高功率光束扫描系统中多路复用体布拉格光栅作为角度放大器的设计与制造研究
本研究由中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光材料重点实验室的陈鹏、金云霞、何东兵、陈俊明、徐娇、赵景银、张一波、孔繁宇、何洪波，以及中国科学院大学的陈鹏、陈俊明、徐娇、赵景银，和通讯作者邵建达（*jdshao@siom.ac.cn）共同完成。该研究成果以《多路复用体布拉格光栅的设计与制造作为角度放大器在高功率光束扫描系统中》为题，于2018年9月13日发表在《光学快报》（Optics Express）期刊上。
学术背景 本研究属于光学工程与激光技术领域，具体聚焦于非机械光束扫描（光束转向）技术。在激光雷达、自由空间激光通信、激光武器等系统中，实现快速、大角度、高功率的光束控制是关键挑战。传统的机械式扫描系统存在速度慢、体积大、可靠性等问题。因此，非机械光束扫描技术，如液晶光学相控阵（LCOPA）、微透镜阵列、电润湿棱镜等被广泛研究。然而，这些技术往往在扫描角度范围、功率承受能力或效率方面存在局限。体布拉格光栅（Volume Bragg Grating, VBG）是一种记录在光热折射（Photo-Thermo-Refractive, PTR）玻璃中的体全息光学元件，具有高衍射效率、优异的波长和角度选择性、高损伤阈值以及设计灵活等优点，使其成为高功率光束扫描系统中实现角度放大的理想候选者。
研究的核心目标是解决如何利用VBG实现大角度、高效率的离散光束扫描。单个VBG的偏转角度有限。虽然通过级联多个VBG可以实现大角度，但系统会变得复杂庞大。多路复用技术（Multiplexing）允许在单块PTR玻璃中记录多个不同角度的光栅（通道），从而在紧凑的空间内实现多个离散角度的偏转。然而，此前缺乏关于多路复用VBG作为角度放大器的系统性设计与实验研究。因此，本研究的目的是从理论和实验上，深入探索并验证多路复用VBG在高功率光束扫描系统中作为角度放大器的可行性、设计方法、制造工艺及性能表现。
详细研究流程 本研究包含理论设计、方案优化、器件制造和性能测试四个主要环节。
第一环节是多路复用VBG的理论设计与分析。研究团队首先设定了系统目标：工作波长为1064 nm，利用多路复用VBG将第一级LCOPA输出的较小角度偏转（例如±4.8°）放大到更大的角度范围（-45°到+45°）。他们计划设计一个包含12个通道（对称分布，正负角度各6个）的级联多路复用VBG系统。设计过程基于动量匹配（K矢量空间）原理，根据每个通道所需的入射角（来自LCOPA）和出射角（最终偏转角），计算出每个通道光栅对应的光栅周期和倾斜角。随后，研究面临关键挑战：如何在有限的PTR玻璃折射率调制动态范围内，同时实现多个通道的高衍射效率并最小化通道间的串扰（Crosstalk）。为此，研究团队采用了基于耦合波理论的矩阵算法，对多路复用VBG的性能进行模拟分析。他们系统地研究了光栅厚度、折射率调制幅度（Refractive Index Modulation, RIM）以及入射光束发散角对串扰和最终衍射效率的影响。模拟发现，增大光栅厚度虽可减少串扰，但会导致角度选择性曲线变窄，使得系统对入射光束的发散角极为敏感。当光束发散角为典型的毫弧度量级时，较厚光栅方案下部分通道（如设计中的6#通道）的理论最大衍射效率会显著下降至63.2%。同时，在单块玻璃中实现12个通道的RIM同时达到各自最优值，在工艺上极其困难。
第二环节是提出并优化级联解决方案。为解决上述理论瓶颈和工艺难题，研究团队创新性地提出了一个级联多路复用VBG方案。他们将原先规划的12通道单块VBG，分解为三块独立的4通道多路复用VBG，分别命名为G1、G2和G3。每块VBG只包含4个通道（例如G1包含通道1#， 4#， 7#， 10#），且这些通道在角度上间隔较大，从而有效避免了串扰。由于每块VBG的通道数减少，可以采用更薄的光栅厚度（本研究设计为1 mm）。理论模拟显示，在1 mm厚度下，即使考虑0.6 mrad的光束发散，所有通道的理论衍射效率仍可保持在93%以上，显著优于12通道单块方案。这个方案降低了每个VBG的制造难度，并有效缓解了光束发散对效率的限制。
第三环节是多路复用VBG的制造。研究团队在PTR玻璃中成功制造了G1、G2、G3三块4通道多路复用VBG。制造过程采用经典的全息干涉记录法，主要步骤包括：1. 顺序曝光：使用波长为325 nm的氦镉激光器（Kimmon Electric model IK3501R-G），通过非对称双光束干涉光路，在PTR玻璃内依次记录四个光栅通道。他们巧妙地利用了对称光栅的特性（例如1#和7#通道），通过将样品旋转180度，可以用同一套光路设置记录两个对称通道，从而减少了光路调整次数。每个通道的曝光剂量控制在150 mJ/cm²。2. 热处理：完成所有四次曝光后，将PTR玻璃样品在500°C下进行统一的热处理，时长为6.5小时，以将曝光形成的潜像转化为永久性的折射率调制。3. 后处理：热处理后，对玻璃表面进行重新抛光，以消除热处理可能引起的表面缺陷。
第四环节是性能测试与系统验证。研究团队搭建了精密的测试光路。使用波长为1064 nm、发散角为0.6 mrad的激光源，并可通过偏振器选择TE或TM偏振态。样品置于电动旋转台上，使用多个功率计（Thorlabs, S120VC）同步测量透射的零级光强和各个通道的负一级衍射光强。首先，他们分别测试了G1、G2、G3单块VBG的性能。随后，使用折射率匹配液将三块VBG光学胶合（级联）成一个整体系统，进行集成测试。测试中，他们利用了VBG的“双通道”特性（即光栅在正负入射角下对称工作），通过测量透射零级光强随角度变化的曲线（曲线上会出现多个凹陷谷），可以精确、便捷地确定每个通道的布拉格入射角和出射角。
主要研究结果 理论模拟结果清晰地展示了级联方案的优势。对于厚度为1 mm的G1、G2、G3，在平面波入射下，各通道的理论衍射效率均超过99.6%。在考虑0.6 mrad实际光束发散后，通道1#至6#的理论最大衍射效率分别为99.8%， 99.2%， 98.3%， 96.9%， 95.2%和93.3%，远优于12通道单块方案。角度选择性曲线的模拟也显示，由于通道间隔加大，串扰效应可忽略不计。
实验制造和测试结果验证了设计的有效性。首先，对单块4通道VBG（G1， G2， G3）的测试表明，所有通道对于TE和TM偏振的相对衍射效率均超过90%，证明了器件的高效率和弱偏振依赖性。同时观察到，随着通道编号增大（对应更大的偏转角），角度选择性曲线的半高全宽（FWHM）减小，旁瓣被“抹平”，这与光束发散角影响的理论预测完全吻合。
其次，级联系统的集成测试取得了成功。通过测量级联后系统的透射零级光强曲线，研究人员提取了所有12个通道的实验入射角和出射角。数据显示，实验值与设计预期值之间存在微小偏差（最大约0.4°），分析指出这主要源于曝光过程中样品定位的微小误差。尽管如此，系统成功实现了从-45°到+45°的离散角度偏转覆盖。
最后，级联系统各通道的角度选择性曲线测试显示（见图11），所有通道的相对衍射效率均超过80%，且TE与TM偏振的结果没有显著差异，再次验证了器件的弱偏振依赖性。但同时也观察到，级联后部分通道（如3#和9#）的效率略低于其单独测试时的结果。研究人员对此进行了合理解释：当光束依次通过G1、G2、G3时，在前级VBG中会有少量光被非目标通道衍射（串扰），导致到达后级目标通道的入射光能量略有损失，从而降低了最终测得的该通道效率。文章指出，通过优化设计，将某个通道的布拉格角设置在相邻通道衍射效率曲线的零点（高阶极小值）位置，可以理论上消除这种串扰，从而有望获得更高的整体效率。
结论与价值 本研究得出结论：由于PTR玻璃折射率调制动态范围的限制和入射光束发散角的影响，在单块玻璃中实现过多通道（如12通道）的高效多路复用VBG面临理论和工艺上的双重困难。提出的级联多路复用VBG方案是解决这一问题的有效替代方法。实验成功演示了该方案，制造出的角度放大器能够实现-45°至+45°的离散大角度偏转，所有通道相对衍射效率超过80%，且几乎与偏振无关。该研究为高功率、大角度非机械光束扫描系统提供了一种紧凑、高效、可靠的解决方案。
本研究的科学价值在于系统性地研究并解决了多路复用体布拉格光栅作为角度放大器时的串扰、效率与工艺复杂度之间的矛盾，提出了创新的级联设计思想，并通过完整的理论-设计-制造-测试流程验证了其可行性。其应用价值显著，所开发的技术可直接应用于需要高功率激光、大角度快速扫描的先进光电系统，如激光雷达、定向能武器、空间光通信和激光加工等领域，具有重要的工程应用前景。
研究亮点 1. 创新性的级联方案：针对单块PTR玻璃中多路复用VBG的固有局限，创造性提出了将多通道分解为多块少通道VBG级联的方案，巧妙平衡了性能（高效率、低串扰）与工艺可行性。 2. 系统的设计-验证流程：研究从理论建模（基于矩阵的耦合波分析）出发，明确问题所在（光束发散限制、串扰），进而提出优化方案，并通过完整的实验制备与测试进行验证，逻辑严谨，闭环完整。 3. 解决实际工程挑战：研究不仅关注理论性能极限，更着重解决了高功率激光系统实际应用中的关键问题，如对光束发散的鲁棒性、偏振不敏感性以及制造工艺的可实现性。 4. 详实的实验数据与深入分析：提供了单块器件与级联系统的全面测试数据，并对观察到的现象（如效率轻微下降）给出了基于物理机制的合理解释，并提出了进一步的优化方向（利用衍射零点消除串扰），体现了研究的深度。
其他有价值内容 研究团队在制造过程中，发展并优化了基于多次曝光和热处理的PTR玻璃多路复用VBG制备工艺，特别是利用了对称光栅简化曝光步骤的技巧，对相关领域的研究者和工程师具有直接的参考价值。此外，文中提到的利用VBG“双通道”特性进行快速、精确角度标定的方法，也是一种实用且巧妙的测试技术。研究得到了国家自然科学基金和上海市科学技术委员会项目的资助，体现了该研究方向的重要性和受支持程度。