CSTM-透射式布拉格体光栅光学性能测试方法编制说明

密级：公开CSTM团体标准编制说明（征求意见稿）标准名称透射式布拉格体光栅光学性能测试方法主编单位苏州大学参编单位中科院上海光学精密机械研究所

《透射式布拉格体光栅光学性能测试方法》编制说明任务来源及计划要求经中国材料与试验团体标准委员会（CSTM标准委员会）光电材料及产品领域委员会审查，CSTM标准委员会批准CSTM标准《透射式布拉格体光栅光学性能测试方法》由苏州大学牵头，项目公告文件号：材试标字[2020]173号，归口管理委员会为CSTM/FC60/TC01光电材料及产品领域委员会光学玻璃标准化技术委员会，标准计划编号为CSTMLX600100488-2020。编制说明编制原则本标准符合国家有关法规和政策，贯彻贯彻执行国家标准、国家军用标准和行业标准的有关规定，充分吸收适用于本技术要求的相关国家标准、国家军用标准的内容，与相关标准协调一致。本标准的构成、内容、文字的表述、条文的编排、文件的引用等符合GB/T1.1—2020给出的规则要求。编制出的标准应具有先进性、适用性、科学性和可操作性。工作分工本标准由苏州大学牵头，上海光学精密机械研究所为联合承研单位。具体分工如下：1）苏州大学负责标准项目研制申请报告和测试方法的确定，标准的起草及编制；2）上海光学精密机械研究所负责大纲的汇总、征求意见的组织和归纳。自接到标准任务后，根据上海光学精密机械研究所胡丽丽研究员的提议，根据计划要求成立了由苏州大学和上海光学精密机械研究所的相关技术人员和标准化人员共同组成的项目编制组,并编制了标准编制计划表，按照计划表开展具体工作。结合苏州大学长期积累的经验及调研情况进行分析，前期在上海召开了两次标准意见征求会，邀请了杭州拓致光电科技有限公司、杭州光学精密机械研究所等科研和生产单位，结合这些单位的科研生产实际情况，确定了透射式布拉格体光栅光学性能参数测试方法，苏州大学高帆博士测试了OptiGrate公司体光栅产品TBG-1085nm，测试结果与OptiGrate公司提供的产品参数相互校验，编制出了标准草案。标准草案完成后，2019年11月和上海光学精密机械研究所组织项目组进行了讨论，确定了修改原则，并对标准草案进行了修改完善，最终形成标准征求意见稿初稿。2020年上半年，在行业内进行了充分的征求意见，共返回意见7条，其中采纳7条。2020年11月24日，在第二届CSTM/FC60/TC01光电材料及产品领域委员会光学玻璃标准化技术委员会大会上通过了评审，提出了修改意见，根据兵器标准化所专家的建议，对照国标GB/T1.1梳理了标准的框架结构，按照测试项目、测试方法、测试原理、测试设备、测试步骤来编写，对照国标GB/T1.1-2020梳理了标准中公式和符号，相应的图表中的中英文标识。审查会后，根据修改意见进行了修改，并送多位专家进行了一次审核，根据返回的7条意见，形成了征求意见稿。主要技术内容的说明范围针对基于光热折变玻璃、重铬酸钾凝胶等位相记录材料，采用双光束干涉曝光的形式制备的透射型布拉格体光栅光学元件（TVBG），本标准规定了透射型布拉格体光栅过率和衍射效率、角度选择性的测量、光谱选择性、光栅周期等光学性能参数的测试方法，包括测试仪器，测试步骤和数据处理等内容。本标准不适用于需要特殊设计和应用的布拉格体光栅，如反射式布拉格体光栅和啁啾光栅等在将来的标准中逐步完善，形成CSTM标准系列。耦合波理论模型Kogelnik的耦合波理论是分析体全息相位光栅的经典物理理论。图1表示单色平面波入射Bragg体光栅的理论模型，xoy平面为入射平面，图中R和S分别表示入射光和衍射光。K表示光栅矢量，Λ表示光栅周期，两者满足K=2π/Λ。ϕ表示光栅矢量倾斜角，直接决定光栅是透射型体光栅还是反射型体光栅，d表示光栅厚度。θ表示入射光对应的入射角。图1Bragg体光栅衍射模型根据耦合波理论，透射型Bragg体光栅的布拉格选择性表达式为：(1)其中：(2)(3)α表示介质材料的吸收系数，n为介质折射率，Λ为光栅周期、d为光栅厚度、n1为折射率调制度以及光栅矢量倾斜角ϕ。β表示光束的平均传播常数，cR和cS为光栅倾斜因子：(4)光束入射布拉格条件用光栅周期和光波波长表示为：(5)通常情况下，光束偏离布拉格条件的形式通常分为两种：1）波长一定时（Δλ=0），入射角不满足布拉格条件，即偏离布拉格角，表现为角度选择性；2）入射角一定时（Δθ=0），入射波长不满足布拉格条件，即偏离布拉格波长，表现为波长选择性。从式(2)和式(3)可以看出，当光束满足布拉格条件入射光栅时：(6)在近场滤波和宽带滤波领域，光栅需要有合适的截止频率和较高的效率，通常是以光栅角度选择曲线的第一零值半宽（HalfWidthatFirstZeropoint，HWFZ）定义；在光谱合成和半导体光谱优化领域，光栅需要具有合适的光谱选择性，通常是以光栅光谱选择曲线的半峰全宽（FullWidthatHalfMaximum，FWHM）定义。测试原理和方法在2019年，本标准项目组两次召集国内有关专家对测试原理和方法进行了讨论，基于Kogelnik的耦合波理论原理，采用光功率计对透过率、衍射效率测量和角度选择性及波长选择性计算，硬件设备容易配备，且精度也有保障，作为团体标准，本标准的适应性较广，适合作为CSTM的团体标准，便于推广。试验验证的情况和结果苏州大学是国内最早开始体光栅研制工作的单位之一，多年从事体光栅的研究和试制工作，和国内的一些光学玻璃厂商以及相关科研、测试机构也开展了一些列的合作。OptiGrate公司致力于在无机光敏硅酸盐玻璃中设计和制造全系列体布拉格光栅（透射布拉格光栅-TBG、反射布拉格光栅-RBG、啁啾布拉格光栅-CBG）。凭借由公司创始人开创并经中佛罗里达大学（UCF）许可的卓越技术，OptiGrate能够提供效率超过99.9%，受专利保护的体布拉格光栅。OptiGrate还在其它多个光栅参数方面创下了多项记录。结合OptiGrate商用光栅样品，采用本测试标准进行了相互验证。4.1对一种商用化光栅相关参数测量的验证图2中给出了TBG-1085nm体光栅相关参数，其应用波长1085nm，透过率91%，相对衍射效率99.9%（绝对衍射效率90.9%），角度选择性0.65mrad，波长选择性1.2nm，光栅周期1μm。对上述样品采用本测试标准进行了相关测量。测试主要仪器分别为Millenniaev20超窄线宽可调谐连续波环形激光器以及LabMax-TOP功率计。图2OptiGrate公司TBG-1085nm体光栅相关参数表1光栅透过率测试记录测量次数入射光Ii透射光It透过率备注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%图3TBG-1085nm体光栅透过率测量表2光栅衍射效率测试记录测量次数入射光Ii透射光II衍射光IIIηabηre备注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光栅角度选择性测试记录偏离角度（mrad）入射光I透射光II衍射光IIIηab备注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图4TBG-1085nm体光栅角度选择性测量表4光栅波长选择性测试记录测量次数12345Bragg入射角(°)32.85半峰波长1(nm)1085.561085.561085.551085.551085.56半峰波长2(nm)1084.441084.431084.441084.441084.45波长选择性(nm)1.121.131.111.131.11平均值(nm)1.124.2对苏州大学制备的体光栅周期测量的验证采用分光计，对实际制备的1800nm光栅的周期进行了测试，测得平均周期为1840nm，光栅矢量倾斜角为2′，采用扫描电镜测量得到的光栅周期为1860nm，测量误差为20nm，说明采用分光计测量光栅周期数值可行。图5采用分光计测量光栅周期及扫描电镜测量光栅周期对比通过以上对性能参数确定的成品商用体光栅的测量，以上的结果与其所标注的性能参数接近吻