CN114859453A - 基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 - Google Patents
基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114859453A CN114859453A CN202210611634.5A CN202210611634A CN114859453A CN 114859453 A CN114859453 A CN 114859453A CN 202210611634 A CN202210611634 A CN 202210611634A CN 114859453 A CN114859453 A CN 114859453A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- grating
- refractive
- film layer
- index
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 title claims abstract description 32
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 91
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 41
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 18
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 13
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 claims description 5
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910019655 synthetic inorganic crystalline material Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 9
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 229940107810 cellcept Drugs 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- HPNSFSBZBAHARI-UHFFFAOYSA-N micophenolic acid Natural products OC1=C(CC=C(C)CCC(O)=O)C(OC)=C(C)C2=C1C(=O)OC2 HPNSFSBZBAHARI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
- G02B5/1819—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
- G02B5/1823—Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings in an overlapping or superposed manner
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
Abstract
一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，包括基底，在该基底上依次镀制的高反射膜层、剩余层和光栅刻蚀层，所述高反射膜层由高折射率薄膜层和低折射率薄膜层交替叠加构成，且所述高折射率薄膜层与低折射率薄膜层之间设有折射率连续界面层，该折射率连续界面层的折射率由高折射率薄膜层的折射率向低折射率薄膜层的折射率连续过渡而成。本发明随机偏振合束光栅利用连续界面激发泄露模共振，可以实现随机偏振入射光的‑1级衍射效率在40‑100纳米带宽内大于99％，最高可达99.95％，在高能光谱合束激光、超强超短激光脉冲压缩领域具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光谱合束光栅，尤其是一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅。
技术背景
基于衍射光栅的高功率光谱合束光纤激光器具有结构简单稳定、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，近年来已成为激光加工、定向能领域研究的热点。光谱合束光栅是上述高功率激光器的核心关键元器件之一，负责将不同波长、不同角度入射的激光束合成一束高能激光输出，承载着全系统能量的输出，其衍射效率、光谱带宽、偏振特性直接决定了整个激光器的输出功率水平。在实际工程应用中，为了提高各子激光束的能量利用率、扩大合束规模，往往要求合束光栅具有高的衍射效率和尽可能宽的光谱带宽。此外，为了降低子激光束偏振控制难度和提高各子激光束的输出功率，还要求合束光栅对入射激光的偏振态不敏感，即对随机偏振的入射激光都要具有宽光谱高衍射效率特性。
目前，高功率光谱合束技术领域使用的合束光栅主要是制作在高反射率、高抗激光损伤阈值以及低吸收的介质薄膜表面的多层介质膜合束光栅(Multilayer DielectricBeam Combining Grating，MDBCG)。2009年，德国Jena大学研制了960线/毫米的反射式偏振无关MDBCG【在先技术1：O.Schmidt，et.al.，Opt.Lett 34,1567-1569(2009)】，在1010纳米-1090纳米波长范围内的衍射效率高于95％，并支撑了其1.1千瓦、8.2千瓦合束实验。2017年，中科院上海光机所Linxin Li等人研制出960线/毫米双层梯形槽型结构偏振无关MDBCG，所研制的50毫米×50毫米光栅在随机偏振激光1040纳米-1070纳米范围内衍射效率达到94％以上【在先技术2：L.Li，et.al.，Optics Communications 385，97-103(2017】，可承受功率达到数千瓦。同年，上海光机所的Junming Chen等人进一步研究了1170线/毫米的双层梯形槽型随机偏振反射式合束【在先技术3：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1023纳米-1080纳米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1050纳米-1080纳米的平均衍射效率大于97％，光谱带宽仅有30纳米【在先技术4：X.Mao，et.al.，Optics Communication 458，(2019】。上述报道的MDBCG均是在周期性的、由高低折射率材料组成的离散界面多层薄膜表面制备的，由于受界面菲涅尔反射影响，光栅在宽光谱范围内的衍射效率不是特别理想。2018年，张明骁等人发明了一种光栅层折射率渐变的合束光栅结构，实现了在30纳米带宽(1050纳米-1080纳米)在利特罗角入射时-1级衍射效率大于99％【在先技术5：CN 108761610 A】，该结构实现了极高的衍射效率，但是光谱带宽还无法完全覆盖高功率光纤激光输出波段1030纳米-1090纳米。
发明内容
本发明目的是克服现有光谱合束光栅的不足，提供了一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，该合束光栅针对随机偏振入射光在40纳米-100纳米带宽内的-1级平均衍射效率大于99％，最高可达99.95％。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。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，包括基底，在该基底上依次镀制的高反射膜层、剩余层和光栅刻蚀层，其特点在于，所述高反射膜层由高折射率薄膜层和低折射率薄膜层交替叠加构成，且所述高折射率薄膜层与低折射率薄膜层之间设有折射率连续界面层，该折射率连续界面层的折射率由高折射率薄膜层的折射率向低折射率薄膜层的折射率连续过渡而成。
所述的高折射率薄膜层由HfO2，TiO2或Ta2O5制成，所述低折射率薄膜层由SiO2制成，所述的折射率连续界面层由HfO2，TiO2或Ta2O5与SiO2混合而成。
所述的高折射率薄膜层的厚度为10-200纳米，所述的低折射率薄膜层的厚度为10-300纳米，所述的折射率连续界面层的厚度1-200纳米。
所述光栅刻蚀层的光栅脊结构由单层、双层或是多层膜组成，光栅脊的形状是矩形、梯形或三角形，刻蚀深度为100-1500纳米，周期Λ为400-1500纳米。
所述光栅刻蚀层为矩形结构时，底角为90度，占空比f为0.40-0.75；所述光栅刻蚀层为梯形结构时，底角为50度-89度，占空比f为0.35-0.65；所述光栅刻蚀层为三角形结构时，底角为40度-80度，占空比f为0.66-0.96。
所述剩余层的厚度为0-500纳米，其材料与光栅刻蚀层(1)的最底层材料相同，为HfO2，TiO2或Ta2O5。
所述基底的材料为熔融石英，金刚石，碳化硅或YAG。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1、采用具有折射率连续界面层的高反射膜层，有效抑制了多层介质膜高低折射率离散界面处的菲涅尔反射，激发泄露模共振，提高了光栅宽带内的衍射效率。
2、对随机偏振入射激光在40纳米-100纳米带宽内的-1级平均衍射效率大于99％，最高可达99.95％，衍射效率高，宽带宽。
附图说明
图1为本发明随机偏振合束光栅结构示意图。
图2为实施例1中随机偏振合束光栅入射波长和衍射效率关系图。
图3为实施例1中随机偏振合束光栅入射角和衍射效率关系图。
图4为实施例2中随机偏振合束光栅入射波长和衍射效率关系图。
图5为实施例2中随机偏振合束光栅入射角和衍射效率关系图。
图6为实施例3中随机偏振合束光栅入射波长和衍射效率关系图。
图7为实施例3中随机偏振合束光栅入射角和衍射效率关系图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明提供的随机偏振合束光栅的结构示意图，如图所示，由下而上的结构依次为基底4、高反射膜层3、剩余层2和光栅刻蚀层1。所述高反射膜层3由高折射率薄膜层和低折射率薄膜层交替叠加构成，且所述高折射率薄膜层与低折射率薄膜层之间设有折射率连续界面层，该折射率连续界面层的折射率由高折射率薄膜层的折射率向低折射率薄膜层的折射率连续过渡而成。
实施例1：
一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，如图1所示，光栅脊为双层矩形结构，底角为90度，光栅工作在Littrow角，光栅刻蚀层1材料为SiO2和HfO2，刻蚀深度为682纳米，光栅刻蚀层的周期为930纳米，占空比为0.47。剩余层2材料为HfO2，剩余层2厚度为219纳米。所述高反射膜层3的周期性结构为(LMH)^25，其中，L为低折射率SiO2薄膜层，厚度为251纳米；M为折射率连续界面层，其材料为HfO2和SiO2两种材料按不同比例混合制备的且折射率由1.86连续过渡到1.45，厚度为9纳米；H为高折射率HfO2薄膜层，厚度为92纳米；基底材料为熔融石英。随机偏振合束光栅在1010-1101纳米波段TE模式和TM模式的-1级平均衍射效率大于99％，如图2所示。在中心波长为1064纳米处，随机偏振合束光栅入射角和衍射效率的关系如图3所示。
实施例2：
一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，如图1所示，光栅脊为双层梯形结构，底角为86.5度，光栅工作在Littrow角，光栅刻蚀层材料为SiO2和HfO2，刻蚀深度为675纳米，光栅刻蚀层的周期为930纳米，占空比为0.5，剩余层材料为HfO2，剩余层厚度为213纳米。所述高反射膜层3的周期性结构为(LMH)^25，其中，L为低折射率SiO2薄膜层，厚度为245纳米；M为折射率连续界面层，其组成材料为Ta2O5和SiO2两种材料按不同比例混合制备的且折射率由2.04连续过渡到1.45，厚度为15纳米；H为高折射率Ta2O5薄膜层，厚度为86纳米；基底材料为熔融石英。随机偏振合束光栅在1030-1117纳米波段-1级衍射效率大于99％，如图4所示。在中心波长为1064纳米处，随机偏振合束光栅入射角和衍射效率的关系如图5所示。
实施例3：
一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，如图1所示，光栅脊为单层三角形结构，底角为64.2度，光栅工作在Littrow角，光栅刻蚀层材料为Ta2O5，刻蚀深度为770纳米，光栅刻蚀层的周期为930纳米，占空比为0.8，剩余层材料为Ta2O5，剩余层厚度为188纳米。所述高反射膜层4的周期性结构为(LMH)^25，其中，L为低折射率SiO2薄膜层，厚度为210纳米；M为折射率连续界面层，其组成材料为TiO2和SiO2两种材料按不同比例混合制备的且折射率由2.4连续过渡到1.45，厚度为40纳米；H为高折射率TiO2薄膜，厚度为40纳米；基底材料为熔融石英。随机偏振合束光栅在1113-1155纳米波段随机偏振的-1级平均衍射效率大于99％，如图6所示。在中心波长为1130纳米处，随机偏振合束光栅入射角和衍射效率的关系如图7所示。
Claims (7)
1.一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，包括基底(4)，在该基底(4)上依次镀制的高反射膜层(3)、剩余层(2)和光栅刻蚀层(1)，其特征在于，所述高反射膜层(3)由高折射率薄膜层和低折射率薄膜层交替叠加构成，且所述高折射率薄膜层与低折射率薄膜层之间设有折射率连续界面层，该折射率连续界面层的折射率由高折射率薄膜层的折射率向低折射率薄膜层的折射率连续过渡而成。
2.根据权利要求1所述的基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，其特征在于，所述的高折射率薄膜层由HfO2，TiO2或Ta2O5制成，所述低折射率薄膜层由SiO2制成，所述的折射率连续界面层由HfO2，TiO2或Ta2O5与SiO2混合而成。
3.根据权利要求1或2所述的基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，其特征在于，所述的高折射率薄膜层的厚度为10-200纳米，所述的低折射率薄膜层的厚度为10-300纳米，所述的折射率连续界面层的厚度1-200纳米。
4.根据权利要求1所述的基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，其特征在于，所述光栅刻蚀层(1)的光栅脊结构由单层、双层或是多层膜组成，光栅脊的形状是矩形、梯形或三角形，刻蚀深度为100-1500纳米，周期Λ为400-1500纳米。
5.根据权利要求4所述的基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，其特征在于，所述光栅刻蚀层(1)为矩形结构时，底角为90度，占空比f为0.40-0.75；所述光栅刻蚀层(1)为梯形结构时，底角为50度-89度，占空比f为0.35-0.65；所述光栅刻蚀层(1)为三角形结构时，底角为40度-80度，占空比f为0.66-0.96。
6.根据权利要求1所述的基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，其特征在于，所述剩余层(2)的厚度为0-500纳米，其材料与光栅刻蚀层(1)的最底层材料相同，为HfO2，TiO2或Ta2O5。
7.根据权利要求1所述的一种基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅，其特征在于，所述基底(4)的材料为熔融石英，金刚石，碳化硅或YAG。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210611634.5A CN114859453B (zh) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210611634.5A CN114859453B (zh) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114859453A true CN114859453A (zh) | 2022-08-05 |
| CN114859453B CN114859453B (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=82640585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210611634.5A Active CN114859453B (zh) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114859453B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1606704A (zh) * | 2002-09-19 | 2005-04-13 | 住友电气工业株式会社 | 衍射光学器件以及用于制造所述光学器件的方法 |
| US20150144890A1 (en) * | 2013-11-22 | 2015-05-28 | Universal Display Corporation | Structure to Enhance Light Extraction and Lifetime of OLED Devices |
| CN108761610A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-06 | 成都精密光学工程研究中心 | 基于折射率调控薄膜的偏振无关反射式介质光栅 |
| CN109095499A (zh) * | 2018-06-27 | 2018-12-28 | 深圳大学 | 一种二氧化钒多层膜体系及其制备方法和应用 |
| JP2019200399A (ja) * | 2018-05-18 | 2019-11-21 | Ａｇｃ株式会社 | 光学フィルタおよび撮像装置 |
| CN110895357A (zh) * | 2018-09-13 | 2020-03-20 | 深圳大学 | 一种新型高透射率二氧化钒薄膜元件制备方案 |
-
2022
- 2022-05-19 CN CN202210611634.5A patent/CN114859453B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1606704A (zh) * | 2002-09-19 | 2005-04-13 | 住友电气工业株式会社 | 衍射光学器件以及用于制造所述光学器件的方法 |
| US20150144890A1 (en) * | 2013-11-22 | 2015-05-28 | Universal Display Corporation | Structure to Enhance Light Extraction and Lifetime of OLED Devices |
| JP2019200399A (ja) * | 2018-05-18 | 2019-11-21 | Ａｇｃ株式会社 | 光学フィルタおよび撮像装置 |
| CN108761610A (zh) * | 2018-06-13 | 2018-11-06 | 成都精密光学工程研究中心 | 基于折射率调控薄膜的偏振无关反射式介质光栅 |
| CN109095499A (zh) * | 2018-06-27 | 2018-12-28 | 深圳大学 | 一种二氧化钒多层膜体系及其制备方法和应用 |
| CN110895357A (zh) * | 2018-09-13 | 2020-03-20 | 深圳大学 | 一种新型高透射率二氧化钒薄膜元件制备方案 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114859453B (zh) | 2024-02-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7139459B2 (en) | Spectral filter for green and longer wavelengths | |
| US6958859B2 (en) | Grating device with high diffraction efficiency | |
| US7907655B2 (en) | Mode selection by synchronous pumping of a wagon wheel optical cavity | |
| JPH08340141A (ja) | モードロックレーザ装置 | |
| US6750393B2 (en) | Back reflector of solar cells | |
| CN109491001B (zh) | 基于覆盖折射率匹配层的偏振无关光栅及其制备方法 | |
| Danielewicz et al. | Hybrid output mirror for optically pumped far infrared lasers | |
| CN111769425A (zh) | 用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅 | |
| CN101597799A (zh) | 异质结构的一维光子晶体 | |
| EP4066026A2 (en) | Innovative solutions for improving laser damage performance of a substrate with multi-layers | |
| Chang et al. | Flexible and ultranarrow transmissive color filters by simultaneous excitations of triple resonant eigenmodes in hybrid metallic–optical Tamm state devices | |
| CN108988106B (zh) | 基于超表面外腔镜的可控多波长光纤外腔激光器 | |
| CN110989061A (zh) | 一种全介质偏振无关全内反射光栅及其制作方法 | |
| CN114859453B (zh) | 基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 | |
| CN112394436B (zh) | 1064纳米波段的非对称结构全介质反射式合束光栅 | |
| Gu et al. | Flat-top filter using slanted guided-mode resonance gratings with bound states in the continuum | |
| Nagashima et al. | Improvement of contact grating device for efficient terahertz wave generation using bi-angular filter | |
| EP3111259A1 (en) | Grating mirror | |
| Thönissen et al. | The colourful world of porous silicon: From interference filters to applications | |
| US11927780B2 (en) | Dielectric grating apparatus | |
| CN114460676B (zh) | 一种1030nm正弦型介质光栅及其制作方法 | |
| KR20200027396A (ko) | 메타물질 기반의 반사체와 이를 포함한 광학적 캐비티 구조체 및 수직 공진형 표면 발광 레이저 | |
| US20220359794A1 (en) | Light-emitting diode structure | |
| TWI820663B (zh) | 高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構 | |
| KR20070027232A (ko) | 후펌핑 수직외부공진형 표면발광 레이저 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |