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体相位全息光栅(VPH)到底好在那里?

发布时间:2020-07-28阅读次数:2290次

一般谈到光栅或者衍射光栅通常都会让人联想到表面浮雕光栅,这种光栅有着规则的刻线和精致的表面。在光学设计中,如果这种光栅能工作在透射情况下往往能够带来很多新的选择。基于这种技术思路,我们提出一种特殊的光栅类型:体相位全息光栅(VPH)。这种光栅拥有非常好的光学特性和设计灵活性、优越的稳定性和一致性,因此体相位全息光栅(VPH)非常适用于激光脉冲压缩,光谱仪,光学相干断层扫描以及天文学。


体相位全息光栅(VPH)是通过全息成像的方式将具有高低折射率周期性变化的结构刻入到基质材料中,同时这种基质材料的两个光学窗口被重铬酸盐明胶密封。这种技术最早被IBM应用在全息条形码扫描仪中,但是目前常被利用到一些光学仪器和电子通讯中。该处理方法可以一次性生产制造1片到1000片,甚至更多的超高质量的衍射光栅。而每片光栅都是原创的,并不是从原版复制的。由于没有原版光栅的磨损或退化的情况,在大批量生产甚至是无限生产的情况下,都可以保证从一片光栅到下一片光栅性能的一致性。因为这种制造过程的灵活性,还使得它可以通过多次调整刻线密度、带宽、极化灵敏度和其它参数来轻松、经济高效地针对每种应用定制和优化体相位全息光栅(VPH)!


出色的衍射曲线



体相位全息光栅(VPH)的透射和全息特性,使它们能够完全胜任各种高峰值衍射效率的工作场景,并且在200 nm-300 nm带宽范围内拥有>80%的衍射效率(Wasatch Photonics的专利HD设计),单一波长下衍射效率>99%(典型激光脉冲压缩光栅设计)。这一衍射效率比传统的反射表面浮雕光栅高出40%,并且反射式表面浮雕光栅有着非常参差不齐、不均匀的衍射效率,这将会给系统响应造成严重的干扰。相比之下,体相位全息光栅(VPH)的效率随波长的改变而平滑变化,能在设计阶段建模以包含在系统性能模型中,并根据设计的规格实现可靠地制造。体相位全息光栅(VPH)的密封特性也允许其在元件表面应用高性能、抗反射(AR)涂层。这些涂层可进一步优化性能,并可以根据客户的需要进行定制。


高色散



相比于常规光栅,体相位全息光栅(VPH)能可靠的生产更高的刻线密度,从而提供拥有低鬼影和低散射的高质量光栅。可以对150 l/mm到6000 l/mm的线密度进行成像,其应用范围包括宽带近红外高光谱成像和高分辨原子光谱。通过直接制造每一片光栅而不是复制,可以轻松的针对每种应用定制刻线密度、带宽、以及工作中心波长。

角度调谐



VPH透射光栅使用正弦变化折射率的堆叠层来衍射光。该叠层创建了一个谐振结构,只需将入射角(AOI)改变多达〜10°,即可在中心波长进行调谐。这允许对单片光栅进行角度调整,以便研究不同范围内感兴趣的光谱特征,这也是天文学中的常用技术。但实际上,将几块大光栅放在旋转台上就可以实现一台波长连续覆盖可见光到近红外光的大型望远镜。


降低偏振敏感性



表面浮雕光栅的P偏光效率通常比S偏振光效率低很多,在两种偏振光状态下的效率响应有着很大的差异,随着光栅线频率的增加,这一点尤为明显。VPH光栅对偏振光的敏感性要低的多,并且对偏振响应非常的平滑。运用几种设计解决方案,其中包括获得专利的Dickson和HD光栅,即可针对您的应用最小化和/或优化偏振响应。

无鬼影,低散射



传统光栅容易产生“鬼影”,这个术语描述的是由于周期性的规则误差而出现在色散平面上的光伪影,而VPH光栅的设计能够有效地消除鬼影。另外,VPH光栅也有比传统光栅小90%的杂散光,具有优越的空间均匀性和非常低的传输波前误差。这些性能都是使用VPH光栅获得卓越的一级衍射效率的关键性因素。

紧凑、灵活的光学设计



VPH透射光栅能够通过设计使其工作在Littrow结构(θd = θi)中,在利用它进行光学设计是一个能够使设计变得更紧凑和简洁的方式。通常情况下,无论是在脉冲压缩系统还是在光谱仪系统中,透射光栅都能够给光学设计工程师提供了更多地空间选择性。最后,相比传统反射式光栅,利用VPH透射光栅进行光学设计具有更加小型化、轻量化、低成本以及易于进行光学对准的优点。


棱栅



夹在两个棱镜之间的光栅称为“棱栅”,这种复合镜片可以将光按照它的成分进行分离,同时还可以消除由于各个元器件带来的光束偏差。棱栅既可以实现一种具有直通色散特征的光学器件,还可以实现比单独使用光栅更高色散的光学器件。它们能非常方便的应用于成像,天文,共聚焦显微镜等应用领域。


尺寸、衬底材料灵活



VPH光栅可以做得比人们预期的要大得多——实际上,在Wasatch Photonics,经常为天文光谱仪生产尺寸高达300mm宽度的光栅(可以根据客户要求提供更大的尺寸),也可以将尺寸处理为小到8 mm宽度用于批量OEM应用。另外,各种不同类型的玻璃材料均可以用于衬底材料的制作,最常用的衬底材料是N-BK7或同等材料,B270I和熔融石英(UV可选)。


易于清洗



千万不要触摸表面浮雕的反射式光栅,它们是无法进行清洁的。因为在清洁过程中的每一粒灰尘或指纹都会被留在光栅上,这个清洁过程可能会产生更多的划痕和污染。相比之下,封装好的VPH光栅就可以像普通的玻璃光学器件一样操作和清洁,从制造到长期使用,更便捷,同时也降低了每个阶段的成本。

优越的稳定性



VPH光栅的光学活性部分被密封在两个基板之间,从而被制作成一个非常坚固的元器件,具有出色的热稳定性和环境适应性。许多Wasatch Photonics的光栅已经使用了10年以上,并没有出现退化的迹象。但是,其它类型的光栅则需要工作在低温制冷的环境中。Wasatch Photonics公司的每一个光栅都需要经过严格的质量检验,并且以先进的干涉测量功能来确保VPH光栅的光学质量,从而用来满足诸如激光脉冲压缩、光学相干断层扫描和天文学等关键的应用。而Wasatch Photonics的计量实验室采用了最先进的Zygo Verifire™,能够测量尺寸高达4英寸的光学器件。

能提供多种设计满足不同客户的需求



Wasatch Photonics公司基于15年的批量生产经验,采用三种独特的设计技术来优化光栅,从而用于满足使用者的应用需求。然而,Wasatch Photonics都是在充分理解了使用者的应用基础上来做的优化,基于这些经验,同时会推荐多种选择或新的维度来帮助使用者优化系统性能。即使现有光栅不能匹配使用者的需求,但Wasatch Photonics也能够快速地生产出满足应用需求的新光栅。



高色散高效率HD光栅

• Wasatch Photonics拥有独一无二的专利设计

• 高达200 nm带宽范围内具有一致的高透过率

• 低偏振敏感度,平缓的效率变化

• 使更快,更小的OCT光谱仪具有更大的清晰度

• 为光谱学和天文学增加了全带宽通量

• 可定制入射角大于36度、波长范围350 nm -2500 nm



高透过率DICKSON光栅

Wasatch Photonics是这项设计的原始专利持有者和专家

• 超过20 nm-60 nm带宽范围内拥有极高的透过率

• 同时在P偏光和S偏光拥有高效率,并且效率变化平稳

• 应用于天文学的理想器件:支持角度调谐和大尺寸设计

• 实现低偏振敏感度的高色散光谱

• 可定制入射角大于36度、波长范围350 nm -2500 nm



标准和单偏振光栅

• 实现在单偏振光状态下拥有极高的衍射效率

• 可以设计为宽带宽和偏振不敏感

• 可以生产的尺寸高达300 mm或者更大

• 适用于天文学、高光谱成像和激光滤波

• 脉冲压缩的理想器件:拥有最小的光束畸变和散射

• 可定制入射角大于36度、波长范围350 nm -2500 nm

OEM & 客户定制光栅设计



Wasatch Photonics公司运用其对光学设计的深刻理解来支持其进行研发和客户定制,为各种各样的应用创造出更小、更灵敏、更经济的仪器。同时,拥有丰富的制造经验、大量的内部加工和计量能力,并且有充足的资源可提供高质量、高性能的定制光栅和AR涂层,以满足不同客户的特殊应用需求。

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