[发明专利]金属介质膜宽带脉冲压缩光栅

说明书

技术领域

本发明涉及高功率激光系统，特别是一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅。

背景技术

基于啁啾脉冲放大技术的高功率超短脉冲激光器在激光加工和研究光与物质相互作用等领域有着广泛的应用需求。用于展宽和压缩飞秒激光脉冲的反射式光栅在啁啾脉冲放大系统中起着重要的作用。脉冲压缩光栅须具有较高的衍射效率、抗激光损伤阈值和足够宽的工作带宽。最早的脉冲压缩光栅是镀金光栅，它工作带宽相对较宽，但由于具有较强的吸收特性很难获得高衍射效率和抗激光损伤阈值。多层介质膜光栅具有高衍射效率和高抗激光损伤阈值等优点，但其内部应力较大。金属介质膜光栅结合了金属的宽光谱和介质膜光栅的高衍射效率特性，是理想的宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅。这对于提高脉冲激光系统的输出功率，延长激光系统使用寿命都非常有利。随着激光脉冲宽度的不断变窄，其光谱宽度就随之拓宽，比如脉宽达到飞秒级别，对应的光谱宽度可超过100nm，那么，也就要求用于脉冲压缩和展开的光栅能在较宽的入射波长范围内提供高的衍射效率。

然而，已报道的采用高折射率材料HfO₂等作为刻蚀层的金属介质膜光栅保证了足够的衍射带宽，但是相比SiO₂材料，其激光损伤阈值较低。采用SiO₂作为刻蚀层的金属介质膜光栅保证了足够高的损伤阈值，但是衍射带宽又相对较窄。因而，发明同时具有足够高损伤阈值和足够宽衍射带宽的金属介质膜脉冲压缩光栅是有强烈的应用需求的。

金属介质膜光栅的衍射理论，不能由标量光栅衍射方程来解析，而必须采用严格耦合波理论的算法【在先技术1：M.G.Moharam etal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】精确地计算出结果。据我们所知，没有人针对1053纳米波段给出宽光谱，宽角谱的金属介质膜反射式偏振分束器光栅。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，该光栅周期为490-640纳米，在入射角度53°，700-909纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅在800纳米入射波长下，入射角度为29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅的最外层为SiO₂，保证光栅有足够高的激光损伤阈值。因此实现宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高损伤阈值的金属介质膜脉冲压缩光栅，具有重要的实用意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于800纳米中心波长的金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，特点在于其构成是在石英基底上自内向外依次的金属层、介质膜组成的匹配层和光栅刻蚀层一体构成，所述的匹配层自内向外由第一低折射率膜层和第一高折射率层构成、所述的光栅刻蚀层自内向外由第二低折射率膜层、第二高折射率层和第三低折射率膜层构成，所述的光栅刻蚀层的光栅周期为490～640纳米，占空比为0.2～0.4。

所述的金属层的材料为金、银或是铝，其厚度大于50纳米。所述的高折射率层的材料为TiO₂，HfO₂或Ta₂O₅；所述的低折射率膜层的材料为SiO₂。

所述的第一高折射率层的厚度为100～200纳米；第二高折射率层的厚度为100～250纳米；所述的第一低折射率膜层的厚度为50～200纳米；第二低折射率膜层的厚度20～200nm；第三低折射率膜层的厚度不超过170纳米。

实验分析表明，本发明金属介质膜宽带脉冲压缩光栅，在入射角度53°，700-909纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅在800纳米入射波长下，入射角度为29°-65°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于90%。光栅的最外层为SiO₂，保证光栅有足够高的激光损伤阈值。因此实现宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高损伤阈值的金属介质膜脉冲压缩光栅，具有重要的实用意义。

附图说明

图1为本发明反射式金属介质膜脉冲压缩光栅结构剖面图。

图2为反射式金属介质膜脉冲压缩光栅入射波长和衍射效率关系图。

图3为反射式金属介质膜脉冲压缩光栅入射角度和衍射效率关系图。

图4为反射式金属介质膜脉冲压缩光栅占空比和波长对衍射效率影响图。

图中：