CN112394436B - 1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅 - Google Patents

1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅 Download PDF

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Abstract

一种用于1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅，其特征在于该光栅由下而上依次分别是光栅基底、周期膜系、位相匹配层和倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅。本发明适用于中心波长1064纳米波段，具有偏振不敏感、超宽带、高效率的特点，能满足小型化光谱合束系统对高线密度、宽带不敏感合束光栅的需求。特别适合于结构紧凑、对光源线宽要求较低的双光栅高能激光光谱合束系统。

Description

1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅
技术领域
本发明涉及高能激光光谱合束，特别是一种1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅。
背景技术
基于衍射光栅的高功率光谱合束光纤激光器具有系统结构简单稳定、对子光束阵列无相位要求、共孔径输出、光束质量好、功率可定标放大等独特优势，近年来已成为国际高能激光领域研究的热点。合束光栅作为光谱合束技术的核心关键元器件，承载着全系统的功率输出，其线密度、衍射效率、光谱带宽、偏振特性直接决定了整个系统的结构和输出功率水平。为了尽可能的简化系统结构，提升系统的输出功率水平，通常要求合束光栅具有较高的线密度、宽光谱高效率和偏振不敏感特性。高线密度合成光栅较大的角色散能力，有利于缩减光谱合成系统整体尺寸；宽光谱高效率提升了合束光栅多路合成能力和合成效率；偏振不敏感特性降低了合束光栅衍射效率对偏振态的依赖性，使各路合成子光束省去了繁琐的偏振控制模块，在确保轻量化的同时大幅提升了系统能量利用率。然而，合束光栅线密度、带宽、效率以及偏振态之间互相制约，使得同时满足宽带高效率和偏振不敏感特性合束光栅的设计变得十分困难。
传统的对称结构多层介质膜光栅(Multilayer Dielectric Grating,MDG)能够在较低线密度下实现较宽带宽内的偏振不敏感和高衍射效率。2017年，Linxin Li等人设计制作了一种960线/毫米对称结构的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％【在先技术1：L.Li,et.al.,Optics Communications385,97-103(2017】，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；同年，Junming Chen等人进一步研究了1170线/毫米对称结构的双层梯形槽型偏振无关反射式合束【在先技术2：J.Chen,et.al.,Optics Letters 42,4016-4019(2017】，实验制作的光栅衍射效率在利特罗条件下，在1023nm-1080nm下的偏振不敏感衍射效率超过了98％。2019年，Xinyu Mao等人研制了1300线/毫米对称结构偏振无关光谱合束光栅，在1050nm-1080nm的平均衍射效率大于97％，光谱带宽仅有30nm【在先技术3：X.Mao,et.al.,OpticsCommunication 458,(2019】。由上述研究可以看出，如果采用对称形式的光栅结构，随着光栅线密度的增加，光栅的偏振不敏感光谱带宽会逐渐减小，无法满足高线密度、偏振不敏感、超宽带高衍射效率的应用需求。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有光谱合束光栅的不足，针对1064纳米波段高功率光纤激光器光谱合束技术的需求，提供一种非对称结构偏振不敏感超宽带高效率全介质反射式合束光栅。该合束光栅可以使无偏激光在大使用角度(54.5°-61.6°)、100纳米(1000纳米-1100纳米)波长带宽内的-1级平均衍射效率高于91％。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1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅，其特点在于该光栅由下而上依次是分别是光栅基底、周期膜系、位相匹配层和倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅，所述的周期膜系是由高折射率材料层和低折射率材料层叠加构成的，所述的光栅基底材料和周期膜系构成底部高反射层，该底部高反射层的膜系为：S∣(HL)^m∣Coeff*∣(HL)^m∣H，其中，S为光栅基底材料；H和L分别代表光学厚度为λr/4的高折射率材料层和低折射率材料层，λr为参考波长，m代表膜层周期数，Coeff为顶部高反射膜堆的膜层厚度系数(取值≥0)，所述的位相匹配层由下层的低折射率材料的位相匹配层和上层的高折射率材料的位相匹配层构成，所述的倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅由下层的高折射率材料次光栅层和上层的低折射率材料顶光栅层构成，该光栅的周期Λ为625-675纳米，光栅侧壁与光栅矢量方向的倾斜角度Φ为35°-40°，光栅顶部的占宽比f为0.28-0.4。
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；高折射率材料为HfO2或Ta2O5。
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1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅的光栅线密度高达1480线/毫米-1600线/毫米(对应周期675纳米-625纳米)，耦合输出角度高达54.5°-61.6°，十分有利于简化激光合束系统结构。
2、本发明1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅可以使TE和TM两种偏振模式的入射光-1级平均衍射效率在100纳米范围(1000～1100纳米)波长带宽内高于91％，最高衍射效率超过98％。
3、本发明1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅解决了传统合束光栅高线密度和宽带偏振不敏感之间的矛盾，满足了小型化光谱合束系统对高线密度、宽带不敏感合束光栅的需求。
附图说明
图1是本发明1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅的结构剖面图
图2是实施例1合束光栅在倾角36°，顶部占宽比0.32时，TE、TM偏振衍射效率及其平均值随波长变化关系图
图3是实施例1合束光栅在倾角37.8°，顶部占宽比0.35时，TE、TM偏振衍射效率及其平均值随波长变化关系图
图4是实施例1合束光栅在倾角40°，顶部占宽比0.4时，TE、TM偏振衍射效率及其平均值随波长变化关系图
图5是实施例2合束光栅在倾角35°，顶部占宽比0.28时，TE、TM偏振衍射效率及其平均值随波长变化关系图
图6是实施例2合束光栅在倾角36.9°，顶部占宽比0.35时，TE、TM偏振衍射效率及其平均值随波长变化关系图
图7是实施例2合束光栅在倾角40°，顶部占宽比0.4时，TE、TM偏振衍射效率及其平均值随波长变化关系图
图中：1-光栅基底，2-周期膜系高折射率材料层，3-周期膜系低折射率材料层，4-周期膜系，5-低折射率材料位相匹配层，6-高折射率材料位相匹配层，7-高折射率次光栅层，8-低折射率顶光栅层，λ1，λ2…λn-不同波长入射光，9-耦合出射光，h1、h2、h3、h4分别为低折射率材料顶光栅层8、高折射率材料次光栅层7、高折射率材料的位相匹配层6、低折射率材料的位相匹配层5的厚度，Φ-光栅侧壁倾角，θ-耦合输出角，αi-不同波长λi入射角(i＝1、2…n)，Λ-光栅周期，f-光栅顶部占宽比。
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。
请参阅图1，图1是本发明1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅的结构剖面图，由图可见，本发明1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅，该光栅由下而上依次是分别是光栅基底1、周期膜系4，位相匹配层和倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅，所述的周期膜系4是由高折射率材料层2和低折射率材料层3叠加构成的，所述的光栅基底材料1和周期膜系4构成底部高反射层，该底部高反射层的膜系为：S∣(HL)^m∣Coeff*∣(HL)^m∣H，其中，S为光栅基底材料；H和L分别代表光学厚度为λr/4的高折射率材料层2和低折射率材料层3，λr为参考波长，m代表膜层周期数，Coeff为顶部高反射膜堆的膜层厚度系数(取值≥0)，所述的位相匹配层由下层的低折射率材料的位相匹配层5和上层的高折射率材料的位相匹配层6构成，所述的倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅由下层的高折射率材料次光栅层7和上层的低折射率材料顶光栅层8构成，该光栅的周期Λ为625-675纳米，光栅侧壁与光栅矢量方向的倾斜角度Φ为35°-40°，光栅顶部的占宽比f为0.28-0.4。h1、h2、h3、h4分别为低折射率材料顶光栅层8、高折射率材料次光栅层7、高折射率材料的位相匹配层6、低折射率材料的位相匹配层5的厚度。
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；高折射率材料为HfO2或Ta2O5。
图1为本发明实施例1和实施例2非对称偏振不敏感超宽带全介质反射式合束光栅剖面图。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，光栅上方入射介质及光栅沟槽内部介质均为空气，当不同偏振、不同波长的入射光以不同角度从空气进入到非对称光栅时，经过光栅层和多层介质膜高反射镜层的调制，所有波长的光沿同一方向反射回空气层，形成一束光输出，实现了不同波长的入射激光光谱合束。当耦合输出角度θ确定后，不同波长的光的入射角需满足公式：
sinαi＝sinθ-λi/Λ
式中，λi代表不同的入射波长，θ为耦合输出角，Λ为光栅的周期。
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】计算了非对称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，可以使TE和TM偏振入射光在超宽的光谱范围内的-1级反射衍射效率很高，实现了合束光栅对偏振不敏感效果。
实施例1：
在如图1所示的光栅结构下，光栅的周期Λ为625纳米，光栅层刻蚀深度h1、h2分别为320纳米、932纳米，位相匹配层的厚度h3、h4分别为140纳米、224纳米，周期膜系高折射率材料层2为Ta2O5(折射率2.05)，周期膜系低折射率材料层3为SiO2(折射率1.45)，光栅基底1和周期膜系4构成的高反射层结构为：S(HL)^16(1.12H1.12L)^16H，S为熔石英基底，H和L分别代表光学厚度为λr/4，(λr＝1123纳米)的高折射率Ta2O5材料和低折射率SiO2材料，耦合输出角θ＝61.6°(对应1100nm波长的利特罗角)。如图2所示，当光栅侧壁倾角Φ＝36°，光栅顶部占宽比0.32时，在1000-1100纳米波段内，光栅TE、TM偏振的-1级平均衍射效率大于95％，平均衍射效率峰值大于98％。如图3所示，当光栅侧壁倾角Φ＝37.8°，光栅顶部占宽比0.35时，在1000-1100纳米波段内，光栅TE、TM偏振的-1级平均衍射效率大于94％，平均衍射效率峰值大于99％。如图4所示，当光栅侧壁倾角Φ＝40°，光栅顶部占宽比0.4时，在1000-1100纳米波段内，光栅TE、TM偏振的-1级平均衍射效率大于93％，平均衍射效率峰值大于99％。
实施例2：
在如图1所示的光栅结构下，光栅的周期Λ为675纳米，光栅层刻蚀深度h1、h2分别为826纳米、986纳米，位相匹配层厚度h3、h4分别为186纳米、249纳米，周期膜系高折射率材料层2为Ta2O5(折射率2.05)，周期膜系低折射率材料层3为SiO2(折射率1.45)，光栅基底1和周期膜系4构成的高反射层结构为：S(HL)^16(1.12H1.12L)^16H，S为熔石英基底，H和L分别代表光学厚度为λr/4，(λr＝1123纳米)的高折射率Ta2O5材料和低折射率SiO2材料，耦合输出角θ＝54.5°(对应1100nm波长的利特罗角)。如图5所示，当光栅侧壁倾角Φ＝35°，光栅顶部占宽比0.28时，在1000-1100纳米波段内，光栅TE、TM偏振的-1级衍射效率平均值超过91％，平均衍射效率峰值大于95％。如图6所示，当光栅侧壁倾角Φ＝36.9°，光栅顶部占宽比0.35时，在1000-1100纳米波段内，光栅TE、TM偏振的-1级平均衍射效率大于92％，平均衍射效率峰值大于98％。如图7所示，当光栅侧壁倾角Φ＝40°，光栅顶部占宽比0.4时，在1000-1100纳米波段内，光栅TE、TM偏振的-1级平均衍射效率大于92％，平均衍射效率峰值大于98％。
综上所述，本发明1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅，适用于中心波长1064纳米波段，具有偏振不敏感、超宽带、高效率的特点，能满足小型化光谱合束系统对高线密度、宽带不敏感合束光栅的需求。

Claims (2)

1.一种用于1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅，其特征在于该光栅由下而上依次分别是光栅基底(1)、周期膜系(4)，位相匹配层和具有倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅，所述的周期膜系(4)是由高折射率材料层(2)和低折射率材料层(3)叠加构成的，所述的光栅基底材料(1)和周期膜系(4)构成底部高反射层，该底部高反射层的膜系为：S∣(HL)^m∣Coeff*∣(HL)^m∣H，其中，S为光栅基底材料；H和L分别代表光学厚度为λr/4的高折射率材料层(2)和低折射率材料层(3)，λr为参考波长，m代表膜层周期数，Coeff为顶部高反射膜堆的膜层厚度系数(取值≥0)，所述的位相匹配层由下层的低折射率材料的位相匹配层(5)和上层的高折射率材料的位相匹配层(6)构成，所述的倾斜矩形槽型剖面的顶部光栅由下层的高折射率材料次光栅层(7)和上层的低折射率材料顶光栅层(8)构成，该光栅的周期Λ为625-675纳米，光栅侧壁与光栅矢量方向的倾斜角度Φ为35°-40°，光栅顶部的占宽比f为0.28-0.4。
2.根据权利要求1所述的1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅，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；高折射率材料为HfO2或Ta2O5。
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