[发明专利]一种彩色全息波导光栅制备过程中曝光参数的计算方法

说明书

本发明公开了一种彩色全息波导光栅制备过程中曝光参数的计算方法，该方法根据K矢量圆分析法、体光栅布拉格衍射效应和菲涅尔定律，结合制备波导光栅的光栅周期、光栅倾角、记录光波长和光敏材料感光特性，得到参考光和物光的曝光角度、曝光时间等实验参数。通过本发明所述的方法可调整单一波长的记录光曝光角度，制备不同再现波长响应的全息波导光栅，实现单波长激光记录彩色全息波导光栅的效果。

技术领域

本发明属于全息光学技术，涉及全息干涉曝光技术,具体涉及一种彩色全息波导光栅制备过程中曝光参数的计算方法。

背景技术

体全息光栅是利用全息干涉技术制备的一种衍射光栅，该光栅是通过激光器发出的两束相干激光光束，在感光材料内部形成明暗相间的干涉条纹，使得感光材料的折射率分布根据明暗条纹发生变化，在干涉曝光过程中，明条纹区域内的折射率升高，而暗条纹区域内的折射率下降，最终材料内部形成一种折射率调制光栅，明条纹和暗条纹区域的折射率差即为体全息光栅的折射率调制度，其决定了制备光栅的衍射效率、衍射带宽等光学衍射性能。

相比于传统的刻划光栅，体全息光栅有着杂散光少，+1级衍射效率高，波长及角度选择性好等诸多优势，所以全息体光栅在很多领域都在逐步取代传统的刻划光栅。根据再现光束的衍射方向和光栅矢量方向，可以将该光栅分为反射型体全息光栅和透射型体全息光栅，透射型体全息光栅被广泛应用于高分辨光谱仪中的分光器件、太阳能采集器、光通信等领域；而反射型体全息光栅相较于透射型体全息光栅，具有更大的衍射角度响应带宽，更窄的衍射波长响应带宽(色散更低)，主要应用于全息波导显示领域。

在全息波导显示领域实际应用中，体全息光栅作为全息光学耦合器件，用于将带有图像信息的光束耦合进入波导传播，再将光束耦合进入人眼的作用。全息波导光栅的光栅周期为百纳米尺度，且输入和输出光栅的光栅参数要严格对称，因此对全息波导光栅的制备工艺精度有极高的要求。此外，全息波导显示系统中的微显示器通常为宽光谱光源，波导光栅需要耦合红绿蓝三种波长范围内的入射光束。因此，要求制备出满足波导显示需求的彩色全息体光栅。目前彩色体全息光栅的传统制备方法是使用红、绿、蓝激光分别搭建曝光光路，制备彩色体全息光栅，该方法设计难度比较简单，但是大大增加了制备工艺的繁琐程度、制备成本和效率。

发明内容

发明目的：针对现有技术中波导光栅的制备效率和精确度低，以及制备成本高、工艺复杂问题，本发明提供一种彩色全息波导光栅制备过程中曝光参数的计算方法。

技术方案：一种彩色全息波导光栅制备过程中曝光参数的计算方法，包括光栅周期Λ、光栅条纹倾角参考光角度θ₁、物光角度θ₂、参考光进入感光材料内部的透过率T₁、物光进入感光材料内部的透过率T₂和曝光时间t的计算，包括如下步骤：

(1)根据感光材料折射率n、再现光入射角度θ_inc、衍射角度θ_diff和再现光波长λ_recon，通过布拉格公式以及平面几何关系，计算得到光栅周期Λ、光栅条纹倾角

(2)根据步骤(1)得到的光栅条纹倾角光栅周期Λ和记录光波长λ_rec，通过布拉格公式和k矢量圆方法，计算参考光角度θ₁和物光角度θ₂；

(3)根据菲涅尔定律、参考光角度θ₁和物光角度θ₂，推导出参考光进入感光材料内部的透过率T₁和物光进入感光材料内部的透过率T₂；

(4)根据感光材料的光敏特性计算出曝光时间t。

进一步的，步骤(1)中光栅周期Λ和光栅条纹倾角的表达式如下：