CSTM-透射式布拉格體光柵光學(xué)性能測試方法編制說明

密級：公開CSTM團體標準編制說明（征求意見稿）標準名稱透射式布拉格體光柵光學(xué)性能測試方法主編單位蘇州大學(xué)參編單位中科院上海光學(xué)精密機械研究所

《透射式布拉格體光柵光學(xué)性能測試方法》編制說明任務(wù)來源及計劃要求經(jīng)中國材料與試驗團體標準委員會（CSTM標準委員會）光電材料及產(chǎn)品領(lǐng)域委員會審查，CSTM標準委員會批準CSTM標準《透射式布拉格體光柵光學(xué)性能測試方法》由蘇州大學(xué)牽頭，項目公告文件號：材試標字[2020]173號，歸口管理委員會為CSTM/FC60/TC01光電材料及產(chǎn)品領(lǐng)域委員會光學(xué)玻璃標準化技術(shù)委員會，標準計劃編號為CSTMLX600100488-2020。編制說明編制原則本標準符合國家有關(guān)法規(guī)和政策，貫徹貫徹執(zhí)行國家標準、國家軍用標準和行業(yè)標準的有關(guān)規(guī)定，充分吸收適用于本技術(shù)要求的相關(guān)國家標準、國家軍用標準的內(nèi)容，與相關(guān)標準協(xié)調(diào)一致。本標準的構(gòu)成、內(nèi)容、文字的表述、條文的編排、文件的引用等符合GB/T1.1—2020給出的規(guī)則要求。編制出的標準應(yīng)具有先進性、適用性、科學(xué)性和可操作性。工作分工本標準由蘇州大學(xué)牽頭，上海光學(xué)精密機械研究所為聯(lián)合承研單位。具體分工如下：1）蘇州大學(xué)負責(zé)標準項目研制申請報告和測試方法的確定，標準的起草及編制；2）上海光學(xué)精密機械研究所負責(zé)大綱的匯總、征求意見的組織和歸納。自接到標準任務(wù)后，根據(jù)上海光學(xué)精密機械研究所胡麗麗研究員的提議，根據(jù)計劃要求成立了由蘇州大學(xué)和上海光學(xué)精密機械研究所的相關(guān)技術(shù)人員和標準化人員共同組成的項目編制組,并編制了標準編制計劃表，按照計劃表開展具體工作。結(jié)合蘇州大學(xué)長期積累的經(jīng)驗及調(diào)研情況進行分析，前期在上海召開了兩次標準意見征求會，邀請了杭州拓致光電科技有限公司、杭州光學(xué)精密機械研究所等科研和生產(chǎn)單位，結(jié)合這些單位的科研生產(chǎn)實際情況，確定了透射式布拉格體光柵光學(xué)性能參數(shù)測試方法，蘇州大學(xué)高帆博士測試了OptiGrate公司體光柵產(chǎn)品TBG-1085nm，測試結(jié)果與OptiGrate公司提供的產(chǎn)品參數(shù)相互校驗，編制出了標準草案。標準草案完成后，2019年11月和上海光學(xué)精密機械研究所組織項目組進行了討論，確定了修改原則，并對標準草案進行了修改完善，最終形成標準征求意見稿初稿。2020年上半年，在行業(yè)內(nèi)進行了充分的征求意見，共返回意見7條，其中采納7條。2020年11月24日，在第二屆CSTM/FC60/TC01光電材料及產(chǎn)品領(lǐng)域委員會光學(xué)玻璃標準化技術(shù)委員會大會上通過了評審，提出了修改意見，根據(jù)兵器標準化所專家的建議，對照國標GB/T1.1梳理了標準的框架結(jié)構(gòu)，按照測試項目、測試方法、測試原理、測試設(shè)備、測試步驟來編寫，對照國標GB/T1.1-2020梳理了標準中公式和符號，相應(yīng)的圖表中的中英文標識。審查會后，根據(jù)修改意見進行了修改，并送多位專家進行了一次審核，根據(jù)返回的7條意見，形成了征求意見稿。主要技術(shù)內(nèi)容的說明范圍針對基于光熱折變玻璃、重鉻酸鉀凝膠等位相記錄材料，采用雙光束干涉曝光的形式制備的透射型布拉格體光柵光學(xué)元件（TVBG），本標準規(guī)定了透射型布拉格體光柵過率和衍射效率、角度選擇性的測量、光譜選擇性、光柵周期等光學(xué)性能參數(shù)的測試方法，包括測試儀器，測試步驟和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。本標準不適用于需要特殊設(shè)計和應(yīng)用的布拉格體光柵，如反射式布拉格體光柵和啁啾光柵等在將來的標準中逐步完善，形成CSTM標準系列。耦合波理論模型Kogelnik的耦合波理論是分析體全息相位光柵的經(jīng)典物理理論。圖1表示單色平面波入射Bragg體光柵的理論模型，xoy平面為入射平面，圖中R和S分別表示入射光和衍射光。K表示光柵矢量，Λ表示光柵周期，兩者滿足K=2π/Λ。?表示光柵矢量傾斜角，直接決定光柵是透射型體光柵還是反射型體光柵，d表示光柵厚度。θ表示入射光對應(yīng)的入射角。圖1Bragg體光柵衍射模型根據(jù)耦合波理論，透射型Bragg體光柵的布拉格選擇性表達式為：(1)其中：(2)(3)α表示介質(zhì)材料的吸收系數(shù)，n為介質(zhì)折射率，Λ為光柵周期、d為光柵厚度、n1為折射率調(diào)制度以及光柵矢量傾斜角?。β表示光束的平均傳播常數(shù)，cR和cS為光柵傾斜因子：(4)光束入射布拉格條件用光柵周期和光波波長表示為：(5)通常情況下，光束偏離布拉格條件的形式通常分為兩種：1）波長一定時（Δλ=0），入射角不滿足布拉格條件，即偏離布拉格角，表現(xiàn)為角度選擇性；2）入射角一定時（Δθ=0），入射波長不滿足布拉格條件，即偏離布拉格波長，表現(xiàn)為波長選擇性。從式(2)和式(3)可以看出，當(dāng)光束滿足布拉格條件入射光柵時：(6)在近場濾波和寬帶濾波領(lǐng)域，光柵需要有合適的截止頻率和較高的效率，通常是以光柵角度選擇曲線的第一零值半寬（HalfWidthatFirstZeropoint，HWFZ）定義；在光譜合成和半導(dǎo)體光譜優(yōu)化領(lǐng)域，光柵需要具有合適的光譜選擇性，通常是以光柵光譜選擇曲線的半峰全寬（FullWidthatHalfMaximum，F(xiàn)WHM）定義。測試原理和方法在2019年，本標準項目組兩次召集國內(nèi)有關(guān)專家對測試原理和方法進行了討論，基于Kogelnik的耦合波理論原理，采用光功率計對透過率、衍射效率測量和角度選擇性及波長選擇性計算，硬件設(shè)備容易配備，且精度也有保障，作為團體標準，本標準的適應(yīng)性較廣，適合作為CSTM的團體標準，便于推廣。試驗驗證的情況和結(jié)果蘇州大學(xué)是國內(nèi)最早開始體光柵研制工作的單位之一，多年從事體光柵的研究和試制工作，和國內(nèi)的一些光學(xué)玻璃廠商以及相關(guān)科研、測試機構(gòu)也開展了一些列的合作。OptiGrate公司致力于在無機光敏硅酸鹽玻璃中設(shè)計和制造全系列體布拉格光柵（透射布拉格光柵-TBG、反射布拉格光柵-RBG、啁啾布拉格光柵-CBG）。憑借由公司創(chuàng)始人開創(chuàng)并經(jīng)中佛羅里達大學(xué)（UCF）許可的卓越技術(shù)，OptiGrate能夠提供效率超過99.9%，受專利保護的體布拉格光柵。OptiGrate還在其它多個光柵參數(shù)方面創(chuàng)下了多項記錄。結(jié)合OptiGrate商用光柵樣品，采用本測試標準進行了相互驗證。4.1對一種商用化光柵相關(guān)參數(shù)測量的驗證圖2中給出了TBG-1085nm體光柵相關(guān)參數(shù)，其應(yīng)用波長1085nm，透過率91%，相對衍射效率99.9%（絕對衍射效率90.9%），角度選擇性0.65mrad，波長選擇性1.2nm，光柵周期1μm。對上述樣品采用本測試標準進行了相關(guān)測量。測試主要儀器分別為Millenniaev20超窄線寬可調(diào)諧連續(xù)波環(huán)形激光器以及LabMax-TOP功率計。圖2OptiGrate公司TBG-1085nm體光柵相關(guān)參數(shù)表1光柵透過率測試記錄測量次數(shù)入射光Ii透射光It透過率備注11.14mW1.04mW91.2%21.12mW1.02mW91.1%31.12mW1.02mW91.1%41.13mW1.03mW91.1%51.13mW1.04mW92.0%平均值1.128mW1.030mW91.3%圖3TBG-1085nm體光柵透過率測量表2光柵衍射效率測試記錄測量次數(shù)入射光Ii透射光II衍射光IIIηabηre備注11.13mW0.001mW1.03mW91.2%99.9%21.13mW0.002mW1.02mW90.3%99.8%31.13mW0.002mW1.02mW90.3%99.8%41.13mW0.001mW1.03mW91.2%99.9%51.13mW0.002mW1.02mW90.3%99.8%平均值1.13mW0.0016mW1.024mW91.3%99.84%表3光柵角度選擇性測試記錄偏離角度（mrad）入射光I透射光II衍射光IIIηab備注01.14mW0.001mW1.030mW90.97%0.200.216mW0.814mW71.49%0.300.375mW0.656mW57.50%0.400.633mW0.397mW34.82%0.500.844mW0.186mW16.3%0.721.03mW00圖4TBG-1085nm體光柵角度選擇性測量表4光柵波長選擇性測試記錄測量次數(shù)12345Bragg入射角(°)32.85半峰波長1(nm)1085.561085.561085.551085.551085.56半峰波長2(nm)1084.441084.431084.441084.441084.45波長選擇性(nm)1.121.131.111.131.11平均值(nm)1.124.2對蘇州大學(xué)制備的體光柵周期測量的驗證采用分光計，對實際制備的1800nm光柵的周期進行了測試，測得平均周期為1840nm，光柵矢量傾斜角為2′，采用掃描電鏡測量得到的光柵周期為1860nm，測量誤差為20nm，說明采用分光計測量光柵周期數(shù)值可行。圖5采用分光計測量光柵周期及掃描電鏡測量光柵周期對比通過以上對性能參數(shù)確定的成品商用體光柵的測量，以上的結(jié)果與其所標注的性能參數(shù)接近吻