近日，中科院上海光機所在用于體光柵（VBG）的光致熱折變玻璃（Photo-Thermo-Refractive glass，簡稱PTR）的研制方面取得了重要進展，在國內(nèi)率先制備出80×30×20mm、具有高光敏和熱敏特性、高均勻性（<10-5）的光致熱折變玻璃。PTR是一種高透過率光學(xué)微晶玻璃，該玻璃通過紫外曝光、熱顯影工藝，可獲得的折射率調(diào)制度最大達到1000ppm。該技術(shù)打破了國際上僅由美國和俄羅斯極少數(shù)公司掌握的高均勻光致熱折變微晶玻璃的制備技術(shù)壟斷，為我國開展基于此類玻璃的新型體光柵器件研究奠定了材料基礎(chǔ)。

　圖1. 高均勻性光致熱折變玻璃及衍射器件

基于光致熱折變玻璃的體光柵器件，由于具有高精度角度和波譜選擇性以及高功率密度耐受性等優(yōu)點，在超快脈沖激光器展寬和壓縮、高功率固體激光器的光束轉(zhuǎn)向、模式選擇、線寬窄化、光譜組束等領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。雖然該玻璃的研究最早可追溯到1980年，但由于該玻璃涉及ppm量級元素的調(diào)控、鹵化物成分的揮發(fā)控制、氧鹵玻璃的分相調(diào)控及較大尺寸玻璃的均勻析晶，因此，具有極高的組分優(yōu)化設(shè)計和制備工藝難度。此前，具備實際商業(yè)化應(yīng)用的PTR玻璃制備及相關(guān)器件全流程制備技術(shù)被美國的三家公司所壟斷，其最大尺寸可達100mm口徑，但對我國實行禁運。 國內(nèi)相關(guān)工作也僅限于學(xué)術(shù)研究，還未見產(chǎn)品報道，嚴(yán)重制約了國內(nèi)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域特別是高功率激光技術(shù)的發(fā)展。

圖2. 不同工藝下，光致熱折變玻璃光譜及晶向XRD

近三年來，在國家相關(guān)項目的牽引和支持下，依托中科院強激光材料重點實驗室，上海光機所高功率激光單元技術(shù)實驗室和薄膜光學(xué)實驗室利用各自在特種光功能玻璃和光柵光學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢，合作開展了大尺寸光致熱折變玻璃及體光柵的研究。通過優(yōu)化玻璃的組分設(shè)計、不同需求的光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝設(shè)計，在相關(guān)工藝技術(shù)中取得多項技術(shù)突破：解決了玻璃中酸堿度平衡問題，實現(xiàn)了銀原子和銀離子的階段控制；熔爐、坩堝制備條件的自主改進及玻璃熔制工藝優(yōu)化的突破，獲得了大尺寸、高均勻性氧氟微晶玻璃的制備；成型和退火工藝設(shè)計，解決了玻璃中變價離子的價態(tài)控制，最終獲得了大于30mm口徑的具有高光敏和熱敏特性的光致熱折變玻璃；高精穩(wěn)定性曝光裝備的建立及其熱顯影工藝的精密調(diào)控，實現(xiàn)了體光柵器件的制備。該系列技術(shù)的突破，使得上海光機所成為國內(nèi)首家自主掌握從PTR玻璃制備、高精穩(wěn)定曝光刻寫、熱顯影，到性能測試評估全流程的研究單位，可實現(xiàn)滿足不同應(yīng)用需求及場景的透射式和反射式體光柵器件的定制化研究，為滿足國內(nèi)重大應(yīng)用需求的激光系統(tǒng)研制奠定了關(guān)鍵材料和器件基礎(chǔ)。相關(guān)成果發(fā)表在Optics Express, 2018,26(1) 157-164; Optics Express,2018, 26(19), 25336上。

圖3. 不同入射角度下的-1級和1級衍射效率曲線(TE偏振)