CN102313919A - 一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅 - Google Patents

一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅 Download PDF

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Abstract

一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅，该光栅包括基底、金属Ag膜、介质反射膜、剩余膜层以及表面光栅结构；介质反射膜由HfO2介质和SiO2介质交替沉积而成；金属Ag膜和介质反射膜组成高反射膜；所述的表面光栅结构和介质反射膜之间设有剩余膜层。当光栅的周期为550纳米、刻蚀深度为240纳米、剩余膜层厚度为10纳米、占空比为0.26和入射角度为53°时，本发明对于中心波长为800纳米的TE波，-1级衍射效率在744-874nm范围优于97％，有效工作带宽达130纳米。本发明的宽光谱金属介质膜光栅对于提高啁啾脉冲放大系统性能具有重要的应用价值。

Description

一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅
技术领域
本发明涉及一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱介质膜光栅，尤其涉及一种用于800纳米飞秒激光脉冲放大系统的宽光栅高衍射效率金属介质膜光栅，属于衍射光栅技术领域。 
背景技术
超短超快高功率激光成为探索极端物理条件下物质相互作用的重要手段，啁啾脉冲放大(Chirped-pulse amplification)技术是实现超短超快激光性能的重要方法，而脉宽压缩光栅是啁啾脉冲放大技术的核心。 
为提高啁啾脉冲放大系统的工作效率，满足飞秒激光频谱带宽的使用要求，用来展宽和压缩飞秒激光脉冲的光栅必须具有尽可能高的衍射效率和宽的光谱。 
虽然传统的镀金光栅(Metal grating，MG)可以达到95％的衍射效率，但是由于金属具有较强的吸收特性，其最高的抗激光损伤阈值在皮秒量级为0.4J/cm2。 
多层介质膜光栅(Multi-layer dielectric grating，MDG)基于介质膜的干涉原理和表面浮雕结构的衍射原理，其结构设计更加灵活。但由于干涉作用其工作带宽通常在几十个纳米的范围，无法满足飞秒激光对宽光谱的要求。 
为了扩展光栅的工作带宽和衍射效率，金属介质膜光栅成为主要的研究方向。金属介质膜光栅(Metal Multi-layer dielectric grating，MMDG)充分结合了金属的宽光谱和介质膜光栅的高衍射效率特性，通过对金属介质膜光栅结构进行优化可以获得宽光谱和高衍射效率，因此成为设计和制备宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅的有效方式。 
通过以上分析，宽光谱高衍射效率金属介质膜光栅在啁啾脉冲放大系统中具有重要的应用价值，宽光谱和和高衍射效率特性是决定其性能的关键因素。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅，该金属介质光栅在800纳米的TE模式使用条件下，可实现宽光谱高衍射效率。 
本发明的技术方案如下： 
一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：该宽光谱金属介质膜光栅包括基底、金属Ag膜、介质反射膜和表面光栅结构；所述的介质反射膜由HfO2介质膜和SiO2介质膜交替沉积而成；金属Ag膜和介质反射膜组成高反射膜；所述的表面光栅结构和介质反射膜之间设有剩余膜层，所述剩余膜层的折射率和表面光栅结构的折射率相同；光栅的周期为550纳米，刻蚀深度为240纳米，剩余膜层的厚度为10纳米，占空比为0.26，入射角度为53°。 
本发明所述的介质反射膜的结构为(L1.5H)2，其中H和L分别代表光学厚度为参考波长 四分之一的HfO2和SiO2介质材料，参考波长为720纳米，表面光栅结构和剩余膜层的材料为HfO2。 
本发明所提供的宽带金属介质膜光栅对于中心波长为800纳米的TE波，-1级衍射效率在744-874nm范围优于97％，有效工作带宽达130纳米。另外，本发明在表面光栅结构和金属介质反射膜之间引入剩余膜层，这层膜是顶层HfO2刻蚀后的剩余膜层，其作用是可以有效调节光栅的结构参数，平衡周期、占空比以及膜层结构的综合特性。同时也为了确保光栅-1级高衍射效率条件的满足。 
附图说明
图1为本发明宽光谱金属介质膜光栅结构图。 
图2为本发明宽光谱脉宽压缩光栅用金属反射膜光谱特性曲线。 
图3为本发明宽光谱金属介质光栅光谱特性。 
图中：1-基底；2-金属Ag膜；3-HfO2介质膜；4-SiO2介质膜；5-剩余膜层；6-表面光栅结构；7-介质反射膜；8-高反射膜。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构及具体实施做进一步的说明。 
图1为本发明提供的宽光谱金属介质膜光栅结构示意图，该宽光谱金属介质膜光栅从下至上依次包括基底1、金属Ag膜2、介质反射膜7、剩余膜层5和表面光栅结构6；介质反射膜7由HfO2介质膜3和SiO2介质膜4交替沉积而成；金属Ag膜2和介质反射膜7组成高反射膜8；所述剩余膜层的折射率与表面光栅结构的折射率相同；所述光栅的周期为550纳米，刻蚀深度为240纳米，剩余膜层的厚度为10纳米，占空比为0.26，入射角度为53°。 
高折射率介质和低折射率介质组成介质反射膜7，高折射率介质采用HfO2介质膜3，低折射率介质采用SiO2介质膜4；金属Ag膜2和介质反射膜7提供足够高的反射率。高反射膜8上面是刻蚀表面光栅结构6后的剩余膜层5，表面光栅结构和剩余膜层的材料均为HfO2。 
高反射膜8可以在足够宽的光谱范围内提供高的反射率，以保证入射光可以被全部反射衍射。光栅采用亚波长(光栅的周期小于入射波长)结构，以保证光栅反射衍射后只有0级和-1级，进而实现高衍射效率。 
下面以中心波长为800纳米的宽光谱金属介质膜光栅为例说明本发明的实施方式。 
考虑到光栅的制备工艺和使用条件，选取光栅的周期为550纳米，光栅入射偏振态为TE模式； 
对于金属Ag膜2和介质反射膜7组成的高反射膜8，充分利用了金属的宽光谱和介质膜的高反射特性，其中金属Ag膜的厚度为130纳米；介质反射膜的结构为(L1.5H)2，其中H和L分别代表光学厚度为参考波长720纳米的四分之一的HfO2和SiO2介质材料，其折射率分别为1.96和1.46。由该结构组成的高反射膜可以在400纳米的范围内实现99％的反射率，如图2所示。 
优化过程中选定光栅的槽深变化范围为10-450nm，剩余膜层的厚度变化范围为1-50nm， 占空比的变化范围为0.2-0.5，入射角的变化范围为40°-60°。 
利用评价函数对光栅结构进行优化设计，得到光谱带宽为130纳米时光栅对应的槽深、剩余膜层的厚度、占空比和入射角分别为240nm，10nm，0.26，53°。 
当波长在744nm到874nm的范围变化时，根据光栅方程sinθ＝λi/(2Λ)可知，对应-1级光线衍射角变化范围为42.5°-52.6°，其衍射角均小于入射角53°，且衍射效率均可以达到97％以上，可用光谱带宽为130纳米，满足飞秒激光对带宽的要求。 
图3为上述优化后所对应结构参数下光栅反射-1级衍射效率随波长的变化关系。 
综合以上分析和实例说明，本发明提出的基于金属介质膜来拓宽光谱范围光栅结构的设计是正确的。 
本发明设计的金属介质膜光栅对于800纳米的TE模式，-1级衍射效率优于97％的有效光谱范围达到130纳米。对于800纳米的TE波，其-1级衍射效率优于97％的范围达到了130纳米。 

Claims (3)

1.一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：该宽光谱金属介质膜光栅包括基底(1)、金属Ag膜(2)、介质反射膜(7)和表面光栅结构(6)；所述的介质反射膜由HfO2介质膜(3)和SiO2介质膜(4)交替沉积而成；金属Ag膜(2)和介质反射膜(7)组成高反射膜(8)；所述的表面光栅结构和介质反射膜之间设有剩余膜层(5)，剩余膜层的折射率与表面光栅结构的折射率相同；所述金属介质膜光栅的周期为550纳米，刻蚀深度为240纳米，剩余膜层的厚度为10纳米，占空比为0.26，入射角度为53°。
2.按照权利要求1所述的一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：所述介质反射膜的结构为(L1.5H)2，其中H和L分别代表光学厚度为参考波长四分之一的HfO2和SiO2介质材料，参考波长为720纳米。
3.按照权利要求1或2所述的一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：所述的表面光栅结构和剩余膜层的材料为HfO2。
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