近红外波段体位相全息光栅的设计与制作

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近年来,随着温室效应的加剧,越来越多的国家开始采用具有测量范围宽、灵敏度高、准确性高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点的红外吸收法监测温室气体浓度。为实现不同温室气体浓度的测量,传统的方法是利用多个多层介质膜滤波器分离不同气体的吸收光谱,但这种滤波器要达到很高的效率必须要镀上几十甚至上百层的膜,制作工艺复杂、制作成本高。采用重铬酸盐明胶(DCG)制作的反射型体位相全息光栅(Volume Phase Holographic Grating,VPHG),只需要一层几十微米厚的膜就能达到接近理想的高衍射效率。利用多块反射VPHG可实现不同波段光谱的有效分离,由此可大大降低对制作工艺的要求。另外,与介质膜滤波器相比,反射型VPHG具有高光密度、窄带宽、陡带边和高带外透过率等优点。因此,研制可用于近红外波段滤波分束的高衍射效率体位相全息光栅具有重要意义。  本文介绍了体位相全息光栅的研究现状,对体位相全息光栅的原理进行简要叙述,包括Kogelnik耦合波理论以及严格耦合波理论(RCWA)。提出一种以反射体位相全息光栅为核心器件的可用于近红外波段的分束器件,给出了该分束器的设计思路。以甲烷和二氧化碳的近红外吸收光谱(分别为1.574μm-1.617μm和1.636μm-1.682μm)为例,利用Kogelnik耦合波理论定性分析和严格耦合波理论定量计算优化设计了能够将这两个吸收光谱波段分离的两块反射体位相全息光栅,采用DCG作为全息记录介质进行光栅的实验制作,搭建测量系统,分别对这两块反射VPHG进行衍射性能测试并与理论计算结果进行比较和分析。将这两块光栅构成分束器进行分束效果测试。测试结果初步验证了该分束器的分束效果,有望用于温室气体监测的天文光谱仪中。
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