CN104155709A - 一种透射式脉冲压缩光栅器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射式脉冲压缩光栅器件及其制备方法，所述器件包括熔融石英基板，设置在所述熔融石英基板的一个光学表面上的透射式脉冲压缩光栅，其特征在于：在所述熔融石英基板的另一个相对的光学表面上设有高频增透光栅微结构。采用全息光刻结合离子刻蚀转移的方法实现器件的制备。本发明通过一个器件可以同时实现光束色散和增透，提高了透射式脉冲压缩光栅激光损伤阈值和光能利用率，在超强超快激光领域具有重要应用价值。

Description

一种透射式脉冲压缩光栅器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件及其制备方法，具体涉及一种高损伤阈值的透射式脉冲压缩光栅，及其制备方法。

背景技术

激光脉冲啁啾放大与压缩技术是实现超强超快激光的重要技术之一，脉冲压缩光栅被广泛地应用于强激光脉冲压缩系统中。由于脉冲压缩光栅与输出的强激光直接作用，极易受到激光的物理损伤，因此，如何提高其激光通量和承受能力成为激光器输出脉冲能量强度的主要瓶颈之一。为解决上述问题，一种途径是提高脉冲压缩光栅的损伤阈值，另一种途径是增大脉冲压缩光栅口径。显然，增大光栅口径的方法会导致成本和实现难度的显著增加。

现有技术中，透射式脉冲压缩光栅通常采用在一个熔石英光学表面刻蚀脉冲压缩光栅，另一光学表面加镀增透膜的技术方案，以提高光能利用率。由于增透膜自身材料以及薄膜的损伤阈值远小于熔石英材料的损伤阈值，这类石英光栅的光栅损伤阈值受限于所镀的增透膜。另外，为了减少激光强场作用下体材料中产生的光学非线性效应的不良影响，透射式脉冲压缩光栅基底的厚度需要很薄，径厚比（器件口径与厚度比）一般会大于50，所镀增透膜容易引起基板变形，导致脉冲压缩光栅衍射波面变差。光栅基底的径厚比越大，镀膜引起的基板变形越严重，相应衍射波面更差。

参考文献chun zhou等“Wavefront analysis of high-efficiency, largescale,thin transmission gratings”Optics Express(2014)，为了减小激光强场作用下光学非线性效应，透射光栅的基底材料必须很薄，仅为1mm，光栅口径为180mm,径厚比达到了180,文中采用镀制增透膜提高光能利用率，由于镀制的增透膜存在应力，径厚比太大，结果引起基片变形很大，导致光栅衍射波面变差，从而影响输出激光的像差。

因此，有必要考虑对透射式脉冲压缩光栅的结构进行改进，以提高其损伤阈值，降低其衍射像差。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种透射式脉冲压缩光栅器件，通过结构改进，提高该器件的损伤阈值；本发明的另一发明目的是提供这种脉冲压缩光栅器件的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种透射式脉冲压缩光栅器件，包括熔融石英基板，设置在所述熔融石英基板的一个光学表面上的透射式脉冲压缩光栅，光栅空频范围800-2000line/mm，在所述熔融石英基板的另一个相对的光学表面上设有一维浮雕型高频增透光栅微结构，光栅空频范围2500-6000line/mm。

上述技术方案中，所述高频增透光栅的光栅空频                                                ，式中，λ为使用波长，为入射角。

上述透射式脉冲压缩光栅器件的制备方法，采用熔融石英基板，包括下列步骤：

(1)在熔融石英基板的一个表面上涂布光刻胶，利用全息记录方法，将待制备的透射式脉冲压缩光栅的图像在光刻胶上曝光，显影后制作获得脉冲压缩光栅的光刻胶掩模；

(2) 用离子刻蚀方法将脉冲压缩光栅的光刻胶掩模的微结构转移到熔融石英基板上，清除剩余的光刻胶掩模，获得具有脉冲压缩光栅微结构的熔融石英基板；

(3)在步骤(2)获得的具有脉冲压缩光栅微结构的熔融石英基板的另一个表面上涂布光刻胶，利用全息记录方法，制作高频增透光栅微结构的光刻胶掩模；

(4) 用离子刻蚀方法将高频增透光栅的光刻胶掩模微结构转移到熔石英基板上，清除剩余光刻胶掩模，获得所需的透射式脉冲压缩光栅器件。

上述技术方案中，所述脉冲压缩光栅微结构根据使用波长范围和光束在光栅表面入射角度设计光栅周期、槽深和占空比，实现激光光束一级透射衍射色散；所述高频增透光栅微结构根据使用波长范围和光束在光栅表面入射角度设计光栅周期、槽深和占空比，实现零级透射衍射光束增透。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明在熔融石英基材上，一个光学表面刻蚀石英透射脉冲压缩光栅用于实现激光光束一级透射衍射色散，另一个光学表面制作石英高频透射光栅用于实现零级透射衍射光束增透，利用高频透射光栅替代传统的增透膜，两种光栅集成在同一熔石英基底上，不仅能提高脉冲压缩光栅激光光能利用率，由于制作的高频透射光栅没有内应力，不会导致光栅衍射波面变差。熔融石英材料的激光损伤阈值很高，利用其制作高频透射光栅其抗激光损伤能力优于传统的镀制的增透膜，实现了提高光栅器件激光损伤阈值的目的，且不会出现脱膜和膜裂现象。因此，本发明在超强超快激光领域具有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例的制备方法使用的全息记录光路示意图；

图2是实施例中的透射式脉冲压缩光栅器件的示意图；

图3是实施例中透射式脉冲压缩光栅一级透射衍射效率图；

图4 是实施例中高频增透光栅零级透射效率图；

图5是1250line/mm脉冲压缩光栅电镜照片；

图6是3300line/mm高频增透光栅电镜照片。

其中：1、熔融石英基板；2、透射式脉冲压缩光栅微结构；3、高频增透光栅微结构；4、入射激光束；5、-1级衍射光束；6、零级透射光束。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图2所示，一种透射式脉冲压缩光栅器件，包括熔融石英基板1，在所述熔融石英基板1的一个光学表面上设有透射式脉冲压缩光栅微结构2，在所述熔融石英基板1的另一个相对的光学表面上设有高频增透光栅微结构3。其电镜照片参见附图5和附图6所示。

本实施例中，脉冲压缩光栅的使用波长范围为700nm-900nm, TE偏振，中心波长800nm，光束入射角30度，脉冲压缩光栅空间频率为1250line/mm，光栅材料熔石英。

如图2所示，入射激光束4在透射式脉冲压缩光栅1处发生一级色散透射，形成的1级衍射光束5在高频增透光栅微结构3处发生透射，得到零级透射光束6。

透射式脉冲压缩光栅器件的制备方法，包括下列步骤：

1、根据使用波长范围、光束入射角度、光栅周期，利用电磁场理论设计脉冲压缩光栅微结构。该设计方法为本领域常规方法。设计出光栅槽形以梯形为例，槽深h为1.35um，占空比为0.5，光栅的一级透射衍射效率分布如图3所示。在熔融石英基板上光学表面上涂布光刻胶，利用全息记录方法，制作脉冲压缩光栅的光刻胶掩模。全息记录光路如附图1所示。入射光经分束器分成两束，分别由两个分光镜反射，两束光各自由扩束器扩束并经透镜聚焦后，形成两束记录光束，两束记录光束在光刻胶表面形成干涉图案，两束记录光的入射角为14.96度，记录光波长413.1nm，经全息曝光记录,显影，制作出光刻胶光栅掩模。

2、用离子刻蚀方法将脉冲压缩光栅的光刻胶掩模微结构转移到熔石英基板上，清除剩余光刻胶掩模，获得所需脉冲压缩光栅微结构，如图5所示。

3、根据使用波长范围和光束在光栅表面入射角度，利用电磁场理论设计光栅的空间频率为3300line/mm,光栅周期为0.3um，光栅齿微结构形貌以矩形为例（可以是梯形，或其他形状），槽深h=175nm，占空比0.4，高频光栅透射效率见图4,在700nm-900nm波段范围内光栅反射损失小于0.3%，增透效果非常明显。在步骤2的光栅基板下光学表面上涂布光刻胶，利用全息记录方法，两束记录光的入射角为42.97度，经曝光，显影，制作高频增透光栅的光刻胶掩模。

4、用离子刻蚀方法将高频增透光栅的光刻胶掩模微结构转移到熔石英基板上，清除剩余光刻胶掩模，获得所需纯石英高频增透光栅微结构,见图5。实际测量结果表明光栅的增透效率大于99.8%(808nm)。

Claims (4)

1.一种透射式脉冲压缩光栅器件，包括熔融石英基板，设置在所述熔融石英基板的一个光学表面上的透射式脉冲压缩光栅微结构，光栅空频范围800-2000line/mm，其特征在于：在所述熔融石英基板的另一个相对的光学表面上设有一维浮雕型高频增透光栅微结构，光栅空频范围2500-6000line/mm。

2.根据权利要求1所述的透射式脉冲压缩光栅器件，其特征在于：所述高频增透光栅的光栅空频                                                ，式中，λ为使用波长，为入射角。

3.权利要求1所述的透射式脉冲压缩光栅器件的制备方法，采用熔融石英基板，其特征在于，包括下列步骤：

(1)在熔融石英基板的一个表面上涂布光刻胶，利用全息记录方法，将待制备的透射式脉冲压缩光栅的图像在光刻胶上曝光，显影后制作获得脉冲压缩光栅的光刻胶掩模；

(2) 用离子刻蚀方法将脉冲压缩光栅的光刻胶掩模的微结构转移到熔融石英基板上，清除剩余的光刻胶掩模，获得具有脉冲压缩光栅微结构的熔融石英基板；

(3)在步骤(2)获得的具有脉冲压缩光栅微结构的熔融石英基板的另一个表面上涂布光刻胶，利用全息记录方法，制作高频增透光栅微结构的光刻胶掩模；

(4) 用离子刻蚀方法将高频增透光栅的光刻胶掩模微结构转移到熔石英基板上，清除剩余光刻胶掩模，获得所需的透射式脉冲压缩光栅器件。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述脉冲压缩光栅微结构根据使用波长范围和光束在光栅表面入射角度，利用电磁场理论设计光栅周期、槽深和占空比，实现激光光束一级透射衍射色散；所述高频增透光栅微结构根据使用波长范围和光束在光栅表面入射角度设计光栅周期、槽深和占空比，实现零级透射衍射光束增透。