激光雷达系统中的全息光学元件
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全息光学元件(HOE)已在成像系统、无线光通信、数据存储等领域获得了广泛应用。本文作者开发的激光雷达接收器用滤光镜中就包括了全息光学元件——三维衍射光栅(VDG)和全息透镜。本文设计并在感光材料上记录了能满足该系统需要的全息光学元件。

图1 HOE实验装置的光路设计方案。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 记录HOE的实验装置。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
全息感光乳剂的特性
感光材料厚度
(µm)
灵敏度(µm/cm3)
光谱灵敏度(nm)
波长分辨力
(线对/mm)
颗粒度
(nm)
442nm514nm
PFG-30C9400-70010002000>500010-20
BB5207<540150-300150-300>400020-25
Ultimate 08/157<700120200>70008

图3 HOE的实验样本。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 衍射效率与显影时间的相关性(曝光时间2-15秒)。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图6 波长为532nm时,记录在BB520感光材料上的HOE角度选择性(入射角为23°)。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图8 记录在BB520感光材料上的球面HOE及其滤光和聚焦特性。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

引言

激光雷达遥感系统和超频系统能够满足航空机载测量对水下、大气和地面参数的测量需求。本文作者试图将全息光学元件(HOE)应用于扫描激光雷达接收器中,以达到减小仪器尺寸、重量和降低成本的目的。
所有的全息光学元件主要可形成两种不同类型的全息图——二维(平面或曲面)和三维(立体)全息图。二维全息图的厚度远远小于克莱因准则的值,例如,小于(或相当于)记录干涉图样的时间。这种类型的光栅主要为反射式闪耀光栅,它具有较高的光谱角度色散,实际上没有光谱角选择性,其物理特性与传统的刻划式衍射光栅相同。
三维立体全息图的厚度符合克莱因准则,例如,其厚度比记录干涉图样的时间大得多。此类光栅主要可分为透射光栅和反射光栅两种类型,而且其特性与参数由耦合波动理论来描述。
三维全息光栅(VHG)由两束光刻画记录。其中一束光与物体相关(物光),另一束为参考光。从本质上讲,所刻画的光栅就是这两束光产生的全息图样。如果这两束光由同一侧面射向感光胶片,所制成的光栅称为透射式光栅。如果两束光从不同的侧面射出,则称为反射式光栅。由于全息材料和光栅的类型不同,厚度不同,所记录的光栅图样只能通过白光或激光再现观看。三维全息光栅(VHG)通常也称为布拉格光栅。
全息光学元件(HOE)可设计为上述各种不同的全息图。这就是为什么它们的特性参数可能完全不同的原因。

实验装置

窄带通滤光片最合理的应用属于激光测量,例如,光谱窄带通、测距和定点测量等。对于扫描激光雷达接收器,带通光滤波片应具有非常窄的带宽和较宽广的视场。VHG能容易地提供1-0.5埃的带宽,但这种光栅的角度选择性也非常高。
为了将VHG应用于扫描激光雷达接收器,增加了一个透镜元件,它可为光路中下一个光学元件提供宽广的视场和要求波长的衍射平行光。
实验装置由激光器、中性滤光片、扩束镜、分束镜、反射镜、可变光阑和感光胶片夹组成。该装置易于调试,可以记录透射和反射全息光栅,通过更换几个反射镜和光阑,该装置还可用于检测光栅(见图1)。
记录透射全息图时,通过扩束镜出射的平行激光束被分光镜分为两束:一束为参考光,投射到胶片的感光面。另一束为物光,经反射镜后投射到胶片的同一面。通过调节反射镜3,可以改变两束光之间的角度。在光路中加入反射镜0,同时移开反射镜2时,该装置用于记录反射全息图样(见图2 )。在这种情况下,参考光垂直入射到胶片表面,并通过调节反射镜1的位置改变物光的角度。记录的HOE直径由光阑控制。需要分析记录的HOE时,物光保持不变,用参考光来测量分析衍射效率(DE)。
实验记录了几种类型的全息图样。但本文重点介绍反射式全息光学元件(HOE)。选用了三种类型的全息图样感光材料进行测试:Slavich PFG-03C、BB520和Ultimate 08/15,其特性参数列于表1。

实验结果

将获得的全息光学元件(HOE)记录在尺寸为2.5×2.5英寸、涂覆有感光乳剂的玻璃平板上。每个全息图样的直径为5mm,每张玻璃平板上有24个全息图样(见图3)。
实验中,根据感光材料和HOE直径的不同,激光束功率的变化范围为0.5-5mW,曝光时间变化范围为0.5-20秒。实验内容还包括冲洗显影工艺(如显影时间和漂洗方式)的变化。用探测器和万用表测量入射光与衍射光的强度比,可以确定衍射效率(DE)。用OPO激光器和LabView软件,可以实现角度测量和光谱扫描。
对于Slavich PFG-03C感光材料,最高衍射效率可达67.97%,但该结果的重复性为48%。对于曝光时间为10秒,在对应的显影液中显影时间为90秒的样本,能够达到89%的重复性(见图4)。
与感光材料PFG-03C相比,BB520具有更高的感光灵敏度,因此,其所需的曝光时间更短、曝光量更小(见图5和图6)。

图5 采用不同曝光时间和曝光量,记录在BB520感光材料上的HOE波长选择性(光谱半波宽为10nm,相应波长为530nm)。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
用BB520感光材料进行记录时,获得的最高衍射效率为89.7%。选用衍射效率为82.9%的全息光学元件与第二级元件进行耦合,获得由两元件构成的滤光器的总衍射效率为55%。用感光材料BB520和Ultimate 08来记录球面全息光学元件(它能为扫描激光雷达接收器的窄带滤光片提供宽广的视场)(见图7)。采用由激光器、中性滤光片、扩束镜、球面镜和感光板夹构成的Denisyuk记录装置,感光玻璃板置于感光板夹中,涂有感光乳剂的一面朝向球面镜,并进行曝光。

图7 球面HOE记录装置。(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图8所示为单光路实验装置。由球面镜反射到感光乳剂上的物光,将于直接入射的参考光形成干涉图样。
对球面全息光学元件以及Ultimate感光乳剂的进一步研究仍在进行之中。计划利用HOE在超频系统中的优势,取代传统的分光镜和滤光片。到那时,三维全息光栅(VHG)将能过滤和分离每种感光色彩相机的信号。

结论

本文表明了在扫描激光雷达接收器中,用全息光学元件(HOE)替代传统的几何成像光学元件的可能性。这将会减小该系统的体积和重量,并降低制造成本。该方法沿用了双元件滤光片的设计理念,即第一级元件提供宽广的视场,第二级元件提供非常窄的带宽。采用三种不同的感光材料对第一级元件进行了研究,获得的HOE衍射效率(DE)为79%-89%,光谱半波宽(FWHM)为10-22nm,入射角为15°-23°。将其中一个一级元件与第二级元件组合成厚型三维全息光栅,获得的总衍射效率为55%。
本文作者:黄绍怡 薛梅(译)
原载:《工具展望》2011年第3期
上载于:2014-9-16 9:55:45

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