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超強激光科學卓越創新簡報

(第二十七期)

20193月28日

上海光機所在光致熱折變玻璃及體光柵的研制方面取得進展

  中科院上海光機所在用于體光柵(VBG)的光致熱折變玻璃(Photo-Thermo-Refractive glass,簡稱PTR)的研制方面取得了重要進展,在國內率先制備出80×30×20mm、具有高光敏和熱敏特性、高均勻性(<10-5)的光致熱折變玻璃。PTR是一種高透過率光學微晶玻璃,該玻璃通過紫外曝光、熱顯影工藝,可獲得的折射率調制度最大達到1000ppm。該技術打破了國際上僅由美國和俄羅斯極少數公司掌握的高均勻光致熱折變微晶玻璃的制備技術壟斷,為我國開展基于此類玻璃的新型體光柵器件研究奠定了材料基礎。 

  基于光致熱折變玻璃的體光柵器件,由于具有高精度角度和波譜選擇性以及高功率密度耐受性等優點,在超快脈沖激光器展寬和壓縮、高功率固體激光器的光束轉向、模式選擇、線寬窄化、光譜組束等領域具有顯著的應用優勢。雖然該玻璃的研究最早可追溯到1980年,但由于該玻璃涉及ppm量級元素的調控、鹵化物成分的揮發控制、氧鹵玻璃的分相調控及較大尺寸玻璃的均勻析晶,因此,具有極高的組分優化設計和制備工藝難度。此前,具備實際商業化應用的PTR玻璃制備及相關器件全流程制備技術被美國的三家公司所壟斷,其最大尺寸可達100mm口徑,但對我國實行禁運。 國內相關工作也僅限于學術研究,還未見產品報道,嚴重制約了國內相關技術領域特別是高功率激光技術的發展。 

  近三年來,在國家相關項目的牽引和支持下,依托中科院強激光材料重點實驗室,上海光機所高功率激光單元技術實驗室和薄膜光學實驗室利用各自在特種光功能玻璃和光柵光學領域的優勢,合作開展了大尺寸光致熱折變玻璃及體光柵的研究。通過優化玻璃的組分設計、不同需求的光柵結構設計及工藝設計,在相關工藝技術中取得多項技術突破:解決了玻璃中酸堿度平衡問題,實現了銀原子和銀離子的階段控制;熔爐、坩堝制備條件的自主改進及玻璃熔制工藝優化的突破,獲得了大尺寸、高均勻性氧氟微晶玻璃的制備;成型和退火工藝設計,解決了玻璃中變價離子的價態控制,最終獲得了大于30mm口徑的具有高光敏和熱敏特性的光致熱折變玻璃;高精穩定性曝光裝備的建立及其熱顯影工藝的精密調控,實現了體光柵器件的制備。該系列技術的突破,使得上海光機所成為國內首家自主掌握從PTR玻璃制備、高精穩定曝光刻寫、熱顯影,到性能測試評估全流程的研究單位,可實現滿足不同應用需求及場景的透射式和反射式體光柵器件的定制化研究,為滿足國內重大應用需求的激光系統研制奠定了關鍵材料和器件基礎。相關成果發表在Optics Express, 2018,26(1) 157-164; Optics Express,2018, 26(19), 25336上。 

1 高均勻性光致熱折變玻璃及衍射器件

2 不同工藝下,光致熱折變玻璃光譜及晶向XRD

3 不同入射角度下的-1級和1級衍射效率曲線(TE偏振)

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