CN103592770A - 一种rgb三色光合束器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种RGB三色光合束器及其制备方法。它包括两个相同的等腰直角棱镜、以重铬酸盐明胶为全息记录介质的透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2；透射***相全息光栅G1的峰值条纹面与光栅表面垂直，反射***相全息光栅G2的峰值条纹面与光栅表面平行；两个等腰直角棱镜的底面相向而置，两底面之间分别放置透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2，由环氧树脂粘合封装。本发明依据布喇格条件确定光栅参数，利用Kogelnik耦合波理论分别对透射VPHG和反射VPHG的衍射效率进行优化设计，具有衍射效率高，信噪比高，散射低，吸收低的特点，用于合束时光束能量损耗小，能有效提高光能的利用率。

Description

一种RGB三色光合束器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种RGB三色光合束器及其制备方法，属于信息光学技术领域。

背景技术

***相全息光栅（VPHG）具有衍射效率高、波长选择性和角度选择性强、信噪比高、散射低、吸收低以及制作成本低廉等特点，在高分辨率光谱仪器、波分复用以及脉冲压缩等技术领域具有广泛应用。

本世纪初起，随着对高能激光需求的日益增进，对激光合束器的理论和实验研究得到发展。1999年，美国麻省理工学院林肯实验室发明了一套合成装置，用平面光栅同时控制每个器件发出不同波长的光束，使各个光束在近场和远场实现叠加（参见文献：Cook C C and FanT Y Spectral beam combining of Yb—doped fiber lasers in an external cavity.OSA TOPS，Advanced solid lasers，1999，26:163-166.）。2003年，Igor V和Ciapurin等人对透射型体光栅频谱组束方案参数优化进行了研究，对高斯光束进行了仿真模拟，并对反射型体光栅的衍射特性进行了分析（参见文献：①Ciapurin I V Glebov L B，Smimov V I.Spectral combingof high-power fiber laser beams using Bragg grating in PTR glass.Proc.of SPIE,2004,5335:116-124.②Ciapurin I V，G1ebov L B.Modeling of Gaussian beam diffractionon vo1ume Bragg gratings in PTR glass[C],Proc.SPIE,2005,5742:183-194.）。2008年，Andrusyak等人利用四个反射式体布拉格光栅（VBG）实现了五路高功率光钎激光器的光谱合成（参见文献：Andrusyak O,Ciapurin I,Simirnov V,et al External and Common cavityhigh spectral Density Beam Combing of high Power Fiber Lasers[c]Proc.SPIE,2008,6873:687314.）。

近年来，国内也陆续开展了用于光谱合成的合束器研究。2008年，占生宝、赵尚弘等人对记录材料为PTR（光敏玻璃）的透射体布拉格光栅的频谱组束进行了相关研究(参见文献：基于透射体布拉格光栅频谱组束的研究[J].光电子·激光，2008，19(3)：318—32l.）；蒲世兵、姜宗福等人基于VBG建立了一套光谱合成的物理模型，数值模拟了两路和三路高斯线性光谱的激光合成（参见文献：基于体布拉格光栅的光谱合成的数值分析[J].强激光与粒子束，2008,20(5):721-724.)。2010年，刘莉、谭吉春等人设计了90°配置布拉格光栅并束光路并进行了两束不同波长的激光并束以及两束同种波长激光的并束实验（参见文献：基于体布拉格光栅的波束合成技术研究及实现[J]-国防科技大学学报2010,32(2).）。现有技术中，合束器通常用于波长间隔较小的高能量激光束之间的合束。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单，制备成本低廉，具有光束能量损耗小,光能利用率高的RGB三色光合束器及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是一种RGB三色光合束器，它包括两个相同的等腰直角棱镜、以重铬酸盐明胶为全息记录介质的透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2；透射***相全息光栅G1的峰值条纹面与光栅表面垂直，反射***相全息光栅G2的峰值条纹面与光栅表面平行；两个等腰直角棱镜的底面相向而置，两底面之间分别放置透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2，由环氧树脂粘合封装；所述的等腰直角棱镜的材料为BK7玻璃；所述RGB三色光它们的入射关系分别为：RGB三色光的光束与合束光互为90度角，RGB三色光中，一束光以透射形式通过光栅G1和G2，用O_透G1透G2表示，其余的两束光中，一束光入射到G1，经衍射通过G1后透射通过G2，用O_衍G1透G2表示，另一束入射到G2，经衍射通过G2，用O_衍G2表示。

本发明技术方案所述的RGB三色光合束器，由三个λ/2波片分别置于激光器与等腰直角棱镜的每个直角面之间。

一种制备如上所述的RGB三色光合束器的制备方法，包括如下：

1、透射***相全息光栅G1的结构参数为：

（1）空频f1满足以下条件：f₁＝1/Λ₁，其中，Λ₁为光栅G1的周期，入射光O_衍G1透G2的波长满足

其中，θ₃为入射光O_衍G1透G2与光栅条纹面形成的夹角，n₂为光栅介质的折射率；n₁sin45°＝n₂sinθ₃，式中，n₁为等腰直角棱镜的折射率；

（2）折射率调制度Δn₁为0.02～0.04；

（3）光栅介质厚度d1满足以下条件：

入射光O_透G1透G2和O_衍G1透G2满足布拉格条件非倾斜入射，透反射***相全息光栅TE波的衍射效率为：

其中，

i为正整数；

其中，

i为正整数；

θ₁为入射光O_衍G1透G2在介质内的入射角，为布拉格失配矢量，

为相位失配因子；

2、反射***相全息光栅G2的结构参数为：

（1）空频f₂＝1/Λ₂，其中，Λ₂为光栅G2的周期，入射光O_衍G2的波长满足

其中，θ₄为入射光O_衍G2与光栅条纹面形成的夹角，n₂为光栅介质的折射率；n₁sin45°＝n₂sinθ₄，式中，n₁为等腰直角棱镜的折射率；

（2）折射率调制度Δn₂=0.02～0.04；

（3）光栅介质厚度d₂满足如下条件

入射光满足布拉格条件非倾斜入射，反射***相全息光栅TE波的衍射效率为：

其中，η_衍G2=100%，η_衍G1透G2<0.05，η_透G1透G2<0.01，Δn₂为光栅介质折射率调制度，d₂为光栅介质厚度，θ_b为入射光O_衍G2在介质内与峰值条纹面的夹角。

本发明***相全息光栅结构参数的确定方法其依据的原理是：

1、***相全息光栅的布喇格条件

当两束相干光束入射到厚度为d（d>>λ）的全息记录介质上时，两束光相干涉形成***相全息光栅。物光和参考光从记录介质同一侧入射时所记录的光栅为透射全息光栅，参见附图1，图中（a）为透射***相全息光栅结构示意图，（b）为反射***相全息光栅结构示意图；如图1所示，物光和参考光从记录介质两侧入射时所记录的光栅为反射全息光栅。如果采用对称记录光路，则可得到非倾斜光栅，此时透射体全息光栅的峰值条纹面与记录介质表面垂直，而反射体全息光栅的峰值条纹面与记录介质表面平行。

再现时，当照明光波入射到体全息光栅中的峰值条纹面上时，一部分光将被透射衍射，另一部分光将被反射衍射。在这些衍射光中只有满足条件如式（1）所示：

2nΛsinθ_b＝λ         (1)

的才能加强干涉形成衍射光波，式中λ为空气中入射光波长，n为记录介质的折射率，Λ为光栅周期，θ_b为介质内照明光波与峰值条纹面的夹角。参见附图2，图中(a)为本发明提供的透射***相全息光栅的再现原理图，(b)为反射***相全息光栅的再现原理图；如图2所示，式（1）即为***相全息光栅的波前再现条件，也称布喇格（Bragg）衍射条件。满足布喇格条件入射的光衍射效率高，而偏离该条件的光衍射效率可以很低。***相全息光栅的这一性质可用于对不同波长光进行合束。

2、关于透射体全息光栅的衍射效率

由Kogelnik耦合波理论可知，当照明光波为振动方向垂直于入射面的TE波（即s偏振光）时，无吸收透射体相位光栅的衍射效率为式（2）：

${\mathrm{\&eta;}}_S=\frac{{\sin }^2{(v^2+{\mathrm{\&xi;}}^2)}^{1/2}}{1+{(\mathrm{\&xi;}/v)}^2}---\left(2\right)$

其中，相关参数分别如式（3）、（4）和（5）所示：

$v=\frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;nd}}{\mathrm{\&lambda;}{\left(\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\cos {\mathrm{\&theta;}}_2\right)}^{1/2}}---\left(3\right)$

$\mathrm{\&xi;}=\frac{\mathrm{\&delta;d}}{2\cos {\mathrm{\&theta;}}_2}---\left(4\right)$

δ＝Δθsin(φ-θ₀)-ΔλK²/4πn₂         (5)

式中：λ为入射光波长，θ₁和θ₂分别为介质内入射光波和衍射光波与z轴的夹角，θ₀为介质内入射光束满足布喇格条件时的入射角（与Z轴所夹的角）,φ为光栅矢量K与Z轴的夹角，Δn和d分别为记录介质的折射率调制度和厚度，K为光栅矢量，ξ为布拉格失配矢量，δ为相位失配因子。

3、关于反射体全息光栅的衍射效率

由Kogelnik耦合波理论可知，当照明光波为振动方向垂直于入射面的TE波（即s偏振光）时，无吸收反射体相位光栅的衍射效率为式（6）：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{{\mathrm{sh}}^2{(v^2-{\mathrm{\&xi;}}^2)}^{1/2}}{{\mathrm{sh}}^2{(v^2-{\mathrm{\&xi;}}^2)}^{1/2}+\left[{1-(\mathrm{\&xi;}/v)}^2\right]}---\left(6\right)$

其中，相关参数分别如式（7）、（8）和（9）所示：

$v=\frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;nd}}{\mathrm{\&lambda;}{\left(\cos {\mathrm{\&theta;}}_1\cos {\mathrm{\&theta;}}_2\right)}^{1/2}}---\left(7\right)$

ξ＝δd/2cosθ₂                (8)

δ＝Δθ·Κsin(φ-θ₀)-ΔλΚ²/4πn₂          (9)

式中：θ₁和θ₂为介质内入射光波和衍射光波与z轴的夹角，K是光栅矢量，φ为光栅矢量K与Z轴的夹角，Δn和d分别为记录介质的折射率调制度和厚度，ξ为布拉格失配矢量，δ为相位失配因子。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的RGB三色光合束器件制备简单，且成本低廉，可永久保存。

2、VPHG的衍射效率高理论上可以达到100%，信噪比高，散射低，吸收低，用于合束时光束能量损耗小，能有效提高光能的利用率。

3、本发明提供的RGB三色光合束器件若增加λ/2波片该合束器，适用于RGB三色光均为P偏振光时的合束，在激光投影***具有潜在应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的透射***相和反射***相全息光栅结构的示意图；

图2为本发明提供的透射***相和反射***相全息光栅的再现原理图；

图3为本发明实施例1提供的RGB三色光合束器的结构和使用光路示意图；

图4为本发明实施例1中红光与蓝光经过透射***相全息光栅G1合束示意图；

图5为本发明实施例1提供的透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率（+1级）分布曲线图；

图6为本发明实施例1提供的红光、蓝光和绿光三束光合束示意图；

图7本发明实施例1提供的反射***相全息光栅G2的衍射效率曲线图；

图8为本发明实施例2提供的RGB三色光合束器的结构和使用光路示意图；

图9本发明实施例2提供的透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率（+1级）分布曲线图；

图10为本发明实施例2提供的反射***相全息光栅G2的波长-衍射效率（+1级）分布曲线图；

图11为本发明实施例3提供的RGB三色光合束器的结构和使用光路示意图；

图12本发明实施例3提供的透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率（+1级）分布曲线图；

图13为本发明实施例3提供的反射***相全息光栅G2的波长-衍射效率（+1级）分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1

参见附图3，它是本实施例提供的RGB三色光合束器的结构和使用光路示意图；在本实施例中，RGB三色光波长分别为红光λ_R=635nm,绿光λ_G=532nm,蓝光λ_B=473nm，进行透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2的结构参数设计。RGB三色光合束器包括由两个相同的等腰直角棱镜P1和P2、透射***相全息光栅G1以及反射***相全息光栅G2。光栅G1和G2为以对称光路记录得到的非倾斜峰值条纹面光栅，即光栅G1的峰值条纹面与光栅表面垂直，光栅G2的峰值条纹面与光栅表面平行。两个相同的等腰直角棱镜的底面相向而置，其间分别放置透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2，用环氧树脂粘合封装。RGB三色光（均为s偏振光，即振动面垂直于入射面）以互为90°的角度分别垂直入射于两等腰直角棱镜的三个直角面上。红光（波长为λ_R）和蓝光（波长为λ_B）经过透射***相全息光栅G1，此时G1对λ_R的衍射效率最大而对λ_B的衍射效率极小，且由于λ_R在G1上的入射角和衍射角相对于峰值条纹面呈镜面对称，而λ_B主要以透射形式经过G1，所以经过G1后λ_R与λ_B的出射方向一致，合束后进入反射***相全息光栅G2。G2对此入射的λ_R和λ_B的衍射效率均极小，而对绿光（波长为λ_G）的衍射效率最大，且由于λ_G在G2上的入射角和衍射角相对于峰值条纹面也呈镜面对称，而λ_R和λ_B主要以透射形式经过G2，所以经过G2后λ_R和λ_B与λ_G的出射方向一致。最终，RGB三色光沿同一方向从等腰直角棱镜P2的一个直角面上垂直出射，从而实现RGB三色光的合束功能。

如果RGB三色光均为p偏振光(即振动面平行于入射面），则可在各色光进入等腰直角棱镜前先通过λ/2波片转化为s偏振光，然后再进行合束。

光栅G1和G2均采用重铬酸盐明胶（DCG，折射率n₂=1.52）作为全息记录介质，且均为非倾斜条纹面光栅。根据各色光波长、光束入射和出射方向要求分别确定光栅G1和G2的空频。采用Kogelnik耦合波理论和G-solver软件（基于严格耦合波理论）分别对光栅G1和G2的折射率调制度Δn和胶厚d进行优化选取，以达到各色光的衍射效率要求。合束器中所用棱镜材料为BK7玻璃（折射率为n₁=1.5168）。

***相全息光栅合束器的设计步骤如下：

1、透射***相光栅G1参数的确定及衍射效率的优化设计

参见附图4，它是本实施例中红光与蓝光经过透射***相全息光栅G1合束示意图；如图4所示，透射***相全息光栅G1的作用是实现波长为λ_R的红光与波长为λ_B的蓝光的合束。当红光与蓝光在透射***相全息光栅G1表面法线两侧入射时，为使蓝光主要以透射形式通过光栅G1而红光经光栅G1衍射后与蓝光合束，应使光栅G1在λ_R处的衍射效率最大而在λ_B处的衍射效率极小。

(1)空频f的确定

当红光λ_R从棱镜P1的一个直角面垂直入射后，到达光栅G1表面的入射角为45°。由折射率定理可以求得λ_R在光栅介质内的入射角θ₃为式（10）所示：

n₁sin45°＝n₂sinθ₃         (10)

为使光栅G1在λ_R处获得高衍射效率，需满足布喇格衍射条件，即公式（1）为式（11）所示：

λ_R＝2n₂Λ₁sinθ₃         (11)

由此得到透射***相光栅G1的空频为：f₁＝1/Λ₁=3378lp/mm。

(2)衍射效率的优化

当入射光满足布拉格条件入射至非倾斜条纹面光栅时，即δ＝0,ξ＝0,由(2)式得到此时透射***相全息光栅对TE波（即s偏振）的衍射效率为式（12）所示：

$\mathrm{\&eta;}={\sin }^{2}v={\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;nd}}{\mathrm{\&lambda;}\cos {\mathrm{\&theta;}}_1}\right)---\left(12\right)$

由(12)式可知，光栅衍射效率与记录介质折射率调制度Δn和记录介质折射率调制度d有关。当光栅G1对红光的衍射效率最大时需要满足式（13）：

$\frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;nd}}{{\mathrm{\&lambda;}}_R\cos {\mathrm{\&theta;}}_1}=i\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},(i=\mathrm{1,2},....)---\left(13\right)$

由(2)可知，为使蓝光的衍射效率最小，主要以透射形式通过G1，需要满足式（14）：

(υ_B ²+ξ_B ²)¹/²＝iπ(i=1,2,...)          (14)

通常将折射率调制度Δn控制在0.02～0.04范围以内。通过对折射率调制度Δn和胶厚d的优化选择，并分别利用Kogelnik耦合波理论和G-solver软件计算得到透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率分布曲线如图5所示，此时，记录介质折射率调制度Δn₁=0.02，记录介质厚度d₁=11.4um。

参见附图5，它是本实施例透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率（+1级）分布曲线（f=3378lp/mm,Δn=0.02，d=11.4um）；由图5可以看出，对于高空频***相全息光栅而言，由Kogelnik耦合波理论和G-solver软件（基于严格耦合波理论）计算得到的衍射效率曲线相一致。透射***相全息光栅G1在λ_R=635nm处衍射效率接近100%，而在λ_B=473nm处衍射效率接近为0，因此，在光栅G1中红光和蓝光分别以1级衍射和0级衍射（即透射）的形式通过。且由于红光和蓝光以互为90°角度出射至光栅G1的表面，而红光在G1介质内的入射角和衍射角相对于峰值条纹面呈镜面对称，因此，红光和蓝光在光栅G1表面的出射方向一致，以合束的形式入射至光栅G2。

计算结果得到本实施例透射***相全息光栅G1的参数：空频f₁＝1/Λ₁=3378lp/mm，记录介质折射率调制度Δn₁=0.02，记录介质厚度d₁=11.4um。

2、反射***相光栅G2的参数确定以及衍射效率的优化设计

参见附图6，它是本实施例红光、蓝光和绿光三束光合束示意图；如图6所示，反射***相全息光栅G2的作用是对λ_R和λ_B的衍射效率极小，对λ_G的1级衍射效率最大，即λ_R和λ_B主要以透射形式通过光栅G2，而λ_G以衍射形式通过光栅G2，最终实现RGB三色光的合束。

(1)空频f的确定

当绿光λ_G=532nm从棱镜P2的一个直角面垂直入射后，到达光栅G2表面的入射角为45°。由折射率定理可以求得λ_G在光栅介质内的入射角θ₄为式（15）：

n₁sin45°＝n₂sinθ₄         (15)

为使光栅G2在λ_G处获得高衍射效率，需满足布喇格衍射条件，即公式（1）可得到式（16）：

${\mathrm{\&lambda;}}_G=2n_2{\mathrm{\&Lambda;}}_2\cos {\mathrm{\&theta;}}_4=2n_2{\mathrm{\&Lambda;}}_2\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_4}---\left(16\right)$

由此得到反射***相光栅G2的空频为：f₂＝1/Λ₂=4049lp/mm。

(2)衍射效率的优化设计

当入射光满足布拉格条件非倾斜入射时，即δ＝0,ξ＝0,由(6)式得到此时透射***相全息光栅TE波的衍射效率为式（17）：

${\mathrm{\&eta;}}_G={\mathrm{th}}^2\left(\frac{\mathrm{\&pi;\&Delta;nd}}{{\mathrm{\&lambda;}}_G\sin {\mathrm{\&theta;}}_b}\right)---\left(17\right)$

式中：Δn为DCG介质折射率调制度，d为光栅厚度，θ_b为介质内照明光波与峰值条纹面的夹角。由双曲正切函数的性质可知，当Δnd足够大的时候，衍射效率理论值就可以达到100%。使绿光η达到最大的同时使红光和蓝光的衍射效率最小。通常将折射率调制度和胶厚的参数控制为：Δn=0～0.04,d=0～50um。

通过对折射率调制度Δn和胶厚d的优化选择，并分别利用Kogelnik耦合波理论和G-solver软件计算得到反射***相全息光栅G2的衍射效率曲线参见附图7；此时，记录介质折射率调制度Δn₂=0.03，记录介质厚度d₂=24um。由图7可以看出，采用Kogelnik耦合波理论和G-solver软件（基于严格耦合波理论）计算得到的衍射效率曲线相一致。光栅G2在λ_G=532nm处的衍射效率为100%，在λ_R=635nm处以及λ_B=473nm处衍射效率接近为0。因此，在光栅G2中红光和蓝光以0级衍射（即透射）的形式通过，而绿光则以1级衍射的形式通过，且由于λ_G在G2上的入射角和衍射角相对于峰值条纹面也呈镜面对称，因此，三色光在光栅G2上出射方向一致，最终沿同一方向从等腰直角棱镜P2的一个直角面上垂直出射，从而实现RGB三色光的合束功能。

计算结果得到本实施例反射***相光栅G2的参数为：空频f₂＝1/Λ₂=4049lp/mm，记录介质折射率调制度Δn₂=0.03，记录介质厚度d₂=24um。

本实施例提供了一种以透射和反射***相全息光栅为核心器件的新型RGB三色光合束器件。以DCG为全息记录介质，根据布喇格条件确定两光栅的空频，采用Kogelnik耦合波理论和G-solver软件对透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2的衍射效率进行优化设计，得到了G1在红光λ_R=635nm处的衍射效率达100%、在蓝光λ_B=473nm处衍射效率接近0，而G2在红光λ_G=532nm处的衍射效率达100%、在红光λ_R=635nm和蓝光λ_B=473nm处的衍射效率接近0的结果。将这两光栅与两等腰直角棱镜相组合，当RGB三色光（均为s偏振光，即振动面垂直于入射面）以互为90°的角度分别垂直入射于两等腰直角棱镜的三个直角面时，最终RGB三色光沿同一方向从等腰直角棱镜的一个直角面上垂直出射，从而实现RGB三色光的合束功能。

可通过增加λ/2波片，该合束器亦适用于RGB三色光均为p偏振光(即振动面平行于入射面）时的合束。由于***相全息光栅具有衍射效率高、信噪比高、散射低以及吸收低等性能，本发明提供的新型合束器有利于提高光能的利用率，在激光投影***具有潜在应用前景。

实施例2

参见附图8，它是本实施例提供的***相全息光栅合束器的结构和使用光路示意图；在本实施例中，RGB三色光它们的入射关系分别为：

光栅G1:红光（波长为λ_R）和绿光（波长为λ_G）经过透射***相全息光栅G1，此时G1对λ_G的衍射效率最大而对λ_R的衍射效率极小。

光栅G2:红光（波长为λ_R）、绿光（波长为λ_G)和蓝光（波长λ_B)经过反射***相全息光栅G2，此时G2对此入射的λ_R和λ_G的衍射效率均极小，而对蓝光（波长为λ_B）的衍射效率最大。

1、光栅G1参数的确定

参见附图9，它是本实施例透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率（+1级）分布曲线；图9可知，透射***相全息光栅G1在λ_G=532nm处衍射效率接近100%，而在λ_R=635nm处衍射效率接近为0，因此，在光栅G1中绿光和红光分别以1级衍射和0级衍射（即透射）的形式通过。且由于绿光和红光以互为90°角度出射至光栅G1的表面，而绿光在G1介质内的入射角和衍射角相对于峰值条纹面呈镜面对称，因此，绿光和红光在光栅G1表面的出射方向一致，以合束的形式入射至光栅G2。按实施例1的方法得出G1参数:f=4040lp/mm,Δn=0.02，d=9.5um。

2、光栅G2参数的确定

参见附图10，它是本实施例反射***相全息光栅G2的波长-衍射效率（+1级）分布曲线；在光栅G2中红光和绿光以0级衍射（即透射）的形式通过，而蓝光则以1级衍射的形式通过，且由于λ_B在G2上的入射角和衍射角相对于峰值条纹面也呈镜面对称，因此，三色光在光栅G2上出射方向一致，最终沿同一方向从等腰直角棱镜P2的一个直角面上垂直出射，从而实现RGB三色光的合束功能。按实施例1的方法得出G2参数：f=4554lp/mm,d=20um,Δn=0.03。

实施例3

参见附图11，它是本实施例提供的***相全息光栅合束器的结构和使用光路示意图；在本实施例中，RGB三色光它们的入射关系分别为：

光栅G1:蓝光（波长为λ_B）和绿光（波长为λ_G）经过透射***相全息光栅G1，此时G1对λ_B的衍射效率最大而对λ_G的衍射效率极小。

光栅G2:蓝光（波长λ_B)、绿光（波长为λ_G)和红光（波长为λ_R）经过反射***相全息光栅G2，此时G2对此入射的λ_B和λ_G的衍射效率均极小，而对红光（波长为λ_R）的衍射效率最大。

1、光栅G1参数的确定

参见附图12，它是本实施例透射***相全息光栅G1的波长-衍射效率（+1级）分布曲线；由图12可知，透射***相全息光栅G1在λ_B=473nm处衍射效率接近100%，而在λ_G=532nm处衍射效率接近为0，因此，在光栅G1中蓝光和绿光分别以1级衍射和0级衍射（即透射）的形式通过。且由于蓝光和绿光以互为90°角度出射至光栅G1的表面，而绿光在G1介质内的入射角和衍射角相对于峰值条纹面呈镜面对称，因此，蓝光和绿光在光栅G1表面的出射方向一致，以合束的形式入射至光栅G2。按实施例1方法得到G1参数:f=4543lp/mm,Δn=0.02，d=8.5um。

2、光栅G2参数的确定

参见附图13，它是本实施例反射***相全息光栅G2的波长-衍射效率（+1级）分布曲线。在光栅G2中蓝光和绿光以0级衍射（即透射）的形式通过，而红光则以1级衍射的形式通过，且由于λ_R在G2上的入射角和衍射角相对于峰值条纹面也呈镜面对称，因此，三色光在光栅G2上出射方向一致，最终沿同一方向从等腰直角棱镜P2的一个直角面上垂直出射，从而实现RGB三色光的合束功能。按实施例1方法得出G2参数：f=3392lp/mm,d=30um,Δn=0.03。

Claims (3)

1.一种RGB三色光合束器，其特征在于：它包括两个相同的等腰直角棱镜、以重铬酸盐明胶为全息记录介质的透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2；透射***相全息光栅G1的峰值条纹面与光栅表面垂直，反射***相全息光栅G2的峰值条纹面与光栅表面平行；两个等腰直角棱镜的底面相向而置，两底面之间分别放置透射***相全息光栅G1和反射***相全息光栅G2，由环氧树脂粘合封装；所述的等腰直角棱镜的材料为BK7玻璃；所述RGB三色光它们的入射关系分别为：RGB三色光的光束与合束光互为90度角，RGB三色光中，一束光以透射形式通过光栅G1和G2，用O_透G1透G2表示，其余的两束光中，一束光入射到G1，经衍射通过G1后透射通过G2，用O_衍G1透G2表示，另一束入射到G2，经衍射通过G2，用O_衍G2表示。

2.根据权利要求1所述的一种RGB三色光合束器，其特征在于：三个λ/2波片分别置于激光器与等腰直角棱镜的每个直角面之间。

3.一种制备如权利要求1所述的RGB三色光合束器的制备方法，其特征在于：

透射***相全息光栅G1的结构参数为：

（1）空频f1满足以下条件：f₁＝1/Λ₁，其中，Λ₁为光栅G1的周期，入射光O_衍G1透G2的波长满足

其中，θ₃为入射光O_衍G1透G2与光栅条纹面形成的夹角，n₂为光栅介质的折射率；n₁sin45°＝n₂sinθ₃，式中，n₁为等腰直角棱镜的折射率；

（2）折射率调制度Δn₁为0.02～0.04；

（3）光栅介质厚度d₁满足以下条件：

入射光O_透G1透G2和O_衍G1透G2满足布拉格条件非倾斜入射，透反射***相全息光栅TE波的衍射效率为：

其中，

i为正整数；

其中，

i为正整数；

θ₁为入射光O_衍G1透G2在介质内的入射角，

为布拉格失配矢量，

为相位失配因子；

反射***相全息光栅G2的结构参数为：

（1）空频f₂＝1/Λ₂，其中，Λ₂为光栅G2的周期，入射光O_衍G2的波长满足

其中，θ₄为入射光O_衍G2与光栅条纹面形成的夹角，n₂为光栅介质的折射率；n₁sin45°＝n₂sinθ₄，式中，n₁为等腰直角棱镜的折射率；

（2）折射率调制度Δn₂=0.02～0.04；

（3）光栅介质厚度d₂满足如下条件

入射光满足布拉格条件非倾斜入射，反射***相全息光栅TE波的衍射效率为：

其中，η_衍G2=100%，η_衍G1透G2<0.05，η_透G1透G2<0.01，Δn₂为光栅介质折射率调制度，d₂为光栅介质厚度，θ_b为入射光O_衍G2在介质内与峰值条纹面的夹角。

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