一种宽光谱金属介质膜光栅及其优化方法技术

一种宽光谱金属介质膜光栅及其优化方法，该光栅包括基底、金属Ag膜、多层介质膜、剩余膜层以及表面光栅结构，每层介质反射膜由SiO2、HfO2和TiO2介质膜组成。该方法首先定义光栅衍射效率光谱特性数值评价函数，选定金属介质和多层介质膜材料的折射率以及参与优化的光栅参数，按照严格耦合波理论建立宽光谱金属介质膜光栅TE波衍射效率数值分析模型。通过多参数优化，得到光栅的周期为1480线/mm，槽深为290纳米，剩余膜层的厚度为10nm，占空比为0.28，入射角度为60°。本发明专利技术宽带金属介质膜光栅在波长为1053纳米的TE偏振光入射时，在反射衍射-1级方向超过190nm宽光谱带宽内衍射效率高于97％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于飞秒啁啾脉冲放大系统的宽光谱介质膜光栅，尤其涉及一种用于中心波长为1053纳米的飞秒激光脉冲放大系统的宽光栅高衍射效率金属介质膜光栅及其优化方法，属于衍射光栅

技术介绍
获得超短超强激光脉冲的啁啾脉冲放大技术的性能(Chirped-pulse amplification,CPA)主要取决于脉宽压缩光栅，作为CPA系统中核心元件的衍射光栅必须具有尽可能高的衍射效率和高的抗激光损伤阈值，其使用波长为1053纳米和TE模式。设计和制备高衍射效率、高损伤阈值和宽光谱的脉宽压缩光栅一直是CPA技术的重要研究方向。镀金光栅(Metal grating)虽然工作带宽相对较宽，但具有较强的吸收特性，很难获得高的衍射效率和抗激光损伤阈值。多层介质膜光栅(Multi-layer dielectric grating, MDG)具有高的衍射效率和高的抗激光损伤阈值等优点，但是由于多层介质膜的干涉作用，其工作带宽仅仅局限于几十个纳米范围，其带宽远远不能满足飞秒激光对脉宽压缩光栅宽光谱的要求。目前，现有技术中有的采用全介质多层膜的办法，通过对多层介质反射膜膜层结构以及光栅层的周期、占空比、槽深等参数进行优化，在1053纳米波长处可以获得衍射效率97%以上的带宽为lOOnm，这远不能满足飞秒激光对宽光谱高衍射效率的要求。为了扩展光栅的工作带宽和衍射效率，金属介质膜光栅成为主要的研究方向。金属介质膜光栅(Metal Multi-layer dielectric grating，MMDG)充分结合了金属的宽光谱和介质膜光栅的高衍射效率特性，通过对金属介质膜反射镜结构以及表面光栅结构进行优化设计是获得宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅有效方式。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，更具体的说，是提供一种中心波长为1053纳米的TE模式使用条件下的宽光谱高衍射效率的金属介质膜光栅及其优化方法，以满足飞秒激光对宽光谱高衍射效率的要求。本专利技术的技术方案如下一种宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于该光栅从下至上依次由基底、金属Ag 膜、SW2介质膜、HfO2介质膜、TiA介质膜、剩余膜层以及表面光栅结构；SiA介质膜、HfO2 介质膜和TiO2介质膜依次组成多层介质膜；金属^Vg膜和多层介质膜组成高反射膜；光栅的周期为1480线/mm，光栅槽深为290纳米，剩余膜层的厚度为lOnm，占空比为0.观，入射角度为60°。本专利技术所述的多层介质膜结构为(LHT)2，其中L表示SiO2介质膜，H表示!1 )2介质膜，T表示TW2介质膜，所述三种介质膜的光学厚度均为参考波长720nm的四分之一。所述的表面光栅结构和剩余膜层的材料均为Hf02。本专利技术还提供了一种宽光谱金属介质膜光栅的优化方法，其特征在于该方法包括下列步骤 1)定义宽光谱金属介质膜光栅衍射效率光谱特性数值评价函数其中λ i代表在一个连续变化的波长区间内，衍射效率大于97%的第i个波长， N为XiW个数，λ。为中心波长1053纳米，口 λ为波长间隔；MFb用以表示衍射效率达到 97%以上的可用光谱宽度，λ i的均方根MFws用以表示衍射光谱对中心波长的偏离程度；2)选定光栅的金属介质膜材料、多层介质膜材料和基底折射率；所述的多层介质膜由SiO2介质膜、HfO2介质膜和T^2介质膜交替组成；根据啁啾脉冲放大系统和制备工艺设定金属介质膜光栅固定参数周期、入射波长和入射光的偏振态；3)选择参与优化的光栅参数包括光栅的占空比、光栅槽深、剩余膜层的厚度和光栅入射角，并设定每个参数的取值范围和间隔；4)按照严格耦合波理论建立宽光谱金属介质膜光栅TE波衍射效率数值分析模型DEri = RiRiiRe Qi1, ^/1 cos θ )(II)其中=Ri表示第i级衍射光的振幅反射系数，zi表示入射介质中Z方向第i级入射波的波矢量，k0是真空中的波矢量，H1是入射介质的折射率，<9是入射角；腿 为衍射效率，Re表示取函数的实部；5)根据公式(II)计算每组光栅参数对应的各衍射级次归一化的衍射效率；6)根据评价函数公式(I)判断光栅的结构参数是否满足衍射效率优于97%，工作带宽是否优于190nm ；7)如果满足则停止优化，如果不满足则继续执行步骤5)和步骤6)，直到找出满足中心波长为1053纳米的TE波，在反射-1级方向超过190nm宽光谱带宽内衍射效率优于 97%为止。本专利技术具有以下优点及突出性效果①本专利技术采用金属膜和介质膜相结合的形式，且介质膜采用三种不同折射率的介质材料组成，在有限的膜层结构内进一步提高膜层的反射率，充分利用了金属Ag膜的宽光谱性能和介质膜的高反射特性，从而实现了光栅的宽光谱和高衍射效率。②在表面光栅结构和介质膜之间引入剩余膜层，可以有效调节光栅的结构参数，平衡周期、占空比以及膜层结构的综合特性，同时也确保了光栅-1级高衍射效率条件的满足。③表面光栅结构采用HfO2材料，HfO2材料的禁带宽度相对较宽，具有较高的高抗激光损伤阈值特性。HfO2材料与SiO2M料相比，为获得相同的衍射效率，其需要刻蚀的槽深要浅的多，从而降低了制备工艺的难度。④本专利技术对表面光栅结构参数和反射膜结构参数进行优化设计。重点优化占空比、剩余膜层的厚度、槽深和入射角等参数，利用评价函数判断满足宽光谱性能的光栅结构参数，可以得到宽光谱高衍射效率的光栅，其工作带宽优于全介质膜光栅，达到了飞秒激光对宽光谱应用的要求，在啁啾脉冲放大系统中具有重要的应用。附图说明图1为本专利技术提供的宽光谱金属介质膜光栅结构原理示意图。图2为本专利技术宽光谱金属介质膜光栅反射衍射图。图3为本专利技术宽光谱脉宽压缩光栅用金属反射膜光谱特性曲线。图4为本专利技术宽光谱金属介质光栅光谱特性。图5为本专利技术宽光谱金属介质膜光栅设计分析流程图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的具体实施做进一步的说明。图1为本专利技术提供的宽光谱金属介质膜光栅结构原理示意图，该光栅从下至上依次由基底7、金属Ag膜6、SiO2介质膜5、HfO2介质膜4、TiO2介质膜3、剩余膜层2以及表面光栅结构1 ；SiO2介质膜、HfO2介质膜和TiO2介质膜依次组成多层介质膜，所述的金属Ag 膜和多层介质膜组成高反射膜8 ；金属Ag膜和多层介质膜组成的高反射膜8可以在足够宽的光谱范围内提供高的反射率，以保证入射光可以被全部反射衍射。高反射膜8上面是表面光栅结构刻蚀后的剩余膜层2，其中表面光栅结构1与剩余膜层2的材料均为Hf02。金属介质膜光栅的周期为1480线/mm，槽深为四0纳米，剩余膜层的厚度为10nm， 占空比为0.28，入射角度为60°。所述的占空比、槽深、剩余膜层的厚度、入射角的取值是相互关联并通过优化程序来确定的。图2为本专利技术宽光谱金属介质膜光栅反射衍射图，光栅采用亚波长(光栅的周期小于入射波长)结构，以保证光栅反射衍射后只有O级和-1级，进而实现高衍射效率。为了保证衍射后的光不与入射光重合，易选用大角度入射形式。下面以中心波长为1053纳米的宽光谱金属介质膜光栅为例说明本专利技术的主要内容。考虑到光栅的制备工艺和使用条件，选取光栅的周期为1480线/mm，光栅入射偏振态为TE模式。对于金属Ag膜和多层介质膜组成的高反射膜，充分利用了金属的宽光谱和介质膜的高反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种宽光谱金属介质膜光栅，其特征在于：该光栅从下至上依次由基底（７）、金属Ａｇ膜（６）、ＳｉＯ２介质膜（５）、ＨｆＯ２介质膜（４）、ＴｉＯ２介质膜（３）、剩余膜层（２）以及表面光栅结构（１）；ＳｉＯ２介质膜、ＨｆＯ２介质膜和ＴｉＯ２介质膜依次组成多层介质膜；金属Ａｇ膜和多层介质膜组成高反射膜（８）；光栅的周期为１４８０线／ｍｍ，光栅槽深为２９０纳米，剩余膜层的厚度为１０ｎｍ，占空比为０．２８，入射角度为６０°。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孔伟金，王淑华，云茂金，王书浩，卢朝靖，陈沙鸥，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：95