基于反射型全息光栅的温度响应特性研究

洪少欣+张梦华+郑拓+卢阳+郑继红

文章编号： 10055630(2014)03020305

收稿日期： 20140224

基金项目： 上海市教育委员会重点项目(14ZZ138);上海市人才发展基金(10QA1405100);上海理工大学校级大学生创新训练项目(XJ2013070);上海市研究生创新基金项目(JWCXSL1202)

作者简介： 洪少欣(1988),男,硕士研究生,主要从事全息光栅散射特性测量方面的研究。通讯作者： 郑继红(1975),女,教授,博士,主要从事PDLC材料及电光器件、信息光学等方面的研究。

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。

图3均匀膨胀的全息光栅示意图

Fig.3Uniform thermal expansion of

holographic gratings图4样品光栅的热膨胀示意图

Fig.4Thermal expansion of

the samples

图5测量装置

Fig.5Measurement device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。3实验测量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,系统会对全息图6温度控制模块

Fig.6Temperature control block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 ℃。4结果与分析用图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反射型全息光栅温度特性

Fig.7The 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全息光栅衍射特性与温度关系

Fig.8Measurements of the temperature influence on the diffraction

characteristics of the holographic grating

图9不同样品的温度影响测量

Fig.9Measurement of the temperature

influence on different samples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Λ(0°/10°)<Λ (0°/50°)<Λ (0°/70°)所以,光栅条纹结构周期越小,其衍射特性受温度影响越大。5结论实验测量结果表明,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。参考文献：

［1］杨明,刘守,张向苏,等.用国产全息材料制作假彩色反射全息图技术［J］.厦门大学学报,2004,43(6):789792.

［2］徐向敏,章鹤龄,李展华,等.双波长非水溶性光致聚合物全息光栅的研究［J］.应用光学,2009,30(5):823826.

［3］钱昌吉,蔡铁权.反射全息图再现波长的漂移与补偿［J］.浙江师范大学学报,1996,19(2):4448.

［4］郭团,乔学光,贾振安,等.光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究［J］.物理学和高新技术,2003,32(3):176181.

［5］彭宗举,陈芬,周亚训,等.全息微光刻中全息掩模衍射特性的理论研究［J］.光电子技术与信息,2004,17(6):6771.

［6］MOOTHANCHERY M,NAYDENOVA I,TOALV.Study of the shrinkage caused by holographic grating formation in arcylamide based photopolymer film［J］.Optics Express,2011,19(14):1339513404.

［7］RAMOS G,LVAREZHERRERO A,BELENGUER T,et al.Shrinkage control in a photopolymerizable hybrid solgel material for holographic recording［J］.Appl Opt,2004,43 (20):40184024.

［8］KOGELNIK H.Coupledwave theory for thick hologram gratings［J］.Bell Syst Tech J,1969,48 (9):29092947.

［9］KWON J H,HWANG H C,WOO K C.Analysis of temporal behaviour of beams diffracted by volume gratings formed in photopolymers［J］.J Opt Soc Am B,1999,16(10):16511657.

图3均匀膨胀的全息光栅示意图

Fig.3Uniform thermal expansion of

holographic gratings图4样品光栅的热膨胀示意图

Fig.4Thermal expansion of

the samples

图5测量装置

Fig.5Measurement device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。3实验测量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,系统会对全息图6温度控制模块

Fig.6Temperature control block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 ℃。4结果与分析用图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反射型全息光栅温度特性

Fig.7The 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全息光栅衍射特性与温度关系

Fig.8Measurements of the temperature influence on the diffraction

characteristics of the holographic grating

图9不同样品的温度影响测量

Fig.9Measurement of the temperature

influence on different samples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Λ(0°/10°)<Λ (0°/50°)<Λ (0°/70°)所以,光栅条纹结构周期越小,其衍射特性受温度影响越大。5结论实验测量结果表明,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。参考文献：

［1］杨明,刘守,张向苏,等.用国产全息材料制作假彩色反射全息图技术［J］.厦门大学学报,2004,43(6):789792.

［2］徐向敏,章鹤龄,李展华,等.双波长非水溶性光致聚合物全息光栅的研究［J］.应用光学,2009,30(5):823826.

［3］钱昌吉,蔡铁权.反射全息图再现波长的漂移与补偿［J］.浙江师范大学学报,1996,19(2):4448.

［4］郭团,乔学光,贾振安,等.光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究［J］.物理学和高新技术,2003,32(3):176181.

［5］彭宗举,陈芬,周亚训,等.全息微光刻中全息掩模衍射特性的理论研究［J］.光电子技术与信息,2004,17(6):6771.

［6］MOOTHANCHERY M,NAYDENOVA I,TOALV.Study of the shrinkage caused by holographic grating formation in arcylamide based photopolymer film［J］.Optics Express,2011,19(14):1339513404.

［7］RAMOS G,LVAREZHERRERO A,BELENGUER T,et al.Shrinkage control in a photopolymerizable hybrid solgel material for holographic recording［J］.Appl Opt,2004,43 (20):40184024.

［8］KOGELNIK H.Coupledwave theory for thick hologram gratings［J］.Bell Syst Tech J,1969,48 (9):29092947.

［9］KWON J H,HWANG H C,WOO K C.Analysis of temporal behaviour of beams diffracted by volume gratings formed in photopolymers［J］.J Opt Soc Am B,1999,16(10):16511657.

图3均匀膨胀的全息光栅示意图

Fig.3Uniform thermal expansion of

holographic gratings图4样品光栅的热膨胀示意图

Fig.4Thermal expansion of

the samples

图5测量装置

Fig.5Measurement device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。3实验测量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,系统会对全息图6温度控制模块

Fig.6Temperature control block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 ℃。4结果与分析用图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反射型全息光栅温度特性

Fig.7The 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全息光栅衍射特性与温度关系

Fig.8Measurements of the temperature influence on the diffraction

characteristics of the holographic grating

图9不同样品的温度影响测量

Fig.9Measurement of the temperature

influence on different samples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Λ(0°/10°)<Λ (0°/50°)<Λ (0°/70°)所以,光栅条纹结构周期越小,其衍射特性受温度影响越大。5结论实验测量结果表明,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。参考文献：

［1］杨明,刘守,张向苏,等.用国产全息材料制作假彩色反射全息图技术［J］.厦门大学学报,2004,43(6):789792.

［2］徐向敏,章鹤龄,李展华,等.双波长非水溶性光致聚合物全息光栅的研究［J］.应用光学,2009,30(5):823826.

［3］钱昌吉,蔡铁权.反射全息图再现波长的漂移与补偿［J］.浙江师范大学学报,1996,19(2):4448.

［4］郭团,乔学光,贾振安,等.光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究［J］.物理学和高新技术,2003,32(3):176181.

［5］彭宗举,陈芬,周亚训,等.全息微光刻中全息掩模衍射特性的理论研究［J］.光电子技术与信息,2004,17(6):6771.

［6］MOOTHANCHERY M,NAYDENOVA I,TOALV.Study of the shrinkage caused by holographic grating formation in arcylamide based photopolymer film［J］.Optics Express,2011,19(14):1339513404.

［7］RAMOS G,LVAREZHERRERO A,BELENGUER T,et al.Shrinkage control in a photopolymerizable hybrid solgel material for holographic recording［J］.Appl Opt,2004,43 (20):40184024.

［8］KOGELNIK H.Coupledwave theory for thick hologram gratings［J］.Bell Syst Tech J,1969,48 (9):29092947.

［9］KWON J H,HWANG H C,WOO K C.Analysis of temporal behaviour of beams diffracted by volume gratings formed in photopolymers［J］.J Opt Soc Am B,1999,16(10):16511657.