阅读说明：本技术 在全息记录中限制固态激光器有效相干长度的系统和方法 (System and method for limiting the effective coherence length of a solid-state laser in holographic recording ) 是由 蒂莫西·J·布里顿 詹姆士·M·特德斯科 于 2020-01-22 设计创作，主要内容包括：本申请涉及在全息记录中限制固态激光器有效相干长度的系统和方法。单频固态激光器的有效相干长度被限制以与全息记录相结合地减少伪二次全息图。在非常小的波长范围上以高精度改变或者“扫描”所述激光器的波长。在实施例中,所述激光器的谐振腔光具座的温度被更改,从而使所述腔的尺寸变化并且使发射波长以受控方式移动。变化波长被以高分辨率监测,并且反馈控制回路更新温度设定点以保持所监测的激光器波长通过期望范围以期望变化率移动。随着所述激光器的波长被扫描,全息干涉图样的相位被锁定在全息胶片孔径内的最大相干性/对比度的位置处。(The present application relates to systems and methods for limiting the effective coherence length of solid state lasers in holographic recording. The effective coherence length of a single-frequency solid-state laser is limited to reduce false secondary holograms in conjunction with holographic recording. The wavelength of the laser is varied or "scanned" with high precision over a very small wavelength range. In an embodiment, the temperature of the laser's resonant cavity optical bench is altered, thereby causing the size of the cavity to vary and the emission wavelength to move in a controlled manner. The changing wavelength is monitored with high resolution and a feedback control loop updates the temperature set point to keep the monitored laser wavelength moving through a desired range at a desired rate of change. As the wavelength of the laser is scanned, the phase of the holographic interference pattern is locked at the location of maximum coherence/contrast within the holographic film aperture.)

在全息记录中限制固态激光器有效相干长度的系统和方法

技术领域

本公开一般涉及全息光学元件，并且更具体地，本公开涉及一种用于与全息光学元件曝光相结合地控制单频固态激光器的有效相干长度的设备和方法。

背景技术

激光器的相干长度是激光器的光束的传播长度的量度，在所述传播长度之上相干性显著地降级。出于全息记录的目的，激光光束沿着两条路径分裂并重新组合以在全息胶片中形成干涉图样。如果分束器平分光束功率，并且在分束器之后的两个光学路径长度完全相等，则将在全息胶片处形成100％对比度的条纹。如果两个路径长度不相等超过相干长度，则干涉条纹对比度显著地降级。在F15E双光束全息组合器的示例中，两个干涉光束之间的路径长度差相对于中点在整个全息图孔径中变化约+/-20mm。此外，中点不出现在全息图孔径的正中心处。

在完整全息图孔径上的高效全息图跨完整孔径要求高对比度全息干涉图样。在F15E组合器的情况下，完整孔径是约13英寸。因此，需要相干长度大于20mm，同时两个光束的路径长度在相对路径长度图的“零”轮廓附近的点处相等。

大孔径全息光学元件特别是通过使两个不同形状的光束干涉以形成与在上面记录它们的基板不共形的干涉条纹表面而生成的那些大孔径全息光学元件通常已使用了氩离子气体(Ar)激光器。F15E全息平视显示器(HUD)组合器是一个这样的产品。

Ar激光器的好处包括高功率和可能非常长的相干长度，后者由内部法布里-珀罗(Fabry-Pérot)标准具实现，所述内部法布里珀罗标准具从以其它方式在激光管的增益曲线内可获得的许多频率当中选择单个频率。

然而，使用非常长的相干长度的激光器来曝光的双光束全息图易受二次全息图的记录影响，所述二次全息图通过从围绕光敏全息胶片的基板和盖板的外部玻璃-空气界面反射的曝光光束而引起的。这样的二次全息图可在HUD的图像中生成不希望的伪像，包括准直图像源和/或透射光栅的二次“重影”图像，所述透射光栅逆着黑暗夜间背景生成围绕诸如例如明亮着陆带灯的明亮外部光源的分散注意力的“彩虹”。

可通过限制激光器的相干长度来减小这些二次全息图的幅度以及它们产生的不希望的图像伪影的亮度。理想地，相干长度将限于仅生成足够高效的一次全息图所必需的相干长度，但不再长。因此，在每个光束在全息胶片与回到该胶片的外部空气/玻璃界面反射之间的往返行程中引入的附加路径长度差将超过激光器的相干长度，并且它们在胶片处生成的结果得到的二次干涉图样将具有减小的对比度。结果得到的二次全息图因此是不太高效的，从而减小显示伪像的亮度。

最显著的二次全息图是通过每个光束从外部玻璃/空气界面的反射而形成的。这些反射的强度借助于抗反射涂层而被减小，所述抗反射涂层继而减小二次条纹图样的强度和对比度。然而，这些二次全息图可仍然在HUD图像中，特别是逆着黑暗夜间背景生成分散注意力的伪影。因为这些反射在返回到全息胶片之前经历附加光学路径长度(例如，离较薄基板约30mm并且离较厚曝光盖板约120mm)，所以可通过使相干长度最小化至仅记录一次全息图所必需的相干长度来进一步减小二次全息图强度/对比度。

虽然没有在激光器上“设定”特定相干长度的已知方法，但是人们凭经验已经发现，当典型的大框架高功率氩离子激光器的标准具被完全去除时，结果得到的纵模结构产生使得能实现高效的一次全息图和显着地减小(但未消除)的二次全息图的相干长度。

在美国专利No.4,458,978和No.4,530,564号中公开了减小双光束全息图中的二次全息图条纹对比度的另一现有技术的方法。根据这些参考文献，第二光束是通过不动的自由形式反射镜(主要为曲面)而形成的，胶片与反射镜之间的空间充满折射率匹配流体，并且通过压电换能器来在整个曝光中相对于胶片有意地移动第一光束与胶片之间的单独的盖板。

在上述“双光束”示例中，所需要的相干长度是大约数十毫米量级。另一类全息光学元件是全息条纹为“共形”的全息光学元件，也就是说，第二光束是通过第一光束在全息胶片的表面处或者从与胶片折射率匹配的反射镜或者从胶片/空气界面的反射而形成的。条纹平面是通过“符合”胶片/反射器表面的这种反射而形成的。在这种情况下，形成高效的一次全息图所必需的相干长度仅是大约全息胶片深度量级，通常不超过数十微米—比上面引用的F15 HUD组合器示例小三个数量级。这些有时被称为“单光束”或“共形”全息图。可经由胶片板相对于单个曝光光束的受控运动或者在曝光光束中引入移动扩散器的情况下以相对简单的方式将有效相干性降低至期望水平。美国专利No.5,124,815教导了这样的移动(例如，旋转)毛玻璃方法。

还已知通过调谐激光器特别是可调谐染料激光器的波长来减小有效相干长度。在美国专利No.5,071,208中对此进行了描述。由于对此类激光器的可用波长和功率以及用来调谐它们的机制的实际限制，此方法并未付诸实践。

近年来，固态激光器已变得在一次全息曝光波长(488和514nm)下并在类似于氩离子激光器的功率水平(例如，2-4W)下可用。存在从氩离子激光器过渡到固态激光器的很大动机。氩离子激光器购买、操作且维护起来要昂贵得多，并且它们效率极低，需要440V的数千瓦电力来生成几瓦的光。现代的固态激光器是紧凑且高度高效的，从而离开标准墙壁插座运行。

由于大多数氩离子激光器的电功率作为热量被浪费，所以氩离子激光器需要连续且大量的冷却水流，比实际的循环冷却器提供的更多。等效固态激光器上的废热量负荷小几个数量级，与小型循环冷却器或散热器风扇相容。即使用主动条纹稳定技术，通过到氩离子激光器的高流率冷却水给予给全息曝光台的机械振动也对实现整个曝光系统所需要的全息条纹稳定性提出挑战。这可影响产品产量。尤其当与小型循环冷却器而不是风扇一起使用时，固态激光器将少得多的机械噪声引入到曝光台。

最后，氩离子激光器具有更有限的寿命。激光器管需要频繁的更换，并且440V电源需要频繁的维修。等效固态激光器的预期寿命比氩离子激光管的预期寿命长得多，并且成本比单个激光管更换低。

现代的固态激光器是固有单频长相干长度装置，但是没有用于减小大孔径全息曝光的相干性的已知系统或方法。与氩离子激光器不同，固态装置没有具可被去除以限制相干性而不用根本上改变现有大型且昂贵的曝光硬件基础设施的标准具。因此，迫切需要一种用于在全息光学元件曝光中减小、调整并控制单频固态激光器的有效相干长度的系统和方法。

发明内容

本公开的某些方面旨在一种用于与全息光学元件曝光相结合，控制并限制单频固态激光器的有效相干长度以减少或者消除伪二次全息图的系统和方法。为了完成这个，在非常小的波长范围上改变或者“扫描”激光器的波长，从而将激光器的有效相干长度减小至期望值。在非常小的波长范围上以高精度控制激光器的波长。在至少一个实施例中，在曝光期间更改激光器的谐振腔光具座的温度，从而使腔的尺寸变化并且从而以受控方式改变激光器的发射波长。变化的发射波长被以高分辨率监测，并且反馈控制回路更新激光器的谐振腔光具座的温度设定点以使保持监测的激光器波长通过期望范围以期望变化率移动。

随着激光器的波长在全息曝光期间被扫描时，全息干涉图样的相位被锁定在全息胶片孔径内的最大相干性/对比度的期望位置处。为了促进这个，干涉仪在一次全息图孔径外部对两个全息曝光光束进行采样并且使它们沿着共同路径偏离以形成干涉图样。检测器监测干涉图样的特性并且，随着激光器波长被扫描，在反馈回路中使用检测器信号来驱动压电换能器，所述压电换能器必要时在两个曝光光束中的一个中添加或者减少路径长度以在所有波长下使干涉图样相位保持被锁定。

两个干涉光束之间的路径长度差被设定成与一次全息胶片孔径中的期望最大条纹对比度的点处的路径长度差匹配。这在贯穿整个激光波长扫描中保持全息条纹图样也被锁相在与被记录的一次全息图的期望路径长度差内容的中点相对应的同一路径长度差点处。可调相干长度和锁相空间位置提供两个自由度以优化一次全息图性能与最小二次/伪全息图之间的权衡。

激光器的标称发射波长依照波长-时间曲线而改变。此曲线可以是线性的、步进的或弯曲的/正弦的以产生如在整个总曝光时间中积分的类似的有效相干长度控制。通过波长范围的循环次数可以是任意的，因为目标是为了在贯穿期望范围的若干波长上花费类似的曝光时间量。本公开理想地适于大孔径记录，诸如与平视显示器相关联的那些记录。

根据本公开的一个方面，一种使全息记录介质曝光的方法包括：提供固态激光器，所述固态激光器被配置成输出具有标称发射波长的激光光束；将所述激光光束分成第一曝光光束和第二曝光光束以在曝光时段期间在所述记录介质中形成具有相位的第一干涉条纹图样；依照波长-时间曲线来改变所述激光器的标称发射波长以减小如在所述曝光时段期间积分的所述激光器的有效相干长度；以及在所述记录介质正在被曝光的同时使所述第一干涉条纹图样的相位维持在最大相干性或对比度的位置处。可以通过调整波长敏感激光腔分量或参数来改变所述激光器的标称发射波长。所述波长敏感激光腔分量或参数可以是所述激光器的谐振腔光具座的温度设定点。

在某些实施例中，所述方法还可以包括：使用干涉仪来监测所述标称发射波长；以及经由反馈控制回路依照所述波长-时间曲线来更新所述温度设定点。

在某些实施例中，依照波长-时间曲线来改变所述激光器的标称发射波长可以包括在贯穿所述曝光时段中以预先确定的变化率改变所述标称发射波长。在某些实施例中，依照波长-时间曲面来改变所述激光器的标称发射波长可以包括在贯穿所述曝光时段中连续地改变所述标称发射波长。

所述方法可以包括在所述记录介质处或附近对所述第一曝光光束和所述第二曝光光束进行采样以确定所述条纹图样的相位。所述方法还可以包括依照所确定的相位来调整所述第一曝光光束和所述第二曝光光束中的一个的路径长度以使所述条纹图样的对比度最大化。

在所述方法的某些实施例中，所述标称发射波长可以在100皮米或更小的光谱带宽上改变。所述光谱带宽也可以在大约1至20皮米的范围内。

在所述方法的某些实施例中，可以将所述标称发射波长控制在10皮米或更小内。还可以将所述波长控制在0.1皮米内。

在所述方法的某些实施例中，使所述第一干涉条纹图样的相位维持在最大相干性或对比度的位置处的步骤可以包括：在所述记录介质处或附近对所述第一曝光光束和所述第二曝光光束进行采样以确定最大相干性或对比度的位置；以及随着所述标称发射波长改变而调整所述第一曝光光束和所述第二曝光光束中的一个的路径长度，以使所述第一干涉条纹图样的相位维持在最大相干性或对比度的位置处。

所述方法可以包括：使所述第一曝光光束和所述第二曝光光束沿着共同路径偏离所述记录介质以形成第二干涉条纹图样；以及在所述第二干涉条纹图样中检测条纹的峰、零位或边缘。

在所述方法的一些实施例中，所述记录介质可以限定100平方英寸或更大的孔径。所述记录介质可以形成平视显示器。

根据本公开的另一方面，一种用于使全息记录介质曝光的系统包括：固态激光器，所述固态激光器被配置成输出具有标称发射波长的激光光束；第一分束器，所述第一分束器用于将所述激光光束分成第一曝光光束和第二曝光光束以在曝光时段期间在所述记录介质中形成具有相位的第一干涉条纹图样；用于依照波长-时间曲线来改变所述激光器的标称发射波长以减小如在所述曝光时段期间积分的所述激光器的有效相干长度的设备；以及用于在所述记录介质正在被曝光的同时使所述第一干涉条纹图样的相位维持在最大相干性或对比度的位置处的设备。所述用于改变所述激光器的标称发射波长的设备可以包括反馈回路，所述反馈回路包括耦合到被配置成调整波长敏感激光腔分量或参数的装置的波长监测器。所述被配置成调整波长敏感激光腔分量或参数的装置可以被配置成调整所述激光器的谐振腔光具座的温度设定点。

在所述系统的某些实施例中，所述波长监控器可以是干涉仪。所述用于使所述第一干涉条纹图样的相位维持在最大相干性或对比度的位置处的设备可以包括：用于使所述两个曝光光束沿着共同路径偏离所述记录介质以形成第二干涉图样的装置；用于在所述第二干涉图样中检测条纹的峰、零位或边缘的装置；以及用于调整所述第一曝光光束和所述第二曝光光束中的一个的路径长度以使所述第一干涉条纹图样的相位维持在最大相干性或对比度的位置处的装置。所述用于使所述第一曝光光束和所述第二曝光光束沿着共同路径偏离所述记录介质的装置可以包括所述记录介质上的共形分束器涂层。所述用于使所述第一曝光光束和所述第二曝光光束沿着共同路径偏离所述记录介质的装置可以包括第二分束器组件。所述用于在所述第二干涉图样中检测条纹的峰、零位或边缘的装置可以是干涉仪。所述用于调整所述第一曝光光束和所述第二曝光光束中的一个的路径长度以维持所述第一干涉条纹图样的相位的装置可以包括压电换能器，所述压电换能器被插入到所述第一曝光光束和所述第二曝光光束中的一个中。

在所述系统的某些实施例中，所述用于改变所述标称发射波长的设备可以操作以将所述激光器的光谱带宽改变100皮米或更小。所述用于改变所述标称发射波长的设备可以操作以在大约1至20皮米的范围内改变所述激光器的光谱带宽。所述用于改变所述标称发射波长的设备可以操作以将所述标称发射波长控制在10皮米或更小内。所述用于改变所述标称发射波长的设备可以操作以将所述标称发射波长控制在0.1皮米内。

在所述系统的某些实施例中，所述记录介质限定100平方英寸或更大的孔径。所述记录介质可以形成平视显示器。

根据本公开的另一方面，一种使用输出标称发射波长的固态激光器的双光束全息记录系统包括改进，所述改进包括：控制所述激光器的温度设定点以改变所述标称发射波长，从而在同时地使记录的干涉图样的对比度最大化的同时，减小所述激光器的有效相干长度。

附图说明

通过参考结合附图进行的本公开的各种实施例的以下描述，所描述的实施例以及本文包含的其它特征、优点和公开内容及其实现方式将变得显而易见并且本公开将被更好地理解，其中：

图1是图示根据本公开的全息曝光和控制的示意图；以及

图2图示根据本公开的波长-时间曲线。

具体实施方式

依照本公开，出于减小或者消除全息曝光中的伪/二次全息图的目的，在非常小的波长范围上改变或者“扫描”单纵模(SLM)固态激光器的波长，从而将激光器的有效相干长度减小至如在延长时间段期间积分的期望值。在全息曝光期间扫描激光器的波长时，该扫描可以长达数分钟，曝光的有效相干长度通过以下关系与曝光的波长内容有关：

L_coh＝c/πΔν＝λ2/πΔλ (等式1)

其中：L_coh是相干长度；

c是光速；

Δν是光谱频率带宽；

λ是激光曝光的标称波长；以及

Δλ是光谱波长带宽。

在等式1中，相干长度被定义为传播长度，在所述传播长度之后相干函数的幅度已下降至洛伦兹带宽分布的1/e的值。因此，相干长度是相对于可能在恒定强度下从线性时间扫描激光波长预期的近似值。但是作为良好的第一近似值，等式1指示例如，将通过约0.004nm(或4皮米)的波长扫描来生成在标称514.5nm波长下20mm的相干长度。例如，用于F15E曝光的高效一次全息图和无效二次全息图之间的最佳平衡将落在此数量级左右。在实验上观察到，在约8皮米的实际波长扫描宽度下出现良好的平衡。

图1是图示根据本公开的用于全息曝光和控制的系统100的示意图。在根据本公开的实施例中，系统100可以包括具有激光发射波长的激光器101。激光器101可以是单纵模固态激光器，诸如光泵浦半导体激光器。依照本公开，在非常小的期望波长范围(例如，1-20皮米量级)上以高精度(例如，0.1皮米量级)控制激光器的发射波长。出于减小或者消除全息曝光中的伪/二次全息图的目的，系统将激光器的有效相干长度减小至如在延长时间段期间积分的期望值。

可以通过调整激光器101的关键波长敏感激光腔分量来移动发射波长。在至少一个实施例中，激光器101内的谐振腔光具座102的温度设定点被以0.1℃量级的增量改变。系统100可以通过访问激光器101的控制参数来控制激光器101内的谐振腔光具座102的温度设定点。改变激光器101中的谐振腔光具座102的温度使腔的尺寸变化并且使发射波长以连续方式相应地移动。

例如用扫描干涉仪103以高分辨率监测发射波长。在某些实施例中，干涉仪103可以是法布里-珀罗干涉仪。可以使用反馈控制回路来更新由谐振腔光具座102的激光器101所维持的温度设定点以保持所监测的发射波长通过期望波长范围以期望变化率移动。在某些实施例中，反馈控制回路可以使温度变化方向反向以保持发射波长按期望曲线在期望波长范围的边界之间交替。本文进一步讨论的图2图示示例性波长-时间曲线。

当在全息曝光期间扫描激光器101的波长时，使用技术来使全息干涉图样的相位保持被锁定在全息胶片孔径110内的最大相干性/对比度的期望位置处。为了促进使全息干涉图样保持被锁定在期望位置处，附加干涉仪104可以在一次全息图孔径110外部对全息曝光光束1和全息曝光光束2进行采样，并且使它们沿着共同路径偏离以在干涉仪104处形成干涉图样。干涉仪104中的检测器可以监测此干涉图样中的峰和零位。注意的是，干涉仪104可以是通用相位感测系统，通常检测通过分束器3组合曝光光束1和曝光光束2而形成的干涉仪条纹图样中的条纹的峰、零位或边缘中的一个或多个。取决于光束1和光束2的相对波前形状及其在分束器3之后的平行度，此条纹图样可以取线性、同心(例如，“牛眼”)、椭圆或鞍形/双曲线条纹的标称形式。进一步注意的是，在实践中分束器3可以是单独的物理组件或全息图曝光板上的共形分束器涂层(如图1中所示)。

压电换能器106必要时可以改变曝光光束2的路径长度，以便随着激光发射波长变化而使条纹图样相位保持被锁定(不动)。棱镜和/或光学垫片107可以作为单独的装置或者作为单个组件以不同的方式被实现。必要时，棱镜和/或光学垫片107的棱镜功能可以偏离一个光束角(经由棱镜和/或光学垫片107的棱镜角)，以在光束1和光束2被分束器组合3之后标称平行于另一光束。

棱镜和/或光学垫片107的光学垫片功能必要时可以向光束中的一个添加光路长度(经由棱镜和/或光学垫片107的厚度)，使得如在分束器1与分束器3之间测量的光束1和光束2的路径长度差与在全息图活动区域内的最大条纹对比度的期望位置处的路径长度差相同，所述全息图活动区域可以或者可以不在物理中心附近。垫片功能因此更为关键，因为棱镜是转向光学设备。进一步注意的是，通过棱镜和/或光学垫片107的光学垫片完成的光学路径调谐和/或通过棱镜和/或光学垫片107的棱镜完成的光束偏离可以用反射光学设备实现，例如，通过在一个光束上添加点动后退路径以校正其路径长度，或使用一系列反射镜来完成相同功能的组合点动角变化。

随着激光波长被扫描，可以在反馈回路中使用来自干涉仪104的检测器信号来驱动压电换能器106，以必要时在两个曝光光束中的一个中添加或者减去路径长度以在所有波长下使干涉图样相位保持被锁定。可以将两个干涉光束之间的路径长度差设定为与一次全息图胶片孔径110中的期望最大条纹对比度的点处的路径长度差匹配。在贯穿整个激光波长扫描，这使全息条纹图样保持也被锁相在与被记录的一次全息图的期望路径长度差内容的中点相对应的同一路径长度差点处。

可调相干长度和锁相空间位置提供两个自由度以优化一次全息图性能与最小二次/伪全息图之间的权衡。

图2包括图示根据本公开的四个波长-时间曲线的曲线图200。曲线图200示出贯穿总曝光时间T的四个可能的曲线。λ₀是激光曝光的标称波长，并且Δλ是光谱波长带宽。尽管图2图示斜坡和锯齿曲线，但是波长-时间曲线不必是线性的。其它可能的波长-时间曲线包括步进的或弯曲的/正弦的以产生如在贯穿总曝光时间中积分的类似的有效相干长度。通过波长范围的循环次数也是任意的，因为目标是为了在贯穿期望范围的若干波长上花费类似的曝光时间量。

虽然已关于反射全息图描述了本公开，但是通过玻璃-空气反射而形成的相同的相干全息图和二次全息图以及本文描述的解决方案同样地适用于透射全息图，包括在拉曼和天文光谱学光栅(其中记录光束从胶片的同一侧到达)中使用的那些。

另外，虽然光束形成光学设备容纳弯曲板的记录，但是预期平坦和其它记录元件几何形状。虽然本公开很好地适于大孔径全息图，该大孔径全息图适于平视显示器、信息组合器、孔径为100平方英寸或更大的大幅面科学和天文光栅的类型，但是本公开在全息图大小方面不受限制。本公开在全息记录介质方面也不受限制，所述全息记录介质可以包括重铬酸盐明胶、光乳剂和抗蚀剂、聚合物、热塑性塑料和折射物。

虽然已在本文中相当详细地描述了全息记录系统的各种实施例及其构造方法，但是这些实施例仅仅通过本文描述的本公开的非限制性示例来提供。因此应理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以做出各种变化和修改，并且等同物可以取代其要素。本公开不旨在为详尽的或者限制本公开的主题的范围。

另外，在描述代表性实施例时，本公开可能已将方法和/或过程作为步骤的特定序列来提出。然而，就方法或过程不依靠本文阐述的步骤的特定次序来说，方法或过程不应该限于所描述的步骤的特定序列。步骤的其它序列可能是可能的，并且因此保持在本公开的范围内。