CN105891925A - 1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅 - Google Patents

Abstract

一种中心波长1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，包括由顶层光栅层、次层光栅层和次层光栅剩余层构成光栅顶部结构，以及由高折射率对比度全介质周期薄膜层和基底构成光栅底部结构，所述的顶层光栅层和次层光栅层为高折射率对比度材料，所述光栅的周期为833～1052纳米，占宽比为0.47～0.65。本发明的反射型全介质光栅在入射角度为‑1级利特罗角时，在入射光1020～1100纳米范围内可同时使TE、TM偏振方向的‑1级衍射效率高于95％，波段内最高衍射效率超过99％，且在较宽角谱(5°左右)和宽方位角谱(正负15°～正负20°)内具有高于95％的‑1级衍射效率，实现对偏振无关入射光的高效率衍射。

Description

1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅

技术领域

本发明涉及全介质光栅，特别是一种中心波长1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅。

背景技术

在高功率激光领域中，光谱合成技术是获得高功率连续激光输出的重要技术手段，其中反射型光栅在光谱合成技术中更是发挥着核心元件的作用。金属光栅、全介质多层膜光栅以及金属介质膜光栅等光栅均可以实现很高的衍射效率，然而，含有金属层的光栅虽然能够在较宽的光谱范围内实现高效率，但是金属固有的吸收特性，使得其激光破坏阈值相对较低，不适合应用于高能激光系统中。与反射型光栅相比，透射型光栅由于能量需要进过光栅内部，同样不适合应用于高能激光系统中，因此研究反射型全介质光栅在高功率激光领域具有重要意义。另外，在光谱合成技术中，如果使用偏振无关的入射光进行高功率合束输出，则要求进行光谱合束的光栅元器件具有偏振无关特性，目前高效率、宽带宽、低偏振相关损耗的偏振无关全介质反射型光栅在设计上还是一个难题，对其进行研制是很有研究前景和实用意义的。

-1级高效率光栅通常需要较高密度的光栅密度，此时光栅周期为亚波长量级，对于亚波长光栅的衍射不能由简单的标量光栅理论来计算，而必须采用严格耦合波理论的算法【参见在先技术1：M.G..Moharamet al.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。据我们所知，没有人针对1064纳米波段给出偏振无关高效率反射型全介质光栅的设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对中心波长1064纳米波段提供一种偏振无关宽带高衍射效率反射型全介质光栅，该光栅可以使TE和TM两种偏振模式的入射光以-1级利特罗角(Littrow)入射时，-1级反射衍射效率在80纳米范围(1020～1100纳米)波长带宽内高于95％，最高衍射效率超过99％，且该光栅在较宽角谱(5°左右)和宽方位角谱(正负15°～正负20°)内具有高于95％的-1级衍射效率。该偏振无关宽带高衍射效率反射型全介质光栅在高功率激光应用中具有重要的实用意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，包括由上至下由顶层光栅层、次层光栅层和次层光栅剩余层构成光栅顶部结构，以及由上至下由高折射率对比度全介质周期薄膜层和基底构成光栅底部结构；所述的顶层光栅层和次层光栅层为高折射率对比度材料：

当顶层光栅层为低折射率材料时，则次层光栅层为高折射率材料，次层光栅剩余层的材料与次层光栅层的材料一致；

当顶层光栅层为高折射率材料时，则次层光栅层为低折射率材料，次层光栅剩余层的材料与次层光栅层的材料一致，在次层剩余层与周期高反膜系之间增加一层匹配层满足膜层之间高折射率对比度需要，提高光栅的衍射效率，而次层剩余层的设置在一定范围内提高了光栅的制备工艺容差。

所述光栅的低折射率材料为SiO₂；所述光栅的高折射率材料为HfO₂或Ta₂O₅；所述光栅的高折射率对比度材料可以由上述两种材料构成，也可以由三种材料构成；该矩形光栅的周期Λ为833～1052纳米，对应线密度为950～1200线每毫米，顶层光栅层的物理厚度为250～400纳米，次层光栅层的物理厚度为150～450纳米，光栅占宽比f为0.47～0.65；所述的高折射率对比度全介质周期薄膜层的膜系结构为(HnL)^m，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层，n为大于0的系数，m为膜层周期数；高折射率对比度全介质周期薄膜层的周期数为至少10个周期或高折射率对比度全介质周期薄膜层的总层数大于20层。

本发明的技术效果如下：

1、本发明光栅可以使TE和TM两种偏振模式的入射光在以-1级利特罗角入射时，-1级衍射效率在80纳米范围(1020～1100纳米)波长带宽内高于95％，最高衍射效率超过99％。

2、本发明的光栅在较宽角谱(5°左右)内具有高于95％的-1级衍射效率。

3、本发明的光栅在宽方位角谱(正负15°～正负20°)内具有高于95％的-1级衍射效率。

4、本发明的光栅结构简单，可大批量生产，在高功率激光领域具有重要的实用前景。

附图说明

图1为实施例1和实施例3偏振无关高衍射效率双层反射光栅结构剖面图。

图2为实施例2和实施例4偏振无关高衍射效率双层反射光栅结构剖面图。

图3为实施例1高衍射效率双层反射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图4为实施例1高衍射效率双层反射光栅入射角度和衍射效率关系图。

图5为实施例1高衍射效率双层反射光栅入射方位角和衍射效率关系图。

图6为实施例2高衍射效率双层反射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图7为实施例2高衍射效率双层反射光栅入射角度和衍射效率关系图。

图8为实施例2高衍射效率双层反射光栅入射方位角和衍射效率关系图。

图9为实施例3高衍射效率双层反射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图10为实施例3高衍射效率双层反射光栅入射角度和衍射效率关系图。

图11为实施例3高衍射效率双层反射光栅入射方位角和衍射效率关系图。

图12为实施例4高衍射效率双层反射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图13为实施例4高衍射效率双层反射光栅入射角度和衍射效率关系图。

图14为实施例4高衍射效率双层反射光栅入射方位角和衍射效率关系图。

图中：

1-入射光，2-反射衍射光，3-顶层光栅层，4-次层光栅层，5-次层光栅剩余层，θ-入射角，Λ-光栅周期，f-占宽比，6-周期膜系低折射率材料层，7-周期膜系高折射率材料层，8-周期膜系，9-匹配层。

具体实施方式

本发明提出的中心波长1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，由基底和高折射率对比度全介质周期薄膜层8构成光栅底部结构，由顶层光栅层3、次层光栅层4和次层光栅剩余层5组成的矩形表面光栅结构构成光栅顶部结构，顶层和次层光栅层为高折射率对比度材料，其中顶层光栅层不需要进行限制，可以为高折射率材料也可以为低折射率材料，此时次层光栅层需相应地选择折射率高对比度材料进行匹配。另外，当顶层光栅层选用高折射率材料时，在次层剩余层与周期高反膜系之间增加一层匹配层9满足膜层之间高折射率对比度需要。

图1为本发明实施例1和实施例3中宽带偏振无关反射型光栅结构的剖面图。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。由图可见，光栅上方为空气，光从空气进入到矩形光栅，经过光栅和薄膜层的调制，反射回空气层。当入射光以-1级利特罗角入射时，入射光经光栅调制，-1级TE和TM偏振光的反射率都很高，实现了偏振无关效果，其中利特罗角的入射条件满足公式：

${\mathrm{\θ}}_{-1,Littrow}={\sin }^{-1}\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\Λ}}$

式中λ为入射波长，Λ为光栅的周期。在进行衍射效率光谱计算过程中，-1级利特罗角随入射波长的变化而变化。

本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了基于双层光栅的1064纳米波段的高衍射效率反射光栅的衍射效率，得到结论：通过对所述全介质光栅的顶层光栅层厚度、次层光栅层厚度、次层光栅剩余层厚度、占宽比、周期和膜层厚度等进行优化设计，TE和TM偏振入射光在波段内-1级反射衍射效率很高，可以实现偏振无关衍射效果。

实施例1：

偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，如图1所示，由基底和高折射率对比度全介质周期膜系8构成光栅底部结构，由顶层光栅层3、次层光栅层4和次层光栅剩余层5组成的双层矩形表面光栅结构构成光栅顶部结构。该光栅的膜系结构为S|(H1.04L)¹⁵RG₂G₁|A，其中S表示基底，H表示高折射率膜层7(HfO₂)，L表示低折射率膜层6(SiO₂)，膜层周期数为15个周期，R表示次层光栅剩余层(HfO₂)，G₂表示次层光栅层(HfO₂)，G₁表示顶层光栅层(SiO₂)，A表示空气。光栅的周期为909纳米，对应光栅线密度为1100线每毫米，光栅占宽比为0.47。该光栅顶部光栅结构有两层：顶层光栅层3为低折射率材料SiO₂，厚度为320纳米；次层光栅层4为高折射率材料HfO2，厚度为400纳米，次层光栅剩余层5的厚度为193纳米。该光栅的底部光栅结构由高低折射率材料周期膜系8构成，其中周期膜系中H层的物理厚度为150纳米，1.04L层的物理厚度为200纳米。如图3所示，当入射光以-1级利特罗角入射时，在1020～1100纳米范围内，光栅TE和TM偏振态的-1级反射率很高，高于95％。特别的，在中心波长1064纳米处，-1级衍射效率高于99％。如图4所示，当入射波长为1064纳米时，在入射角33°～38.5°之间TE和TM入射光的-1级反射率均高于95％。如图5所示，当入射波长为1064纳米时，在方位角正负17.5°之间TE和TM入射光的-1级反射率均高于95％。这表明该光栅具有较宽的带宽和可以在较宽的入射角范围以及方位角范围内工作。

实施例2：

偏振无关高衍射效率双层反射型全介质光栅，如图2所示，光栅由基底、高折射率对比度全介质周期薄膜层和匹配层9构成光栅底部结构，由顶层光栅、次层光栅和次层光栅剩余层组成的双层矩形表面光栅结构构成光栅顶部结构。该光栅的膜系结构为S|(H0.857L)¹⁵MRG₂G₁|A，其中S表示基底，H表示高折射率膜层(Ta₂O₅)，L表示低折射率膜层6(SiO₂)，膜层周期数为15个周期，M表示匹配层(Ta₂O₅)，R表示次层光栅剩余层(SiO₂)，G₂表示次层光栅层(SiO₂)，G₁表示顶层光栅层(Ta₂O₅)，A表示空气。该光栅的周期为859.8纳米，对应光栅线密度为1163线每毫米，光栅占宽比为0.65。该光栅顶部光栅结构有两层：顶层光栅层为高折射率材料Ta₂O₅，厚度为330纳米；次层光栅层为低折射率材料SiO₂，厚度为160纳米，次层光栅剩余层厚度为430纳米。该光栅的底部光栅结构由匹配层和高低折射率材料周期膜层构成，其中匹配层为高折射率材料Ta₂O₅，厚度为160纳米，周期膜系中H层的物理厚度为141纳米，0.857L层的物理厚度为193纳米，周期数为15个周期。如图6所示，当入射光以利特罗角入射时，在1020～1100纳米范围内，光栅TE和TM偏振态的-1级反射率很高，高于95％。特别的，在中心波长1064纳米处，-1级衍射效率高于98％。如图7所示，当入射波长为1064纳米时，在入射角35.5°～39.5°之间TE和TM光德-1级反射率均高于95％。如图8所示，当入射波长为1064纳米时，在方位角正负16.5°之间TE和TM入射光的-1级反射率均高于95％。

实施例3：

偏振无关高衍射效率双层反射型全介质光栅，如图1所示，由基底和高折射率对比度全介质周期膜系构成光栅底部结构，由顶层光栅层、次层光栅层和次层光栅剩余层组成的双层矩形表面光栅结构构成光栅顶部结构。该光栅的膜系结构为S|(H2L)¹⁵RG₂G₁|A，其中S表示基底，H表示高折射率膜层(Ta₂O₅)，L表示低折射率膜层(SiO₂)，膜层周期数为15个周期，R表示次层光栅剩余层(HfO₂)，G₂表示次层光栅层(HfO₂)，G₁表示顶层光栅层(SiO₂)，A表示空气。光栅的周期为847纳米，对应光栅线密度为1180线每毫米，光栅占宽比为0.53。该光栅顶部光栅结构有两层：顶层光栅层为低折射率材料SiO₂，厚度为270纳米；次层光栅层为高折射率材料HfO₂，厚度为400纳米，次层光栅剩余层的厚度为230纳米。该光栅的底部光栅结构由高低折射率材料周期膜系构成，其中周期膜系中H层的物理厚度为128纳米，2L层的物理厚度为215纳米。如图9所示，当入射光以利特罗角入射时，在1020～1100纳米范围内，光栅TE和TM偏振态的-1级反射率很高，高于95％。特别的，在中心波长1064纳米处，-1级衍射效率高于99％。如图10所示，当入射波长为1064纳米时，在入射角36°～41°之间TE和TM光德-1级反射率均高于95％。如图11所示，当入射波长为1064纳米时，在方位角正负18.5°之间TE和TM入射光的-1级反射率均高于95％。

实施例4：

偏振无关高衍射效率双层反射型全介质光栅，如图2所示，光栅由基底、高折射率对比度全介质周期薄膜层和匹配层构成光栅底部结构，由顶层光栅、次层光栅和次层光栅剩余层组成的双层矩形表面光栅结构构成光栅顶部结构。该光栅的膜系结构为S|(H2L)¹⁵HRG₂G₁|A，其中S表示基底，H表示高折射率膜层(HfO₂)，L表示低折射率膜层(SiO₂)，膜层周期数为15个周期，匹配层为H(HfO₂)，R表示次层光栅剩余层(SiO₂)，G₂表示次层光栅层(SiO₂)，G₁表示顶层光栅层(HfO₂)，A表示空气。该光栅的周期为961.5纳米，对应光栅线密度为1040线每毫米，光栅占宽比为0.56。该光栅顶部光栅结构有两层：顶层光栅层为高折射率材料HfO₂，厚度为380纳米；次层光栅层23为低折射率材料SiO₂，厚度为188纳米，次层光栅剩余层厚度为53纳米。该光栅的底部光栅结构由匹配层和高低折射率材料周期膜层构成，其中匹配层为高折射率材料HfO₂，光学厚度为一个H，周期膜系中H层的物理厚度为102纳米，2L层的物理厚度为261.7纳米，周期数为15个周期。如图12所示，当入射光以利特罗角入射时，在1020～1100纳米范围内，光栅TE和TM偏振态的-1级反射率很高，高于95％。特别的，在中心波长1064纳米处，-1级衍射效率高于98％。如图13所示，当入射波长为1064纳米时，在入射角31.5°～36°之间TE和TM光德-1级反射率均高于95％。如图14所示，当入射波长为1064纳米时，在方位角正负19.8°之间TE和TM入射光的-1级反射率均高于95％。

本发明1064纳米波段偏振无关高衍射效率双层反射光栅，对TE和TM偏振光都具有很高的-1级衍射效率，具有角度使用灵活、带宽较宽等优点，是理想的衍射光学器件，在高功率激光领域具有良好实用前景。

Claims (4)

1.一种1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，其特征在于包括由上至下由顶层光栅层(3)、次层光栅层(4)和次层光栅剩余层(5)构成光栅顶部结构，以及由上至下由高折射率对比度全介质周期薄膜层和基底构成光栅底部结构；

所述的顶层光栅层和次层光栅层为高折射率对比度材料：

当顶层光栅层为低折射率材料时，则次层光栅层为高折射率材料，次层光栅剩余层的材料与次层光栅层的材料一致；

当顶层光栅层为高折射率材料时，则次层光栅层为低折射率材料，次层光栅剩余层的材料与次层光栅层的材料一致，且次层光栅剩余层下面设有高折射率材料的匹配层(9)。

2.如权利要求1所述的1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，其特征在于：所述的低折射率材料为SiO₂；所述的高折射率材料为HfO₂或Ta₂O₅；所述光栅的高折射率对比度材料由上述两种材料或三种材料构成。

3.如权利要求1所述的1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，其特征在于：所述的高折射率对比度全介质周期薄膜层的膜系结构为(HnL)^m，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层，n为大于0的系数，m为膜层周期数。

4.如权利要求1所述的1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅，其特征在于：该矩形光栅的周期Λ为833～1052纳米，对应线密度为950～1200线每毫米，顶层光栅层(3)的物理厚度为250～400纳米，次层光栅层(4)的物理厚度为150～450纳米，光栅占宽比f为0.47～0.65，高折射率对比度全介质周期薄膜层的周期数为至少10个周期或高折射率对比度全介质周期薄膜层的总层数大于20层。