CN102928905A

CN102928905A - 金属介质膜宽带脉冲压缩光栅

Info

Publication number: CN102928905A
Application number: CN2012104841492A
Authority: CN
Inventors: 关贺元; 晋云霞; 吴建波; 杜颖; 侯永强; 刘世杰; 易葵; 邵建达
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-02-13

Abstract

一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，是在石英基底上自内向外依次的金属层、介质膜组成的匹配层和光栅刻蚀层一体构成，最外层为SiO₂。该矩形光栅的周期为490-640纳米；占空比为0.2-0.4。光栅刻蚀层中间层为高折射率层，内外层为低折射率层SiO₂；匹配层外层为高折射率层，内层低折射率层；金层厚度大于50纳米。本发明金属介质膜宽带脉冲压缩光栅在入射角度53°，在700-909纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅在800纳米入射波长下，入射角度为29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。该光栅可以用作高功率超短脉冲激光系统的脉冲压缩光栅。

Description

金属介质膜宽带脉冲压缩光栅

技术领域

本发明涉及高功率激光系统，特别是一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅。

背景技术

基于啁啾脉冲放大技术的高功率超短脉冲激光器在激光加工和研究光与物质相互作用等领域有着广泛的应用需求。用于展宽和压缩飞秒激光脉冲的反射式光栅在啁啾脉冲放大系统中起着重要的作用。脉冲压缩光栅须具有较高的衍射效率、抗激光损伤阈值和足够宽的工作带宽。最早的脉冲压缩光栅是镀金光栅，它工作带宽相对较宽，但由于具有较强的吸收特性很难获得高衍射效率和抗激光损伤阈值。多层介质膜光栅具有高衍射效率和高抗激光损伤阈值等优点，但其内部应力较大。金属介质膜光栅结合了金属的宽光谱和介质膜光栅的高衍射效率特性，是理想的宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅。这对于提高脉冲激光系统的输出功率，延长激光系统使用寿命都非常有利。随着激光脉冲宽度的不断变窄，其光谱宽度就随之拓宽，比如脉宽达到飞秒级别，对应的光谱宽度可超过100nm，那么，也就要求用于脉冲压缩和展开的光栅能在较宽的入射波长范围内提供高的衍射效率。

然而，已报道的采用高折射率材料HfO₂等作为刻蚀层的金属介质膜光栅保证了足够的衍射带宽，但是相比SiO₂材料，其激光损伤阈值较低。采用SiO₂作为刻蚀层的金属介质膜光栅保证了足够高的损伤阈值，但是衍射带宽又相对较窄。因而，发明同时具有足够高损伤阈值和足够宽衍射带宽的金属介质膜脉冲压缩光栅是有强烈的应用需求的。

金属介质膜光栅的衍射理论，不能由标量光栅衍射方程来解析，而必须采用严格耦合波理论的算法【在先技术1：M.G.Moharam etal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】精确地计算出结果。据我们所知，没有人针对1053纳米波段给出宽光谱，宽角谱的金属介质膜反射式偏振分束器光栅。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，该光栅周期为490-640纳米，在入射角度53°，700-909纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅在800纳米入射波长下，入射角度为29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅的最外层为SiO₂，保证光栅有足够高的激光损伤阈值。因此实现宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高损伤阈值的金属介质膜脉冲压缩光栅，具有重要的实用意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其构成是在石英基底上自内向外依次的金属层、介质膜组成的匹配层和光栅刻蚀层一体构成，所述的匹配层自内向外由第一低折射率膜层和第一高折射率层构成、所述的光栅刻蚀层自内向外由第二低折射率膜层、第二高折射率层和第三低折射率膜层构成，所述的光栅刻蚀层的光栅周期为490～640纳米，占空比为0.2～0.4。

所述的金属层的材料为金、银或是铝，其厚度大于50纳米。所述的高折射率层的材料为TiO₂，HfO₂或Ta₂O₅；所述的低折射率膜层的材料为SiO₂。

所述的第一高折射率层的厚度为100～200纳米；第二高折射率层的厚度为100～250纳米；所述的第一低折射率膜层的厚度为50～200纳米；第二低折射率膜层的厚度20～200nm；第三低折射率膜层的厚度不超过170纳米。

实验分析表明，本发明金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，在入射角度53°，700-909纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅在800纳米入射波长下，入射角度为29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅的最外层为SiO₂，保证光栅有足够高的激光损伤阈值。因此实现宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高损伤阈值的金属介质膜脉冲压缩光栅，具有重要的实用意义。

附图说明

图1为本发明反射式金属介质膜脉冲压缩光栅结构剖面图。

图2为反射式金属介质膜脉冲压缩光栅入射波长和衍射效率关系图。

图3为反射式金属介质膜脉冲压缩光栅入射角度和衍射效率关系图。

图4为反射式金属介质膜脉冲压缩光栅占空比和波长对衍射效率影响图。

图中：

1-矩形光栅外层 2-矩形光栅中间层 3-矩形光栅内层 4-矩形光栅 5-匹配层外层 6-匹配层内层 7-匹配层 8-金属层 θ-入射角 Λ-光栅周期f-占空比

具体实施方式

先请参阅图1，图1为本发明反射式金属介质膜脉冲压缩光栅结构剖面图。由图可见，本发明用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其构成是在石英基底上自内向外依次的金属层8、匹配层7和光栅刻蚀层4一体构成，所述的匹配层7自内向外由第一低折射率膜层6和第一高折射率层5构成、所述的光栅刻蚀层4自内向外由第二低折射率膜层3、第二高折射率层2和第三低折射率膜层1构成，所述的光栅刻蚀层4的光栅周期为490～640纳米，占空比为0.2～0.4。

所述的金属层8的材料为金、银或是铝，其厚度大于50纳米。

所述的高折射率层的材料为TiO₂，HfO₂或Ta₂O₅；所述的低折射率膜层的材料为SiO₂。

所述的第一高折射率层5的厚度为100～200纳米；第二高折射率层2的厚度为100～250纳米；所述的第一低折射率膜层6的厚度为50～200纳米；第二低折射率膜层3的厚度20～200nm；第三低折射率膜层1的厚度不超过170纳米。

本发明的依据如下：

光栅上方为空气（折射率为n=1），TE偏振入射光从空气进入到矩形光栅4，然后经过匹配层7，进入到高反金属层8，到达金属层8之后被反射，再次经过膜层和光栅，最后出射到空气。这样，在光进入本发明金属介质膜偏振分束光栅再被反射这个过程中，光被光栅、膜层共同调制，TE偏振光集中在-1级反射，产生了宽波长范围下高衍射效率的效果。

在图1所示结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了基于SiO₂的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的反射式金属介质膜偏振分束光栅的衍射效率，我们得到结论：

通过对所述的金属介质膜脉冲光栅的光栅深度、形状、周期、膜层层数和厚度优化设计，可以实现宽波长范围内-1级衍射效率高于90%。

本发明依据理解计算得到金属介质膜脉冲压缩光栅的数值优化结果，该矩形光栅的周期为490-640纳米，占空比为0.2-0.4，最外层第三低折射率膜层SiO₂厚度不超过170纳米，中间层第二高折射率层厚度为100-250纳米，第二低折射率膜层的SiO₂厚度为20-200nm。第一高折射率外层的厚度为100-200纳米；第一低折射率膜层的材料为SiO₂，厚度为50-200纳米。所述的金属层厚度大于50纳米。在入射角度为53°，在700-909纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅在800纳米入射波长下，入射角度为29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。

实施例1：

金属介质膜脉冲压缩光栅，由石英基底，金属层8、由2层介质膜组成的匹配层7和矩形刻蚀层4一体构成。该矩形刻蚀层4的周期为574.7纳米，占空比为0.26，第三低折射率膜层1的SiO₂（折射率1.45）厚度100纳米，第二高折射率膜层2的材料为HfO₂（折射率1.96）层厚度149纳米，第二低折射率膜层3的SiO₂的厚度57nm。所述的匹配层7的第一高折射率层5为HfO₂，厚度为119纳米；第一低折射率层6为SiO2，厚度为81纳米。金层8的厚度为200纳米。如图2入射角为53°时，对800纳米入射光，光栅TE的-1级衍射效率最高，大于97%，在700-900nm波长范围内，-1级衍射效率高于90%。如图3所示，在800纳米波长下，入射角29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。如图4所示，在入射角度53°下，占空比在0.21-0.36，-1级衍射效率在750-850纳米波长范围高于90%。这表明器件有较宽的衍射光谱，衍射角谱以及较好的工艺容差。

本发明用于800纳米中心波长金属介质膜脉冲光栅，具有很宽的带宽和角宽，而且最外层为SiO₂，具有较高的激光损伤阈值，可以用于高功率激光系统，起到很好的脉冲压缩效果。

实验分析表明所述的金属层8的材料可为金、银或是铝，其厚度大于50纳米，所述的高折射率层的材料可为TiO₂，HfO₂或Ta₂O₅。

Claims

1.一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其构成是在石英基底上自内向外依次的金属层（8）、介质膜组成的匹配层（7）和光栅刻蚀层（4）一体构成，所述的匹配层（7）自内向外由第一低折射率膜层（6）和第一高折射率层（5）构成、所述的光栅刻蚀层（4）自内向外由第二低折射率膜层（3）、第二高折射率层（2）和第三低折射率膜层（1）构成，所述的光栅刻蚀层（4）的光栅周期为490～640纳米，占空比为0.2～0.4。

2.根据权利要求1所述的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，其特征在于所述的金属层（6）的材料为金、银或是铝，其厚度大于50纳米。

3.根据权利要求1所述的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，其特征在于所述的高折射率层的材料为TiO₂，HfO₂或Ta₂O₅；所述的低折射率膜层的材料为SiO₂。

4.根据权利要求1所述的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，其特征在于所述的第一高折射率层（5）的厚度为100～200纳米；第二高折射率层（2）的厚度为100～250纳米；所述的第一低折射率膜层（6）的厚度为50～200纳米；第二低折射率膜层（3）的厚度20～200nm；第三低折射率膜层（1）的厚度不超过170纳米。