CN114859453B - 基于连续界面全介质薄膜的随机偏振合束光栅 - Google Patents
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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 (4)
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，用以抑制菲涅尔反射，激发泄露模共振；
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。
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。
3.根据权利要求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。
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。
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