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近日，中科院上海光機(jī)所在用于體光柵（VBG）的光致熱折變玻璃（Photo-Thermo-Refractive glass，簡(jiǎn)稱PTR）的研制方面取得了重要進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)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(guò)率光學(xué)微晶玻璃，該玻璃通過(guò)紫外曝光、熱顯影工藝，可獲得的折射率調(diào)制度最大達(dá)到1000ppm。該技術(shù)打破了國(guó)際上僅由美國(guó)和俄羅斯極少數(shù)公司掌握的高均勻光致熱折變微晶玻璃的制備技術(shù)壟斷，為我國(guó)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(chǔ)。

　圖1. 高均勻性光致熱折變玻璃及衍射器件

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(yōu)點(diǎn)，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(zhuǎn)向、模式選擇、線寬窄化、光譜組束等領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。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(jí)元素的調(diào)控、鹵化物成分的揮發(fā)控制、氧鹵玻璃的分相調(diào)控及較大尺寸玻璃的均勻析晶，因此，具有極高的組分優(yōu)化設(shè)計(jì)和制備工藝難度。此前，具備實(shí)際商業(yè)化應(yīng)用的PTR玻璃制備及相關(guān)器件全流程制備技術(shù)被美國(guó)的三家公司所壟斷，其最大尺寸可達(dá)100mm口徑，但對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。 國(guó)內(nèi)相關(guān)工作也僅限于學(xué)術(shù)研究，還未見產(chǎn)品報(bào)道，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域特別是高功率激光技術(shù)的發(fā)展。

圖2. 不同工藝下，光致熱折變玻璃光譜及晶向XRD

近三年來(lái)，在國(guó)家相關(guān)項(xiàng)目的牽引和支持下，依托中科院強(qiáng)激光材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海光機(jī)所高功率激光單元技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室利用各自在特種光功能玻璃和光柵光學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，合作開展了大尺寸光致熱折變玻璃及體光柵的研究。通過(guò)優(yōu)化玻璃的組分設(shè)計(jì)、不同需求的光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)，在相關(guān)工藝技術(shù)中取得多項(xiàng)技術(shù)突破：解決了玻璃中酸堿度平衡問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)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(jìn)及玻璃熔制工藝優(yōu)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(shè)計(jì)，解決了玻璃中變價(jià)離子的價(jià)態(tài)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(wěn)定性曝光裝備的建立及其熱顯影工藝的精密調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了體光柵器件的制備。該系列技術(shù)的突破，使得上海光機(jī)所成為國(guó)內(nèi)首家自主掌握從PTR玻璃制備、高精穩(wěn)定曝光刻寫、熱顯影，到性能測(cè)試評(píng)估全流程的研究單位，可實(shí)現(xiàn)滿足不同應(yīng)用需求及場(chǎng)景的透射式和反射式體光柵器件的定制化研究，為滿足國(guó)內(nèi)重大應(yīng)用需求的激光系統(tǒng)研制奠定了關(guān)鍵材料和器件基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express, 2018,26(1) 157-164; Optics Express,2018, 26(19), 25336上。

圖3. 不同入射角度下的-1級(jí)和1級(jí)衍射效率曲線(TE偏振)