洪少欣+張夢(mèng)華+鄭拓+盧陽(yáng)+鄭繼紅

文章編號(hào)： 10055630(2014)03020305

收稿日期： 20140224

基金項(xiàng)目： 上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZZ138);上海市人才發(fā)展基金(10QA1405100);上海理工大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(XJ2013070);上海市研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(JWCXSL1202)

作者簡(jiǎn)介： 洪少欣(1988),男,碩士研究生,主要從事全息光柵散射特性測(cè)量方面的研究。通訊作者： 鄭繼紅(1975),女,教授,博士,主要從事PDLC材料及電光器件、信息光學(xué)等方面的研究。

摘要： 針對(duì)全息材料的熱膨脹,研究了溫度變化時(shí),全息光柵條紋結(jié)構(gòu)的變化情況并對(duì)多塊不同制備條件下記錄的反射型全息光柵進(jìn)行20 ℃到80 ℃間的溫度特性測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明,反射型全息光柵的衍射布拉格峰隨溫度變化而平移,最大衍射效率也因此改變。此外,反射型全息光柵對(duì)溫度變化的敏感性與其條紋周期有關(guān)。

關(guān)鍵詞： 信息光學(xué); 全息光柵; 衍射效率; 溫度響應(yīng)特性

中圖分類號(hào)： O 438.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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世紀(jì)60年代后期以來(lái),產(chǎn)生了一種不同于傳統(tǒng)的刻畫工藝,即利用光干涉原理制備全息衍射光柵。由于全息光柵衍射效率高、光柵條紋密度大、無(wú)鬼線等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信、天文攝譜儀等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)光柵溫度改變時(shí),光柵條紋結(jié)構(gòu)受全息材料熱脹冷縮的影響也隨之改變［15］。全息光柵的衍射特性對(duì)其條圖1全息光柵制備原理

Fig.1Recording principle of

the holographic grating紋結(jié)構(gòu)參數(shù)十分敏感［67］,故溫度變化將對(duì)全息光柵的衍射特性帶來(lái)很大影響［89］。本文在20~80 ℃范圍內(nèi),對(duì)反射型全息光柵進(jìn)行衍射特性(衍射效率,衍射角度)測(cè)量,分析反射型全息光柵的溫度特性,發(fā)掘全息光柵在溫控方面潛在的應(yīng)用價(jià)值。1全息光柵的基本原理與制備當(dāng)兩個(gè)偏振態(tài)、振幅一致的單色相干平行光（來(lái)自同一光源），于空間中交匯時(shí)，產(chǎn)生干涉。該干涉場(chǎng)的光強(qiáng)分布為一組相互平行且距離相等的直條紋，且振幅成正弦函數(shù)分布。若將一塊全息干板（光敏聚合物）置于該干涉區(qū)域，該全息干板上各點(diǎn)的曝光程度將依照干涉光強(qiáng)正弦分布。顯影處理后，全息干板上形成如圖1所示的條紋結(jié)構(gòu)，這就是全息光柵，其條紋周期與傾角，由兩束平行光的夾角與波長(zhǎng)確定。光學(xué)儀器第36卷

第3期洪少欣，等：基于反射型全息光柵的溫度響應(yīng)特性研究

反射型全息光柵制備光路如圖2所示，激光光束由激光器出射，經(jīng)偏振分光棱鏡分成兩路光強(qiáng)相等的光束，經(jīng)反射鏡反射，分別從全息干板兩端入射到全息干板上。通過(guò)改變反射鏡的位置，得到不同的制備角度（基于全息干板）。其中，1/4波片用來(lái)調(diào)整出射激光的橢偏狀態(tài)，從而改變兩分束光的光強(qiáng)；半波片用來(lái)改變其中一路光束的偏振態(tài)，使得兩分束光偏振態(tài)一致。制備光柵時(shí)，其中一路光固定，以0°角入射到全息干板上，另一路光分別從10°、30°、50°以及70°角入射到全息干板，并分別以記錄角0°及10°、0°及30°、0°及50°、0°及70°表示制備光柵時(shí)二路光的入射角。

圖2反射型全息光柵制備光路

Fig.2Recording light path of reflection holographic gratings

2全息材料的熱脹冷縮如果全息材料的大小受熱膨脹均勻,在溫度變化時(shí),全息光柵條紋結(jié)構(gòu)如圖3所示。T″、T、T′為光柵表面的不同溫度,且T′>T>T″,φ為光柵條紋傾斜角,Λ為光柵常數(shù),w為表面光柵常數(shù)。當(dāng)溫度改變時(shí),光柵傾斜角φ不變,而光柵常數(shù)隨溫度的增大而增大。 本文采用的測(cè)試樣品是在20 μm厚的光敏聚合物膜上制備的反射型全息光柵,該膜被粘貼在3 mm厚的玻璃上。這種情況下,光柵條紋結(jié)構(gòu)變化與玻璃以及光敏聚合物膜的熱膨脹系數(shù)有關(guān),而玻璃在20 ℃時(shí)熱膨脹系數(shù)約為7.1×10-6 K-1,當(dāng)變化溫度在100 ℃以內(nèi)時(shí),玻璃熱膨脹變化可以忽略不計(jì)。如果光敏聚合物的熱膨脹系數(shù)小于或與玻璃的熱膨脹系數(shù)相近,樣品光柵條紋結(jié)構(gòu)受溫度變化(變化量在100 ℃以內(nèi))影響同樣可以忽略不計(jì),而當(dāng)光敏聚合物的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于玻璃的熱膨脹系數(shù)時(shí),樣品光柵的熱膨脹狀態(tài)如圖4所示。

圖3均勻膨脹的全息光柵示意圖

Fig.3Uniform thermal expansion of

holographic gratings圖4樣品光柵的熱膨脹示意圖

Fig.4Thermal expansion of

the samples

圖5測(cè)量裝置

Fig.5Measurement device其中,樣品光柵的熱膨脹僅存在與垂直玻璃的方向(Z軸),向量K為光柵向量,Δl為溫度改變后,光敏聚合物膜的厚度變化大小。這種情況下,表面光柵常數(shù)w不隨溫度變化而變化,這意味著入射角與相應(yīng)衍射角度的關(guān)系不會(huì)改變,而光柵條紋傾斜角以及光柵常數(shù)Λ隨溫度的改變,將導(dǎo)致布拉格衍射峰與最大衍射效率的改變。3實(shí)驗(yàn)測(cè)量本文所采用的測(cè)量裝置由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、一個(gè)光探測(cè)器(光功率計(jì))以及溫度控制模塊組成,如圖5所示。通過(guò)LabVIEW編程控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及探測(cè)器采樣,實(shí)現(xiàn)對(duì)全息光柵衍射效率的自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量前,通過(guò)溫度控制模塊控制待測(cè)樣品上的溫度,并設(shè)置測(cè)量入射角度范圍以及待測(cè)全息光柵的參數(shù),包括類型、記錄波長(zhǎng)、記錄角度等。測(cè)量時(shí),系統(tǒng)會(huì)對(duì)全息圖6溫度控制模塊

Fig.6Temperature control block光柵的光柵常數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算,并通過(guò)數(shù)次測(cè)量校準(zhǔn)光柵常數(shù)。之后,系統(tǒng)根據(jù)所需測(cè)量的范圍、步長(zhǎng),逐步對(duì)各個(gè)入射角度的衍射效率以及衍射角度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果分組歸類存儲(chǔ)。該系統(tǒng)的功率測(cè)量誤差為1%,測(cè)量角度誤差為±0.1°。圖6所示為溫度控制模塊,由Peltier元件、NTC溫度傳感器、溫度控制系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成,可將全息光柵上的溫度控制在0~80 ℃間的一個(gè)定值上,溫度誤差小于0.5 ℃。4結(jié)果與分析用圖5所示的測(cè)量裝置測(cè)量記錄角度為0°及50°,記錄波長(zhǎng)為532 nm的樣品光柵在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性。測(cè)量入射角度范圍為-10°~80°,步長(zhǎng)為0.5°,測(cè)量結(jié)果如圖7所示。圖7反射型全息光柵溫度特性

Fig.7The temperature dependence measurement

result of the reflection holographic grating由圖7可看出,被測(cè)光柵樣品在22 ℃、40 ℃和60 ℃下,衍射效率與入射角的關(guān)系,曲線中缺失的部分是由測(cè)量裝置的檢測(cè)盲區(qū)導(dǎo)致的。在一定區(qū)域內(nèi),當(dāng)被測(cè)衍射光束射向入射光束附近,由于探測(cè)器掃描擋住了入射光而致使被測(cè)衍射光效率為0,稱該區(qū)域?yàn)闄z測(cè)盲區(qū)。圖7中結(jié)果顯示,反射型全息光柵的兩個(gè)布拉格峰隨溫度的增加向兩端擴(kuò)張,并且衍射效率峰值降低。值得注意的是,在各個(gè)溫度下所測(cè)得的衍射角度相同。根據(jù)光柵公式w(sinα+sinβ)=λ,衍射角β與入射角α間的關(guān)系與入射波長(zhǎng)λ以及光柵常數(shù)w有關(guān),而入射波長(zhǎng)λ既定,為532 nm,這說(shuō)明了溫度變化時(shí),表面光柵常數(shù)w固定不變。被測(cè)光柵樣品的記錄角度為0°及50°,記錄波長(zhǎng)為532 nm,制備溫度為室溫23 ℃,測(cè)量入射角范圍為0°~80°,測(cè)量結(jié)果如圖8所示。測(cè)量結(jié)果表明,測(cè)量時(shí)的溫度相對(duì)制備溫度的變化量越大,測(cè)得最大衍射效率下降越多。此外,被測(cè)光柵樣品的布拉格衍射峰(以制備溫度下測(cè)得的布拉格峰對(duì)應(yīng)的入射角度為基準(zhǔn))隨溫度變化而平移,且平移的大小與溫度變化量成線性關(guān)系。

圖8全息光柵衍射特性與溫度關(guān)系

Fig.8Measurements of the temperature influence on the diffraction

characteristics of the holographic grating

圖9不同樣品的溫度影響測(cè)量

Fig.9Measurement of the temperature

influence on different samples對(duì)記錄角為0°及10°、0°及50°、0°及70°的樣品光柵分別在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性進(jìn)行測(cè)量,不同樣品光柵受溫度變化影響而導(dǎo)致布拉格峰平移曲線如圖9所示。圖中曲線表明,不同制備條件的光柵樣品受溫度影響的程度不同,其中,記錄角為0°及10°的樣品光柵,受溫度影響最大,0°及50°次之,0°及70°受影響最小,又因?yàn)棣?0°/10°)<Λ (0°/50°)<Λ (0°/70°)所以,光柵條紋結(jié)構(gòu)周期越小,其衍射特性受溫度影響越大。5結(jié)論實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)全息材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于基底(玻璃)的熱膨脹系數(shù)時(shí),對(duì)樣品光柵熱膨脹的推論是正確的,并且反射型全息光柵衍射特性受溫度影響,以制備溫度為基準(zhǔn),獲得布拉格峰的入射角度偏移大小正比于溫度的變化大小,最大衍射效率隨溫度變化量的增大而減小,并且光柵常數(shù)Λ越小,全息光柵衍射特性受溫度變化的影響越大。全息光柵溫度響應(yīng)特性表明,其具有作為溫度分析或者溫度開關(guān)元件的潛質(zhì),它們對(duì)溫度的敏感度取決于全息材料的熱膨脹系數(shù)大小。參考文獻(xiàn)：

［1］楊明,劉守,張向蘇,等.用國(guó)產(chǎn)全息材料制作假彩色反射全息圖技術(shù)［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào),2004,43(6):789792.

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［3］錢昌吉,蔡鐵權(quán).反射全息圖再現(xiàn)波長(zhǎng)的漂移與補(bǔ)償［J］.浙江師范大學(xué)學(xué)報(bào),1996,19(2):4448.

［4］郭團(tuán),喬學(xué)光,賈振安,等.光纖光柵溫度應(yīng)變智能傳感原理及增敏技術(shù)研究［J］.物理學(xué)和高新技術(shù),2003,32(3):176181.

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［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.

圖3均勻膨脹的全息光柵示意圖

Fig.3Uniform thermal expansion of

holographic gratings圖4樣品光柵的熱膨脹示意圖

Fig.4Thermal expansion of

the samples

圖5測(cè)量裝置

Fig.5Measurement device其中,樣品光柵的熱膨脹僅存在與垂直玻璃的方向(Z軸),向量K為光柵向量,Δl為溫度改變后,光敏聚合物膜的厚度變化大小。這種情況下,表面光柵常數(shù)w不隨溫度變化而變化,這意味著入射角與相應(yīng)衍射角度的關(guān)系不會(huì)改變,而光柵條紋傾斜角以及光柵常數(shù)Λ隨溫度的改變,將導(dǎo)致布拉格衍射峰與最大衍射效率的改變。3實(shí)驗(yàn)測(cè)量本文所采用的測(cè)量裝置由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、一個(gè)光探測(cè)器(光功率計(jì))以及溫度控制模塊組成,如圖5所示。通過(guò)LabVIEW編程控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及探測(cè)器采樣,實(shí)現(xiàn)對(duì)全息光柵衍射效率的自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量前,通過(guò)溫度控制模塊控制待測(cè)樣品上的溫度,并設(shè)置測(cè)量入射角度范圍以及待測(cè)全息光柵的參數(shù),包括類型、記錄波長(zhǎng)、記錄角度等。測(cè)量時(shí),系統(tǒng)會(huì)對(duì)全息圖6溫度控制模塊

Fig.6Temperature control block光柵的光柵常數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算,并通過(guò)數(shù)次測(cè)量校準(zhǔn)光柵常數(shù)。之后,系統(tǒng)根據(jù)所需測(cè)量的范圍、步長(zhǎng),逐步對(duì)各個(gè)入射角度的衍射效率以及衍射角度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果分組歸類存儲(chǔ)。該系統(tǒng)的功率測(cè)量誤差為1%,測(cè)量角度誤差為±0.1°。圖6所示為溫度控制模塊,由Peltier元件、NTC溫度傳感器、溫度控制系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成,可將全息光柵上的溫度控制在0~80 ℃間的一個(gè)定值上,溫度誤差小于0.5 ℃。4結(jié)果與分析用圖5所示的測(cè)量裝置測(cè)量記錄角度為0°及50°,記錄波長(zhǎng)為532 nm的樣品光柵在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性。測(cè)量入射角度范圍為-10°~80°,步長(zhǎng)為0.5°,測(cè)量結(jié)果如圖7所示。圖7反射型全息光柵溫度特性

Fig.7The temperature dependence measurement

result of the reflection holographic grating由圖7可看出,被測(cè)光柵樣品在22 ℃、40 ℃和60 ℃下,衍射效率與入射角的關(guān)系,曲線中缺失的部分是由測(cè)量裝置的檢測(cè)盲區(qū)導(dǎo)致的。在一定區(qū)域內(nèi),當(dāng)被測(cè)衍射光束射向入射光束附近,由于探測(cè)器掃描擋住了入射光而致使被測(cè)衍射光效率為0,稱該區(qū)域?yàn)闄z測(cè)盲區(qū)。圖7中結(jié)果顯示,反射型全息光柵的兩個(gè)布拉格峰隨溫度的增加向兩端擴(kuò)張,并且衍射效率峰值降低。值得注意的是,在各個(gè)溫度下所測(cè)得的衍射角度相同。根據(jù)光柵公式w(sinα+sinβ)=λ,衍射角β與入射角α間的關(guān)系與入射波長(zhǎng)λ以及光柵常數(shù)w有關(guān),而入射波長(zhǎng)λ既定,為532 nm,這說(shuō)明了溫度變化時(shí),表面光柵常數(shù)w固定不變。被測(cè)光柵樣品的記錄角度為0°及50°,記錄波長(zhǎng)為532 nm,制備溫度為室溫23 ℃,測(cè)量入射角范圍為0°~80°,測(cè)量結(jié)果如圖8所示。測(cè)量結(jié)果表明,測(cè)量時(shí)的溫度相對(duì)制備溫度的變化量越大,測(cè)得最大衍射效率下降越多。此外,被測(cè)光柵樣品的布拉格衍射峰(以制備溫度下測(cè)得的布拉格峰對(duì)應(yīng)的入射角度為基準(zhǔn))隨溫度變化而平移,且平移的大小與溫度變化量成線性關(guān)系。

圖8全息光柵衍射特性與溫度關(guān)系

Fig.8Measurements of the temperature influence on the diffraction

characteristics of the holographic grating

圖9不同樣品的溫度影響測(cè)量

Fig.9Measurement of the temperature

influence on different samples對(duì)記錄角為0°及10°、0°及50°、0°及70°的樣品光柵分別在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性進(jìn)行測(cè)量,不同樣品光柵受溫度變化影響而導(dǎo)致布拉格峰平移曲線如圖9所示。圖中曲線表明,不同制備條件的光柵樣品受溫度影響的程度不同,其中,記錄角為0°及10°的樣品光柵,受溫度影響最大,0°及50°次之,0°及70°受影響最小,又因?yàn)棣?0°/10°)<Λ (0°/50°)<Λ (0°/70°)所以,光柵條紋結(jié)構(gòu)周期越小,其衍射特性受溫度影響越大。5結(jié)論實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)全息材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于基底(玻璃)的熱膨脹系數(shù)時(shí),對(duì)樣品光柵熱膨脹的推論是正確的,并且反射型全息光柵衍射特性受溫度影響,以制備溫度為基準(zhǔn),獲得布拉格峰的入射角度偏移大小正比于溫度的變化大小,最大衍射效率隨溫度變化量的增大而減小,并且光柵常數(shù)Λ越小,全息光柵衍射特性受溫度變化的影響越大。全息光柵溫度響應(yīng)特性表明,其具有作為溫度分析或者溫度開關(guān)元件的潛質(zhì),它們對(duì)溫度的敏感度取決于全息材料的熱膨脹系數(shù)大小。參考文獻(xiàn)：

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［4］郭團(tuán),喬學(xué)光,賈振安,等.光纖光柵溫度應(yīng)變智能傳感原理及增敏技術(shù)研究［J］.物理學(xué)和高新技術(shù),2003,32(3):176181.

［5］彭宗舉,陳芬,周亞訓(xùn),等.全息微光刻中全息掩模衍射特性的理論研究［J］.光電子技術(shù)與信息,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.

圖3均勻膨脹的全息光柵示意圖

Fig.3Uniform thermal expansion of

holographic gratings圖4樣品光柵的熱膨脹示意圖

Fig.4Thermal expansion of

the samples

圖5測(cè)量裝置

Fig.5Measurement device其中,樣品光柵的熱膨脹僅存在與垂直玻璃的方向(Z軸),向量K為光柵向量,Δl為溫度改變后,光敏聚合物膜的厚度變化大小。這種情況下,表面光柵常數(shù)w不隨溫度變化而變化,這意味著入射角與相應(yīng)衍射角度的關(guān)系不會(huì)改變,而光柵條紋傾斜角以及光柵常數(shù)Λ隨溫度的改變,將導(dǎo)致布拉格衍射峰與最大衍射效率的改變。3實(shí)驗(yàn)測(cè)量本文所采用的測(cè)量裝置由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)、一個(gè)光探測(cè)器(光功率計(jì))以及溫度控制模塊組成,如圖5所示。通過(guò)LabVIEW編程控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及探測(cè)器采樣,實(shí)現(xiàn)對(duì)全息光柵衍射效率的自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量前,通過(guò)溫度控制模塊控制待測(cè)樣品上的溫度,并設(shè)置測(cè)量入射角度范圍以及待測(cè)全息光柵的參數(shù),包括類型、記錄波長(zhǎng)、記錄角度等。測(cè)量時(shí),系統(tǒng)會(huì)對(duì)全息圖6溫度控制模塊

Fig.6Temperature control block光柵的光柵常數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)算,并通過(guò)數(shù)次測(cè)量校準(zhǔn)光柵常數(shù)。之后,系統(tǒng)根據(jù)所需測(cè)量的范圍、步長(zhǎng),逐步對(duì)各個(gè)入射角度的衍射效率以及衍射角度進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果分組歸類存儲(chǔ)。該系統(tǒng)的功率測(cè)量誤差為1%,測(cè)量角度誤差為±0.1°。圖6所示為溫度控制模塊,由Peltier元件、NTC溫度傳感器、溫度控制系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)組成,可將全息光柵上的溫度控制在0~80 ℃間的一個(gè)定值上,溫度誤差小于0.5 ℃。4結(jié)果與分析用圖5所示的測(cè)量裝置測(cè)量記錄角度為0°及50°,記錄波長(zhǎng)為532 nm的樣品光柵在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性。測(cè)量入射角度范圍為-10°~80°,步長(zhǎng)為0.5°,測(cè)量結(jié)果如圖7所示。圖7反射型全息光柵溫度特性

Fig.7The temperature dependence measurement

result of the reflection holographic grating由圖7可看出,被測(cè)光柵樣品在22 ℃、40 ℃和60 ℃下,衍射效率與入射角的關(guān)系,曲線中缺失的部分是由測(cè)量裝置的檢測(cè)盲區(qū)導(dǎo)致的。在一定區(qū)域內(nèi),當(dāng)被測(cè)衍射光束射向入射光束附近,由于探測(cè)器掃描擋住了入射光而致使被測(cè)衍射光效率為0,稱該區(qū)域?yàn)闄z測(cè)盲區(qū)。圖7中結(jié)果顯示,反射型全息光柵的兩個(gè)布拉格峰隨溫度的增加向兩端擴(kuò)張,并且衍射效率峰值降低。值得注意的是,在各個(gè)溫度下所測(cè)得的衍射角度相同。根據(jù)光柵公式w(sinα+sinβ)=λ,衍射角β與入射角α間的關(guān)系與入射波長(zhǎng)λ以及光柵常數(shù)w有關(guān),而入射波長(zhǎng)λ既定,為532 nm,這說(shuō)明了溫度變化時(shí),表面光柵常數(shù)w固定不變。被測(cè)光柵樣品的記錄角度為0°及50°,記錄波長(zhǎng)為532 nm,制備溫度為室溫23 ℃,測(cè)量入射角范圍為0°~80°,測(cè)量結(jié)果如圖8所示。測(cè)量結(jié)果表明,測(cè)量時(shí)的溫度相對(duì)制備溫度的變化量越大,測(cè)得最大衍射效率下降越多。此外,被測(cè)光柵樣品的布拉格衍射峰(以制備溫度下測(cè)得的布拉格峰對(duì)應(yīng)的入射角度為基準(zhǔn))隨溫度變化而平移,且平移的大小與溫度變化量成線性關(guān)系。

圖8全息光柵衍射特性與溫度關(guān)系

Fig.8Measurements of the temperature influence on the diffraction

characteristics of the holographic grating

圖9不同樣品的溫度影響測(cè)量

Fig.9Measurement of the temperature

influence on different samples對(duì)記錄角為0°及10°、0°及50°、0°及70°的樣品光柵分別在22 ℃、40 ℃和60 ℃下的衍射特性進(jìn)行測(cè)量,不同樣品光柵受溫度變化影響而導(dǎo)致布拉格峰平移曲線如圖9所示。圖中曲線表明,不同制備條件的光柵樣品受溫度影響的程度不同,其中,記錄角為0°及10°的樣品光柵,受溫度影響最大,0°及50°次之,0°及70°受影響最小,又因?yàn)棣?0°/10°)<Λ (0°/50°)<Λ (0°/70°)所以,光柵條紋結(jié)構(gòu)周期越小,其衍射特性受溫度影響越大。5結(jié)論實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)全息材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于基底(玻璃)的熱膨脹系數(shù)時(shí),對(duì)樣品光柵熱膨脹的推論是正確的,并且反射型全息光柵衍射特性受溫度影響,以制備溫度為基準(zhǔn),獲得布拉格峰的入射角度偏移大小正比于溫度的變化大小,最大衍射效率隨溫度變化量的增大而減小,并且光柵常數(shù)Λ越小,全息光柵衍射特性受溫度變化的影響越大。全息光柵溫度響應(yīng)特性表明,其具有作為溫度分析或者溫度開關(guān)元件的潛質(zhì),它們對(duì)溫度的敏感度取決于全息材料的熱膨脹系數(shù)大小。參考文獻(xiàn)：

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