熔石英光栅脉冲压缩器制造技术

一种用于８００纳米波段的熔石英光栅脉冲压缩器，其特点是在一块熔石英的两面对称地刻蚀光栅而构成，该光栅的周期为７２０～７８０纳米、刻蚀深度为１．８～１．９微米，光栅的占空比为０．４５～０．６５。本发明专利技术压缩器在７５０～８５０纳米波长范围内ＴＭ偏振光的－１级和＋１级透射衍射效率均高于９０％。本发明专利技术双面对称融石英光栅脉冲压缩器由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及脉冲压縮器，特别是一种800纳米波长的熔石英光栅脉冲压 縮器。
技术介绍
在飞秒激光领域，光学脉冲压縮器是一种关键的光学元件，它可以将长 光脉冲压縮成超短光脉冲。大多数应用中，人们往往需要高衍射效率、较大 的角度色散、较宽波长范围和角度带宽、体积小的脉冲压縮器。传统的光学 脉冲压縮器是由一些棱镜对、啁啾镜或者光栅对构成的。但是，利用棱镜对 构成的脉冲压縮器的体积通常很大，不利于整个激光系统的小型化；啁啾镜 和传统的反射式光栅对可以节约系统空间，但是，啁啾镜价格昂贵，而反射 式光栅对限制了通光口径。为解决这一问题，Wei Jia等人在熔石英上制作了 高衍射效率的透射式光栅，其一1级的衍射效率理论上可达98%。而且，这种 透射式光栅对光脉冲压縮器的尺寸非常小(通常只有几个毫米)从而大大的 减小了整个激光器系统的尺寸在先技术1 : W. Jia et al.，Appl.Opt.47，605 8(2008)。熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量稳定的性能、高 损伤阈值和从深紫外到远红外的宽透射谱。因此，刻蚀高密度深刻蚀熔融石 英光栅作为新型脉冲压缩器具有广泛的应用前景。矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深 槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光 栅，具有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方 程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的 算法在先技术2: M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用800纳米波长给出在同一熔融石英基片上制作透射式脉冲压縮器的设计 参数。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对常用800纳米波长的激光器提供一种800 纳米波长的熔石英光栅脉冲压縮器，该压縮光栅可以使TM偏振光在1级布 拉格入射角的情况下的-1级衍射效率均高于97%，而且该双面结构的压縮光 栅对更有利于整个激光系统的小型化。本专利技术的技术解决方案如下一种用于800纳米波段的熔石英光栅脉冲压縮器，其特点是在一块熔石 英的两面对称地刻蚀光栅而构成，该光栅的周期为720 780纳米、刻蚀深度 为1.8 1.9微米，光栅的占空比为0.45 0.65。所述的光栅的周期为750纳米，光栅的刻蚀深度为1.857微米时最佳。本专利技术的依据如下图1显示了本专利技术双面对称熔融石英光栅脉冲压縮器的几何结构。区域1、 2都是均匀的，分别为空气(折射率m-l)和熔融石英(折射率112=1.45)。 光栅矢量iT位于入射平面内。TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直 于入射面。线性偏振的光波以一定角度ei = sin"(X/(2*A* nO)入射(定义为1 级Bragg条件)，人代表入射波长，A代表光栅周期。在如图l所示的光栅结构下，本专利技术采用严格耦合波理论在先技术2计算了矩形熔融石英光栅(占空比为0.5)在800纳米波段衍射效率。由于该 光栅对脉冲压縮器的结构是对称的，利用模式理论在先技术3: J. Zheng et al., J.Opt.Soc.Am.A.25，1075(2008)可以证明光栅I和光栅II具有相同的衍射效率 分布。因此在以下的理论计算中我们只计算光栅I的衍射效率如图2所示， 依据理论计算得到高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，即当光栅的周期为 720-780纳米、刻蚀深度为1.8-1.9微米时，光栅I在-1级的衍射效率大于97%。如图3所示，光栅的周期为750纳米，深度为1.857微米，若考虑800纳 米附近TM偏振模式的入射光以对应的1级Bmgg角度入射到光栅时，该光 栅在750-850纳米波长范围内所有波长的-1级衍射效率均可以达到90%以上， 即对应于.100纳米的谱宽范围。如图4所示，TM偏振模式的入射光以32.23。角度(对应入射波长为800纳米时的1级Bragg角度)附近入射到光栅时，光栅的周期为750纳米，深 度为1.857微米，光栅占空比在0.5-0.65，入射波长在780-830范围内时-1级 的衍射效率可高于96%。 附图说明图1是本专利技术800纳米波长的双面对称熔融石英光栅脉冲压縮器的几何 结构。图中，1代表区域1 (折射率为m)， 2代表区域2 (折射率为n2)， 3 代表入射光，4代表TM模式下的-1级衍射光，5代表TM模式下的+1级衍射 光，6代表光栅的对称轴，I和II代表压縮器的两个对称光栅。图2是本专利技术脉冲压縮光栅(熔融石英的折射率取1.45332，光栅占空比 为0.5)在不同光栅周期和刻蚀深度下的衍射效率的密度曲线。图3是本专利技术脉冲压縮光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为 750纳米、光栅深度1.857微米，占空比为0.5，衍射效率随入射波长的变化 曲线。图4是本专利技术脉冲压縮光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为 750纳米、光栅深度1.857微米，不同占空比和波长下衍射效率的密度曲线。图5是全息光栅记录光路。图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表 分束镜，10、 11、 l 、 13代表反射镜，14、 15代表扩束镜，16、 17代表透镜， 18代表基片。具体实施例方式利用微光学技术制造高密度矩形偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的熔 融石英基片的两个面上分别沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正 光刻胶(Shipley, S1818, USA)。然后采用全息记录方式记录光栅(见图5)， 采用He-Cd激光器7 (波长为441纳米)作为记录光源'。记录全息光栅时， 快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。 一束通过 反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜ll 后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、 13后，以2e夹角在基片18上形成干涉场。当在熔融石英基片的一面全息记 录光栅完毕后，将基片旋转180。后在另一面利用相同的方法再次记录光栅。 光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为A-X/(2"ine)，其中人为记录光波长。记录角e越大，贝ijA越小，所以通过改变e的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述衍射效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影， 接着再甩去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的 光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的 等离子体刻蚀，把光栅转移到熔融石英基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去 除，就得到高密度深刻蚀表面浮雕结构的熔融石英光栅。表1给出了本专利技术一系列实施例，表1是1级布拉格入射时TM的-1级透射衍射效率T1，表中h为光栅深度，A为光栅周期在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得到高衍射效率的矩形熔融石英脉冲压縮器。由表1并结合图2可知，该光栅的周期 为720-780纳米、刻蚀深度为1.8-1.9微米时，脉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于８００纳米波段的熔石英光栅脉冲压缩器，其特征是在一块熔石英的两面对称地刻蚀光栅而构成，该光栅的周期为７２０～７８０纳米、刻蚀深度为１．８～１．９微米，光栅的占空比为０．４５～０．６５。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，曹红超，冯吉军，贾伟，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]