样品光栅,受温度影响最大,0°及50°次之,0°及70°受影响最小,又因为

图 9

Fig. 9

图 9 不同样品的温度影响测量 Fig. 9 Measurement of the temperature influence on different samples

实验测量结果表明,当全息材料的热膨胀系数远大于基底(玻璃)的热膨胀系数时,对样品光栅热膨胀的推论是正确的,并且反射型全息光栅衍射特性受温度影响,以制备温度为基准,获得布拉格峰的入射角度偏移大小正比于温度的变化大小,最大衍射效率随温度变化量的增大而减小,并且光栅常数Λ越小,全息光栅衍射特性受温度变化的影响越大。全息光栅温度响应特性表明,其具有作为温度分析或者温度开关元件的潜质,它们对温度的敏感度取决于全息材料的热膨胀系数大小。