宽波段高衍射效率透射体全息光栅的研制

【摘要】：体位相全息光栅（Volume Phase Holographic Grating，VPHG）具有衍射效率高、噪声低、分辨率高等特点，已被广泛应用于波分复用、平视显示、天文光谱等技术领域。近年来，随着我国空间遥感技术的发展，对探测系统的各项指标提出了更高的要求。采用棱镜-光栅-棱镜（Prism-Grating-Prism，PGP）组合分光器件的成像光谱系统可以同时获得目标物的空间和光谱信息，具有光谱分辨率高、体积小的优势，是目前国内外光谱学领域的研究热点之一。因此研制应用于PGP组合分光器件中的透射体位相全息光栅具有重要意义。 本文围绕应用于可见-近红外波段的透射VPHG的衍射特性展开理论和实验研究。首先简要叙述了严格耦合波理论和Kogelnik耦合波理论，然后基于严格耦合波理论和G-Solver软件优化设计了可用于PGP器件的单片196lp/mm透射VPHG。为进一步提高衍射效率，引入了由空频差为196lp/mm的双高频光栅组成的复合结构，并基于Kogelnik耦合波理论和Matlab软件编程对空频在1000lp/mm附近的光栅进行优化，最终设计出由空频分别为900lp/mm和704lp/mm的单片光栅组合而成的双片复合结构光栅。理论分析和计算结果表明，该复合光栅不仅能得到与单片低频光栅相同的衍射光场，而且峰值衍射效率和使用波段内平均衍射效率可得到大幅提高。 在理论优化设计的基础上，采用重铬酸盐明胶（DCG）作为全息记录介质分别制作了单片透射VPHG和双片高频复合结构光栅。建立了透射VPHG衍射效率测量系统，对单片光栅和双片高频复合结构光栅的衍射效率和角度选择性进行了测量和分析。测量结果表明，采用调整和控制DCG干板的记录条件、曝光量以及后处理工艺条件的方法，通过大量实验，可以得到性能接近理论设计预期结果的透射VPHG。采用双片高频复合结构光栅可使峰值衍射效率和平均衍射效率得到大幅度提高，改善了常规单片低频光栅衍射效率低的问题，为PGP成像光谱仪的进一步研制提供了技术支持。