CN111769425A - 用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅 - Google Patents

用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅 Download PDF

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Abstract

一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，由上而下依次是三明治结构光栅层、位相匹配层和高反射层构成。本发明具有易于制备、偏振无关、宽带、高衍射效率的特点，可以使无偏激光在80纳米(1030纳米‑1100纳米)波长带宽内的‑1级衍射效率高于97.5％；在40纳米(1042纳米‑1082纳米)波长带宽内的‑1级衍射效率高于99％。本发明在高功率、高能激光光谱合束以及激光脉冲压缩等领域具有重要的实用前景。

Description

用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅
技术领域
本发明涉及高能激光合束，特别是一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅。
背景技术
高功率激光系统在前沿基础科学研究、智能制造与国防安全等领域具有巨大的应用价值。然而，由于激光材料的非线性损耗、热效应以及光损伤等问题使得单个激光模块的输出功率已很难满足高效激光加工、高能激光武器等领域对高功率的实际需求。因此，为了提高激光器的输出功率，目前国内外主要采用空间合束、偏振合束和波长合束等方法将多个激光器耦合成一束激光直接输出或由光纤耦合输出。其中，基于衍射光栅的光谱合束技术(spectral beam-combining,SBC)，可以在大幅度增加激光输出功率的同时，使整体的光束质量保持不变，从而实现激光系统的高功率、高光束质量输出。
为了实现高品质的光谱合束，合束光栅(Beam Combining Grating,BCG)必须满足宽光谱、高衍射效率、低偏振相关损耗和高损伤阈值的苛刻要求。此种情况下，普通的商业用衍射光栅，比如金属光栅，由于存在较大的金属吸收，其衍射效率和损伤阈值已无法满足高功率SBC的要求。相比之下，多层介质膜光栅(Multilayer Dielectric Grating,MDG)由于采用了低吸收的介质材料，因此，其衍射效率和损伤阈值得到了显著的提升，并在目前的基于啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,CPA)的高功率脉冲压缩系统中得到了广泛的应用，是高功率SBC技术中的理想合束器件。最近，Linxin Li等人设计制作了一种双层梯形槽型结构的反射式合束光栅，实验测得在1000nm-1085nm下的衍射效率超过94％【参见在先技术1：L.Li,et.al.,Optics Communications 385,97-103(2017】，但光栅的衍射效率和光谱带宽等性能无法满足高品质光谱合束；Junming Chen等人进一步研究了双层梯形槽型偏振无关反射式合束【参见在先技术2：J.Chen,et.al.,Optics Letters 42,4016-4019(2017】，实验制作的光栅的衍射效率在利特罗条件下，在1023nm-1080nm下的衍射效率超过了98％，但是该类型光栅的占宽比要求达到0.58，这对实际制造来说是较大挑战。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅。该合束光栅具有易于制备、偏振无关、宽带、高衍射效率的特点，可以使无偏激光在80纳米(1030纳米-1100纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于97.5％；在40纳米(1042纳米-1082纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于99％。因此，该合束光栅在高功率光谱合束技术中具有重要的实用价值。此外，该类型合束光栅也可应用于啁啾脉冲压缩技术中。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，其特点在于该光栅由上而下依次是三明治结构光栅层、位相匹配层和高反射层，所述的三明治结构光栅层由第一低折射率光栅层、高折射率光栅层和第二低折射率光栅层构成，所述的第一低折射率光栅层、高折射率光栅层的光栅沟槽具有梯形槽型结构，所述的第二低折射率光栅层的光栅沟槽具有矩形结构，所述的位相匹配层由高折射率材料层和低折射率材料层组成，所述的高反射层由多层介质反射膜和光栅基板组成；该光栅的周期Λ为850～900纳米、刻蚀深度(h1+h2+h3)为800纳米～1220纳米，w为光栅顶部的宽度，光栅顶部的占宽比w/Λ为0.24～0.35。
所述的顶部光栅层和位相匹配层使用的低折射率材料为SiO2；所述的高折射率材料为HfO2或Ta2O5。
所述的高反射层的结构为：S(HL)^mH，其中S为低膨胀、高热导光栅基板，主要为碳化硅、金刚石或蓝宝石材料；所述的H和L分别代表多层介质反射膜的高折射率材料和低折射率材料的光学厚度λr/4，(λr为参考波长)；m代表膜层周期数。
所述顶部三明治结构层是由上下两层低折射率材料和中间一层高折射率材料构成，其中顶部两层光栅层具有梯形槽型结构，而下面一层光栅层具有矩形结构，所述的顶部梯形结构有效降低了光栅的占宽比，提升了占宽比容差，进而降低了制备难度，而底部的矩形部分则保证了光栅的高衍射效率和宽带特性；所述位相匹配层由上而下分别是高折射率材料和低折射率材料，该位相匹配层的设置可以有效提高衍射效率以及光谱带宽。
本发明与现有技术相比较具有以下有益技术效果：
1、本发明合束光栅具有梯形和矩形相结合的三明治结构光栅槽型，顶部梯形结构有效降低了光栅的占宽比进而降低了制备难度，而底部的矩形部分则保证了光栅的高衍射效率和宽带特性。
2、本发明具有易于制备、偏振无关、宽带、高衍射效率的特点，该合束光栅可以使无偏激光在80纳米(1030纳米-1100纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于97.5％；在40纳米(1042纳米-1082纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于99％。本发明在高功率、高能激光光谱合束以及激光脉冲压缩等领域具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅结构剖面图
图2是本发明用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅制备流程图
图3是实施例1合束光栅衍射效率随波长和顶部占宽比变化关系图
图4是实施例1合束光栅在占宽比0.3时的衍射效率随波长变化关系图
图5是实施例2合束光栅衍射效率随波长和顶部占宽比变化关系图
图6是实施例2合束光栅在占宽比0.3时的衍射效率随波长变化关系图
图中：1-光栅基板，2-多层介质反射膜，3-低折射率位相匹配层，4-高折射率位相匹配层，5第一低折射率光栅层、6-高折射率光栅层，7-第二低折射率光栅层，8-入射区域(空气)，9-光栅沟槽区域(空气)，10-耦合输出激光，11-铬掩膜层，12-光刻胶涂层，h1、h2、h3、h4、h5-膜层的厚度，λ1，λ2…λn-入射波长，Φ-光栅梯形部分倾角，θ-耦合输出角，αi-不同波长λi入射角，Λ-光栅周期，w-光栅顶部宽度。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅结构剖面图，由图可见，本发明用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，该光栅由上而下依次是三明治结构光栅层、位相匹配层和高反射层，所述的三明治结构光栅层由第一低折射率光栅层7、高折射率光栅层6和第二低折射率光栅层5构成，所述的第一低折射率光栅层7、高折射率光栅层6的光栅沟槽具有梯形槽型结构，所述的第二低折射率光栅层5的光栅沟槽具有矩形结构，所述的位相匹配层由高折射率材料层4和低折射率材料层3组成，所述的高反射层由多层介质反射膜2和光栅基板1组成；该光栅的周期Λ为850～900纳米、刻蚀深度(h1+h2+h3)为800纳米～1220纳米，w为光栅顶部的宽度，光栅顶部的占宽比w/Λ为0.24～0.35。
如图2所示，图2是本发明用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅制备流程图，一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅的制备流程，包括Ⅰ-镀膜、Ⅱ-涂胶、Ⅲ-曝光显影&铬腐蚀、Ⅳ-干法刻蚀梯形结构、Ⅴ-镀铬膜、Ⅵ-干法刻蚀矩形结构等六大部分。下面对各部分进行详细介绍：
Ⅰ-镀膜，首先在干燥清洁的光栅基板1上面采用电子束蒸发方式依次镀制多层介质反射膜2，位相匹配层3和4，三明治结构的光栅层5、6和7，以及用于当作干法刻蚀掩膜的铬膜11；
Ⅱ-涂胶，在上述流程Ⅰ中的铬膜11表面采用旋转涂胶技术涂覆一层均匀的光刻胶涂层12，该涂层作为光敏层用于记录光栅图形。
Ⅲ-曝光显影&铬腐蚀，采用双光束干涉曝光对步骤Ⅱ中的光刻胶涂层12进行曝光，紧接着对曝光后的光栅基板进行显影，将曝光形成的光栅潜像图形转移到光刻胶涂层12上面；随后，采用铬腐蚀液将光刻胶上的光栅图形转移到铬掩膜11上。在上述显影和铬腐蚀过程中，通过精确控制显影液、铬腐蚀液的浓度和刻蚀时间，以对光栅的占宽比进行控制，使其位于上述图3、图5设计范围内。
Ⅳ-干法刻蚀梯形结构，将上述流程Ⅲ中制备的光栅掩膜放入反应离子束刻蚀机中进行一定时间的等离子体干法刻蚀，在此工艺过程中需要对刻蚀气体及其配比、腔内气压、束流密度等参数进行优化以便控制梯形结构的底部倾角满足设计要求。
Ⅴ-镀铬膜，当完成工艺流程Ⅳ中梯形结构的刻蚀后，需要将光栅表面残留的铬掩膜去除并通过倾斜光栅基板的方式在梯形槽型光栅侧面及顶部重新镀制铬掩膜层11，镀膜过程中要控制光栅基板的倾斜角度，防止将铬膜沉积在光栅沟槽底部影响后续矩形光栅槽型的刻蚀。
Ⅵ-干法刻蚀矩形结构，在上述已镀制完铬掩膜层11的基础上再次将光栅样品放入刻蚀机内进行干法刻蚀，为了保证光栅层5的底角垂直度，在此工艺中需要采用与步骤Ⅳ类似的方法，重新对对刻蚀工艺进行优化。待刻蚀完成后，通过后续的酸洗工艺将光栅表面的残留掩膜及刻蚀聚合物去除，即可获得具有梯形和矩形槽型相结合的三明治结构的偏振无关光谱合成光栅。
本发明采用严格耦合波理论【在先技术3：M.G.Moharam,et.al.,J.Opt.Soc.Am.A12,1077-1086(1995】计算了偏振无关三明治结构全介质反射式光谱合束光栅的-1级衍射效率，得到结论：通过对所述偏振无关三明治结构光栅的光栅层、位相层厚度、光栅周期、侧壁倾角等参数进行优化，可以在较大的占宽比容差和较宽的波段内实现S偏振P偏振入射光的-1级高衍射效率。
实施例1：
在如图1所示的光栅结构下，光栅的周期Λ为900纳米，光栅层刻蚀深度h1、h2、h3分别为298纳米、197纳米、698纳米，位相匹配层厚度h4、h5分别为50纳米、317纳米，光栅材料折射率nL和nH分别为1.45，2.0，高反射层结构为：S(HL)^15H，H和L分别代表光学厚度为λr/4，(λr＝1150纳米)的高折射率氧化铪材料和低折射率氧化硅材料，梯形光栅部分的底角Φ＝70°，耦合输出角θ＝36.3°，不同波长的入射角由公式sinαi＝sinθ-λi/Λ决定，光栅的占宽比定义为顶部宽度w与光栅周期Λ的比值w/Λ。如图3所示，当光栅顶部占宽比在0.21-0.35时，该光栅的-1级平均衍射效率在80纳米带宽内(1030纳米-1100纳米)大于95％，特别是当光栅占宽比为0.3时，该光栅在1030纳米-1100纳米波段内的平均衍射效率大于97.5％，在1037纳米-1082纳米波段内的平均衍射效率大于99％，如图4所示。
实施例2：
如图1所示光栅结构，本实施例光栅周期Λ为850纳米，刻蚀深度h1、h2、h3分别为286纳米、337纳米、249纳米，位相匹配层厚度h4、h5分别为297纳米、254纳米，光栅材料折射率nL和nH分别为1.45，1.97，高反射层结构为：S(HL)^15H，H和L分别代表光学厚度为λr/4，(λr＝1145纳米)的高折射率五氧化二钽材料和低折射率氧化硅材料，梯形光栅部分的底角Φ＝73°，耦合输出角θ＝38.56°，不同波长的入射角由公式sinαi＝sinθ-λi/Λ决定，光栅的占宽比定义为顶部宽度w与光栅周期Λ的比值w/Λ。如图5所示，本实施例的合束光栅在占宽比0.24-0.35，在1030纳米-1100纳米波段内的平均衍射效率＞95％，特别是当占宽比0.3时在1042纳米-1082纳米波段内的平均衍射效率大于99％，如图6所示。
实验表明，本发明具有易于制备、偏振无关、宽带、高衍射效率的特点，合束光栅可以使无偏激光在80纳米(1030纳米-1100纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于97.5％；在40纳米(1042纳米-1082纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于99％。本发明在高功率、高能激光光谱合束以及激光脉冲压缩等领域具有重要的实用前景。

Claims (3)

1.一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，其特征在于该光栅由上而下依次是三明治结构光栅层、位相匹配层和高反射层，所述的三明治结构光栅层由第一低折射率光栅层(7)、高折射率光栅层(6)和第二低折射率光栅层(5)构成，所述的第一低折射率光栅层(7)、高折射率光栅层(6)的光栅沟槽具有梯形槽型结构，所述的第二低折射率光栅层(5)的光栅沟槽具有矩形结构，所述的位相匹配层由高折射率材料层(4)和低折射率材料层(3)组成，所述的高反射层由多层介质反射膜(2)和光栅基板(1)组成；该光栅的周期Λ为850～900纳米、刻蚀深度(h1+h2+h3)为800纳米～1220纳米，w为光栅顶部的宽度，光栅顶部的占宽比w/Λ为0.24～0.35。
2.根据权利要求1所述的用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，其特征在于所述的顶部光栅层和位相匹配层使用的低折射率材料为SiO2；所述的高折射率材料为HfO2或Ta2O5。
3.根据权利要求1或2所述的用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，其特征在于所述的高反射层的结构为：S(HL)^mH，其中S为低膨胀、高热导光栅光栅基板(1)，主要为碳化硅、金刚石或蓝宝石材料；所述的H和L分别代表多层介质反射膜(2)的高折射率材料和低折射率材料的光学厚度λr/4，(λr为参考波长)；m代表膜层周期数。
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