上海光机所在光致热折变玻璃及体光栅的研制方面取得进展

近日，中科院上海光机所在用于体光栅（VBG）的光致热折变玻璃（Photo-Thermo-Refractive glass，简称PTR）的研制方面取得了重要进展，在国内率先制备出80×30×20mm、具有高光敏和热敏特性、高均匀性（<10-5）的光致热折变玻璃。PTR是一种高透过率光学微晶玻璃，该玻璃通过紫外曝光、热显影工艺，可获得的折射率调制度最大达到1000ppm。该技术打破了国际上仅由美国和俄罗斯极少数公司掌握的高均匀光致热折变微晶玻璃的制备技术垄断，为我国开展基于此类玻璃的新型体光栅器件研究奠定了材料基础。

　图1. 高均匀性光致热折变玻璃及衍射器件

基于光致热折变玻璃的体光栅器件，由于具有高精度角度和波谱选择性以及高功率密度耐受性等优点，在超快脉冲激光器展宽和压缩、高功率固体激光器的光束转向、模式选择、线宽窄化、光谱组束等领域具有显著的应用优势。虽然该玻璃的研究最早可追溯到1980年，但由于该玻璃涉及ppm量级元素的调控、卤化物成分的挥发控制、氧卤玻璃的分相调控及较大尺寸玻璃的均匀析晶，因此，具有极高的组分优化设计和制备工艺难度。此前，具备实际商业化应用的PTR玻璃制备及相关器件全流程制备技术被美国的三家公司所垄断，其最大尺寸可达100mm口径，但对我国实行禁运。 国内相关工作也仅限于学术研究，还未见产品报道，严重制约了国内相关技术领域特别是高功率激光技术的发展。

图2. 不同工艺下，光致热折变玻璃光谱及晶向XRD

近三年来，在国家相关项目的牵引和支持下，依托中科院强激光材料重点实验室，上海光机所高功率激光单元技术实验室和薄膜光学实验室利用各自在特种光功能玻璃和光栅光学领域的优势，合作开展了大尺寸光致热折变玻璃及体光栅的研究。通过优化玻璃的组分设计、不同需求的光栅结构设计及工艺设计，在相关工艺技术中取得多项技术突破：解决了玻璃中酸碱度平衡问题，实现了银原子和银离子的阶段控制；熔炉、坩埚制备条件的自主改进及玻璃熔制工艺优化的突破，获得了大尺寸、高均匀性氧氟微晶玻璃的制备；成型和退火工艺设计，解决了玻璃中变价离子的价态控制，最终获得了大于30mm口径的具有高光敏和热敏特性的光致热折变玻璃；高精稳定性曝光装备的建立及其热显影工艺的精密调控，实现了体光栅器件的制备。该系列技术的突破，使得上海光机所成为国内首家自主掌握从PTR玻璃制备、高精稳定曝光刻写、热显影，到性能测试评估全流程的研究单位，可实现满足不同应用需求及场景的透射式和反射式体光栅器件的定制化研究，为满足国内重大应用需求的激光系统研制奠定了关键材料和器件基础。相关成果发表在Optics Express, 2018,26(1) 157-164; Optics Express,2018, 26(19), 25336上。

图3. 不同入射角度下的-1级和1级衍射效率曲线(TE偏振)