CN103728685A - 梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅 - Google Patents

梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅 Download PDF

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关贺元
刘世杰
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Abstract

一种梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其是由石英基底，金层，两层介质膜组成的匹配层和三层介质膜组成的梯形光栅脊一体构成，最外层为SiO2。该梯形光栅的周期为490-640纳米；占空比为0.2-0.7；光栅脊底角为60°-89°，光栅脊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；金属层厚度大于50纳米。本发明金属介质膜宽带脉冲压缩光栅可用作800纳米中心波长的高功率超短脉冲激光系统的脉冲压缩光栅。

Description

梯形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纳米中心波长的梯形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尽可能高的衍射效率、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，其包括的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100纳米，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较高的衍射效率。
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，但是衍射带宽也相对较小。另外，制备矩形脊光栅比较困难。因而，发明同时具有足够高损伤阈值和足够宽衍射带宽而且易于制备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【参见在先技术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纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，该光栅具有宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高损伤阈值、易于制备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纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其是由依次的石英基底、金属层、匹配层和梯形光栅脊一体构成，所述的梯形光栅脊由3层膜组成，中间层为高折射率膜层，内层和外层为低折射率膜层，该梯形光栅的周期为490-640纳米，占空比为0.2～0.7，光栅脊的底角为60°～89.9°，外层的厚度不超过162纳米，中间层的厚度124～218纳米，内层的厚度33-128纳米，所述的匹配层由2层膜组成，外层为高折射率层，厚度为100～200纳米；内层低折射率膜层，厚度为50～200纳米，所述的金属层的厚度大于50纳米。
所述的高折射率膜层的材料为TiO2，HfO2或Ta2O5，所述的低折射率膜层的材料为SiO2。
所述的金属层的材料为金、银或铝。
本发明的依据如下：
图1为本发明梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅的结构剖面图。由图可见，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梯形光栅，然后经过匹配层，进入到高反金属层，到达金属层之后被反射，再次经过匹配层和光栅，最后出射到空气。这样，在光进入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：
通过对所述梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅的光栅深度、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梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅的数值优化结果，该梯形光栅的周期为490-640纳米，占空比为0.2～0.7，光栅脊的底角为60°～89°，外层SiO2厚度不超过162纳米，中间层高折射率层厚度124～218纳米，内层SiO2厚度33～128纳米。匹配层的高折射率外层厚度为100～166纳米；内层低折射率膜层，其材料为SiO2，厚度为52～160纳米。光栅金属层厚度大于150纳米。在入射角度53°，在720～880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31°～63°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。
附图说明
图1为本发明梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅的构剖面图。
图2为梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅的入射波长和衍射效率关系图。
图3为本发明实施例1的入射角度和衍射效率关系图。
图4为本发明实施例1的占空比和波长对衍射效率影响图。
图5为本发明实施例1的光栅脊底角和波长对衍射效率影响图。
图6为本发明实施例2的入射波长和衍射效率关系图。
图7为本发明实施例2的入射角度和衍射效率关系图。
图8为本发明实施例3的入射波长和衍射效率关系图。
图9为本发明实施例3的入射角度和衍射效率关系图。
图中：
1-梯形光栅脊外层  2-梯形光栅脊中间层  3-梯形光栅脊内层  4-梯形光栅脊  5-匹配层外层  6-匹配层内层  7-匹配层  8-金属层  θ-入射角  θr-光栅脊底角  Λ-光栅周期  f-占空比
具体实施方式
先请参阅图1，图1为本发明梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅的构剖面图。由图可见，本发明用于800纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，是由依次的石英基底、金属层8、匹配层7和梯形光栅脊4一体构成，所述的梯形光栅脊4由3层膜组成，中间层2为高折射率膜层，内层3和外层1为低折射率膜层，该梯形光栅4的周期为490-640纳米，占空比为0.2～0.7，光栅脊的底角为60°～89.9°，外层1厚度不超过162纳米，中间层2厚度124～218纳米，内层3厚度33-128纳米，所述的匹配层7由2层膜组成，外层5为高折射率层，厚度为100～200纳米；内层6低折射率膜层，厚度为50～200纳米，所述的金属层8的厚度大于50纳米。
实施例1：
用于800纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，由石英基底，金属层8、由2层介质膜组成的匹配层7和梯形光栅脊4一体构成。该梯形光栅4的周期为574.7纳米，占空比为0.43，光栅脊底角为75°，外层1SiO2（折射率1.45）厚度100纳米，中间层2HfO2（折射率1.96）层厚度149纳米，内层3SiO2厚度57纳米。匹配层7的外层5为HfO2，厚度为119纳米；内层6为SiO2，厚度为81纳米。金层8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700-900纳米波长范围内，-1级衍射效率高于90%。如图3所示，在800纳米波长下，入射角31°-63°，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0.37-0.52，-1级衍射效率在750-850纳米波长范围高于90%。如图5所示，在入射角度53°下，光栅脊底角70-84°，-1级衍射效率在750-850纳米波长范围高于90%。
实施例2：
用于800纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，由石英基底，金属层8、由2层介质膜组成的匹配层7和梯形光栅脊4一体构成。该梯形光栅4的周期为555纳米，占空比为0.27，光栅脊底角为89°，外层1为SiO2（折射率1.45）厚度110纳米，中间层2为TiO2（折射率2.12）层厚度150纳米，内层3为SiO2厚度60纳米。匹配层7的外层5为TiO2，厚度为120纳米；内层6为SiO2，厚度为80纳米。金层8的厚度为150纳米。如图6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700-952纳米波长范围内，-1级衍射效率高于90%。如图7所示，在800纳米波长下，入射角32°-67°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。
实施例3：
用于800纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，由石英基底，金属层8、由2层介质膜组成的匹配层7和梯形光栅脊4一体构成。该梯形光栅4的周期为555纳米，占空比为0.62，光栅脊底角为60°，外层1为SiO2（折射率1.45）厚度50纳米，中间层2为TiO2（折射率2.12）层厚度150纳米，内层3为SiO2厚度60纳米。匹配层7的外层（5）为TiO2，厚度为120纳米；内层6为SiO2，厚度为80纳米。金层8厚度为100纳米。如图8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700-920纳米波长范围内，-1级衍射效率高于90%。如图9所示，在800纳米波长下，入射角38°-62°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于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800纳米中心波长梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，具有很宽的带宽和角宽，而且最外层为SiO2，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。

Claims (3)

1.一种用于800纳米中心波长的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其是由依次的石英基底、金属层（8）、匹配层（7）和梯形光栅脊（4）一体构成，所述的梯形光栅脊（4）由3层膜组成，中间层（2）为高折射率膜层，内层（3）和外层（1）为低折射率膜层，该梯形光栅（4）的周期为490-640纳米，占空比为0.2～0.7，光栅脊的底角为60°～89.9°，外层（1）厚度不超过162纳米，中间层（2）厚度124～218纳米，内层（3）厚度33-128纳米，所述的匹配层（7）由2层膜组成，外层（5）为高折射率层，厚度为100～200纳米；内层（6）低折射率膜层，厚度为50～200纳米，所述的金属层（8）的厚度大于50纳米。
2.根据权利要求1所述的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，其特点在于所述的高折射率膜层的材料为TiO2，HfO2或Ta2O5，所述的低折射率膜层的材料为SiO2。
3.根据权利要求1所述的梯形金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，其特点在于所述的金属层（8）的材料为金、银或铝。
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