CN116184545A - 用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，由上至下分别是：由两层高折射率介质层组成的光栅脊、光栅匹配层、金属反射镜和光栅基底，金属介电双层光栅的任意层均为长方体结构。该介电双层光栅的周期为：700‑750nm，占空比为：0.4‑0.48。金属反射镜的厚度大于金属的趋肤深度。当TE或者TM偏振光以利特罗角入射时，其‑1级平均衍射效率在1000‑1100nm波段超过98％，且偏振相关损耗在整个波段上的平均值为0.016dB。本发明可以由电子束直写装置与微电子深刻蚀加工而成，结构简易，容差大，适合大规模制造，可适用于光谱合束和脉冲压缩系统。
Description
技术领域
本发明涉及金属介电双层光栅技术领域，具体涉及一种用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，特别是其中一层介电层折射率可以变化的双层反射式光栅，是一种适用于1053nm波段，利特罗角入射下-1衍射级具有高衍射效率和低偏振相关损耗的金属介电反射式双层光栅。
背景技术
啁啾脉冲放大技术和光谱合束技术是目前主要的获得高功率激光输出的手段。这些系统的核心器件是具有高效率、宽带、激光损伤阈值高的光栅。衍射效率是衡量衍射光栅质量的一个重要的参数，因为这些系统中往往使用多个衍射光栅，当光栅衍射效率低的时候，脉冲经过多个衍射光栅衍射后效率的降低将十分明显。而且，需要压缩的激光脉冲通常具有宽光谱特性，因此需要光栅在较宽的带宽上都能具有高的衍射效率。另外，在光谱合束系统中，具有偏振无关特性的光栅能够提高系统对入射光的使用效率。
曹洪超等人【在先技术1Cao Hong Chao et al.,Appl.Opt.,57(4),900(2018)】设计并制造了一种具有特殊结构的偏振无关多层介质光栅。使用严格耦合波算法【在先技术2Moharam M G et al.,JOSA a,12(5),1068-1076,(1995)】计算倾斜光栅的衍射效率，同时结合模拟退火算法【在先技术3Kirkpatrick S.,et al,science,220(4598),671-680(1983)】优化光栅结构，最后在1040nm-1090nm波长范围内测得的衍射效率大于91％。但是全介质光栅的设计需要遵循特殊的策略，这导致设计工作变得复杂。另外，全介质光栅由不同的材料堆叠而成，使得薄膜之间存在机械应力，这导致将会光栅表面出现裂纹。使用金属介电光栅可以解决这个问题。其原理在于加入金属层作为反射镜可以减少不同折射率薄膜堆叠的数量，从而降低薄膜之间的机械应力，同时金属反射镜还能够增加光栅的带宽。胡安铎等人【在先技术4Hu An Duo et al.,Applied Optics,51(20),4902-4906(2012)】报道了一种偏振无关、宽带、高效率的金属介电混合光栅，在800nm附近，超过120nm的带宽上TE和TM偏振光入射下的-1级衍射效率均超过90％。但是衍射效率不够高，导致系统的激光输出功率难以达到峰值。据本发明提出的前期研发中所知，目前，还没有针对1053nm波段实现偏振无关利特罗角入射下-1级高效率、宽带、金属介电光栅的设计。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种具有新型结构的适用于1053nm波段的高效率、宽带、偏振无关的金属介电双层光栅，该发明的光栅脊为双层结构，其中第一层可选择折射率为1.8至2.3的介电材料。另外有一层匹配层和金属反射镜堆叠于光栅基底上。同时具有大制造容差，便于加工，使得在利特罗角入射下TE和TM偏振光入射时-1衍射级在1053nm波段具有高效率宽带的衍射效率。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种适用于以1053nm为中心波长的宽带、高衍射效率、具有偏振无关特性的金属介电双层光栅，所述金属介电双层光栅由上至下分别是：由两层高折射率介质层组成的光栅脊、光栅匹配层、金属反射镜和光栅基底，其中，金属介电双层光栅的任意层均为长方体结构。
作为进一步优选的方式，所述光栅脊为上下设置的光栅第一层和光栅第二层，其中，光栅第一层选择折射率在1.8至2.3之间的介电材料，上述介电材料选自二氧化铪HfO2、硫化锌ZnS、五氧化二钽Ta2O5、二氧化钛TiO2中的一种或多种组合；光栅第二层的材料为Si。
作为进一步优选的方式，所述光栅匹配层采用SiO2材料。
作为进一步优选的方式，所述金属反射镜选择在1053nm波段具有高反射率的金属材料，上述金属材料包括但不限于金、银、铝中的一种或多种组合。
作为进一步优选的方式，所述光栅基底的基底材料包括但不限于熔融石英或硅。
作为进一步优选的方式，所述金属介电双层光栅的光栅周期为：700-750nm，占空比为：0.4-0.48。
作为进一步优选的方式，所述光栅第一层、光栅第二层、光栅匹配层的厚度分别为：204-242nm、104-140nm、240-278nm。
作为进一步优选的方式，所述金属反射镜的厚度大于金属的趋肤深度。
作为进一步优选的方式，所述金属介电双层光栅具有在宽带上获得高衍射效率和偏振无关的特性，适用于啁啾脉冲放大技术中的脉冲压缩系统，还可作为光谱合束系统中的关键合束器件，是在利特罗入射角下-1级高衍射效率的反射式光栅。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提出的一种适用于1053nm波段的宽带高效率偏振无关的金属介电光栅具有新型双层结构，其光栅脊由两层高折射率介质膜组成，其中光栅第一层可选择折射率在1.8至2.3之间的介电材料，其中包括二氧化铪HfO2、硫化锌ZnS、五氧化二钽Ta2O5、二氧化钛TiO2。光栅第二层为Si材料，大大增加了实际生产制作中的可选择性。
(2)当本发明的光栅周期为727.6nm，使用厚度为225.7nm的ZnS作为光栅第一层，厚度为132.3nm的Si层作为光栅第二层，厚度为264.6nm的SiO2作为光栅匹配层，使用银作为金属反射镜，其厚度为200nm时，在利特罗角入射下，TE偏振光的-1级衍射效率在985nm-1120nm大于90％，在1001-1092nm大于98％，在1028-1080nm大于99％，在1000-1100nm带宽上的平均衍射效率为98.9％；TM偏振光的-1衍射效率在980nm-1120nm大于92％，在1008-1113nm大于98％，在1027-1068nm大于99％，在1000-1100nm带宽上的平均衍射效率为98.8％。在1000-1100nm带宽上的-1级偏振相关损耗平均值为0.016dB。同时，0级衍射光的衍射效率极低，反射光的能量主要集中在-1级上。
(3)本发明设计的金属介电双层光栅结构简易，制造容差大，制作方便，适合大规模制造，适用于啁啾脉冲放大技术中的脉冲压缩系统和光谱合束系统。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中提出的用于1053nm波段的宽带高效率偏振无关的金属介电双层光栅的几何结构图；
图1中，1-代表入射光，2-代表-1级衍射光，3-代表0级衍射光。4-代表折射率为n1的光栅第一层，5-代表折射率为n2的光栅第二层，6-代表折射率n3的光栅匹配层，7-代表光栅的金属反射镜，8-代表光栅基底，另外，Λ-代表光栅周期，f-代表占空比，h1-代表光栅第一层的厚度，h2-代表光栅第二层的厚度，h3-代表光栅匹配层的厚度，α-代表光栅的入射角；
图2是当金属介电双层光栅的周期Λ为727.6nm，光栅的入射角α为46.35°，光栅第一层为厚度h1＝225.7nm的ZnS(n1＝2.29)层，光栅第二层为厚度h2＝132.3nm的Si(n2＝3.56)层，SiO2(n3＝1.45)匹配层厚度h3＝264.6nm，金属反射镜选择银材料，其厚度为200nm时，本发明要求范围内(980nm-1120nm)在TE和TM偏振光在利特罗角入射时的-1级、0级衍射效率和偏振相关损耗(PDL)的示意图；
图3是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅周期Λ与入射波长变化的等高线图；
图4是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅占空比f与入射波长变化的等高线图；
图5是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅第一层厚度h1与入射波长变化的等高线图；
图6是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅第二层厚度h2与入射波长变化的等高线图；
图7是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅匹配层厚度h3与入射波长变化的等高线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，图1是本实施例公开的适用于1053nm波段的宽带、高效率、偏振无关的金属介电双层的几何结构图。TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，而TE偏振入射光则对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，入射光以利特罗角入射到光栅。
本实施例公开的一种适用于以1053nm为中心波长的宽带、高衍射效率、具有偏振无关特性的金属介电双层光栅，该金属介电双层光栅由上至下分别是：由两层高折射率介质层组成的光栅脊、光栅匹配层、金属反射镜和光栅基底，其中，金属介电双层光栅的任意层均为长方体结构。
光栅脊为上下设置的光栅第一层和光栅第二层，其中，光栅第一层选择折射率在1.8至2.3之间的介电材料，其中包括二氧化铪HfO2、硫化锌ZnS、五氧化二钽Ta2O5、二氧化钛TiO2，光栅第二层材料为Si。光栅匹配层采用SiO2材料。金属反射镜选择在1053nm波段具有高反射率的金属材料，上述金属材料包括但不限于金、银、铝中的一种或多种组合。光栅基底的基底材料包括但不限于熔融石英或硅。
由图1所示，本发明适用于1053nm波段的宽带高效率偏振无关的金属介电双层周期为700-750nm，占空比为：0.4-0.48，光栅第一层、光栅第二层、光栅匹配层的厚度分别为：204-242nm、104-140nm、240-278nm。金属反射镜的厚度大于金属的趋肤深度。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论仿真模拟光栅结构，计算衍射效率，并结合模拟退火算法对光栅结构进行优化，使其在TE和TM偏振光在利特罗角入射下1008-1092nm波段的-1级衍射效率大于98％。
图2是当金属介电双层光栅的周期Λ为727.6nm，光栅的入射角α为46.35°。光栅第一层为厚度h1＝225.7nm的ZnS(n1＝2.29)层，光栅第二层为厚度h2＝132.3nm的Si(n2＝3.56)层，SiO2(n3＝1.45)匹配层厚度h3＝264.6nm，金属反射镜选择银材料，其厚度为200nm时，本发明要求范围内(980nm-1120nm)在TE和TM偏振光在利特罗角入射时的-1级、0级衍射效率和偏振相关损耗(PDL)的示意图。
图2中偏振相关损耗由下式计算：
式中DE-1，TE和DE-1，TM分别代表TE偏振和TM偏振下-1级的衍射效率；
图2中利特罗入射角由下式计算：
式中λ为光栅的工作波长。
图3至图7中计算的金属介电双层光栅的其他参数，均与图2所计算光栅一致。
图3和图4分别是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅周期Λ和光栅占空比f与入射波长变化的等高线图。
图3中当Λ在719-749nm范围内变化时，TE和TM偏振光入射下-1级衍射效率大于96％。
图4中当f在0.4-0.46范围内变化时，TE和TM偏振光入射下-1级衍射效率大于90％。
图5和图6分别是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅第一层的厚度h1和第二层的厚度h2与入射波长变化的等高线图。
图5中，当h1在220-232nm范围内变化时，TE和TM偏振光入射下-1级衍射效率大于96％。
图6中，当h2在124-134nm范围内变化时，TE和TM偏振光入射下-1级衍射效率大于96％。
图7是本发明在1000-1100nm波段范围内TE和TM偏振光在利特罗角入射时-1级衍射效率随光栅匹配层的厚度h3与入射波长变化的等高线图。图7中，当h3在244-272nm范围内变化时，TE和TM偏振光入射下-1级衍射效率大于96％。
如图2所示，本发明在利特罗角入射下，TE偏振和TM偏振光的-1级衍射效率在1000nm-1100nm均大于97％，在1008-1092nm均大于98％，在1028-1068nm均大于99％，其平均衍射效率为98.9％，同时偏振相关损耗的平均值为0.016dB。
如图3-图7所示，当本发明的光栅周期Λ在719-749nm，占空比f在0.4-0.46，第一层的厚度h1在204-242nm，第二层的厚度h2在104-136nm，匹配层的厚度h3在240-278nm时，TE和TM偏振光的-1级衍射效率均超过90％。
实施例2
表1给出了本实施例2中一系列的参数，金属介电双层光栅入射角为利特罗角α＝46.35°。光栅第一层折射率为n1，光栅第二层为Si(n2＝3.56)层，光栅匹配层为SiO2(n3＝1.45)，金属反射镜选择银材料，其厚度为200nm。表中Λ代表光栅周期，f为光栅占空比，h1和h2分别为光栅第一层和光栅第二层的厚度，h3为光栅匹配层厚度。
为1000-1100nm波段上的平均衍射效率。
平均衍射效率
由下式计算：
式中DE-1，TE(λi)和DE-1，TM(λi)分别代表TE偏振和TM偏振下-1衍射级在λinm时的衍射效率。
在制作本发明适用于1053nm波段的宽带高效率偏振无关的金属介电双层光栅时，应当根据实际所需要达到的效果，适当选择光栅的周期，占空比，和每一层的厚度。
表1.不同参数的金属介电双层光栅的衍射效率数值表
综上所述，上述实施例中公开的适用于1053nm波段高效率、宽带、偏振无关的金属介电双层光栅由电子束直写装置与微电子深刻蚀加工而成，结构简易，制造容差大，制作方便，能够大规模制造，刻蚀后的光栅，性能稳定可靠，适用于啁啾脉冲放大技术中的脉冲压缩系统和光谱合束系统，具有重要的使用前景。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述金属介电双层光栅由上至下分别是：由两层高折射率介质层组成的光栅脊、光栅匹配层、金属反射镜和光栅基底，其中，金属介电双层光栅的任意层均为长方体结构。
2.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述光栅脊为上下设置的光栅第一层和光栅第二层，其中，光栅第一层选择折射率在1.8至2.3之间的介电材料，上述介电材料选自二氧化铪HfO2、硫化锌ZnS、五氧化二钽Ta2O5、二氧化钛TiO2中的一种或多种组合；光栅第二层的材料为Si。
3.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述光栅匹配层采用SiO2材料。
4.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述金属反射镜选择在1053nm波段内具有高反射率的金属材料，上述金属材料包括金、银、铝中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述光栅基底选择熔融石英或硅作为基底材料。
6.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述金属介电双层光栅的光栅周期为：700-750nm，占空比为：0.4-0.48。
7.根据权利要求2所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述光栅第一层、光栅第二层、光栅匹配层的厚度分别为：204-242nm、104-140nm、240-278nm。
8.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述金属反射镜的厚度大于金属的趋肤深度。
9.根据权利要求1所述的用于1053nm波段的偏振无关的高效宽带金属介电双层光栅，其特征在于，所述金属介电双层光栅具有在宽带上获得高衍射效率和偏振无关的特性，适用于啁啾脉冲放大技术中的脉冲压缩系统，还可作为光谱合束系统中的关键合束器件，是在利特罗入射角下-1级高衍射效率的反射式光栅。
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