[发明专利]用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅

说明书

一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，由上而下依次是三明治结构光栅层、位相匹配层和高反射层构成。本发明具有易于制备、偏振无关、宽带、高衍射效率的特点，可以使无偏激光在80纳米(1030纳米‑1100纳米)波长带宽内的‑1级衍射效率高于97.5％；在40纳米(1042纳米‑1082纳米)波长带宽内的‑1级衍射效率高于99％。本发明在高功率、高能激光光谱合束以及激光脉冲压缩等领域具有重要的实用前景。

技术领域

本发明涉及高能激光合束，特别是一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅。

背景技术

高功率激光系统在前沿基础科学研究、智能制造与国防安全等领域具有巨大的应用价值。然而，由于激光材料的非线性损耗、热效应以及光损伤等问题使得单个激光模块的输出功率已很难满足高效激光加工、高能激光武器等领域对高功率的实际需求。因此，为了提高激光器的输出功率，目前国内外主要采用空间合束、偏振合束和波长合束等方法将多个激光器耦合成一束激光直接输出或由光纤耦合输出。其中，基于衍射光栅的光谱合束技术(spectral beam-combining,SBC)，可以在大幅度增加激光输出功率的同时，使整体的光束质量保持不变，从而实现激光系统的高功率、高光束质量输出。

为了实现高品质的光谱合束，合束光栅(Beam Combining Grating,BCG)必须满足宽光谱、高衍射效率、低偏振相关损耗和高损伤阈值的苛刻要求。此种情况下，普通的商业用衍射光栅，比如金属光栅，由于存在较大的金属吸收，其衍射效率和损伤阈值已无法满足高功率SBC的要求。相比之下，多层介质膜光栅(Multilayer Dielectric Grating,MDG)由于采用了低吸收的介质材料，因此，其衍射效率和损伤阈值得到了显著的提升，并在目前的基于啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification,CPA)的高功率脉冲压缩系统中得到了广泛的应用，是高功率SBC技术中的理想合束器件。最近，Linxin Li等人设计制作了一种双层梯形槽型结构的反射式合束光栅，实验测得在1000nm-1085nm下的衍射效率超过94％【参见在先技术1：L.Li,et.al.,Optics Communications 385,97-103(2017】，但光栅的衍射效率和光谱带宽等性能无法满足高品质光谱合束；Junming Chen等人进一步研究了双层梯形槽型偏振无关反射式合束【参见在先技术2：J.Chen,et.al.,Optics Letters 42,4016-4019(2017】，实验制作的光栅的衍射效率在利特罗条件下，在1023nm-1080nm下的衍射效率超过了98％，但是该类型光栅的占宽比要求达到0.58，这对实际制造来说是较大挑战。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅。该合束光栅具有易于制备、偏振无关、宽带、高衍射效率的特点，可以使无偏激光在80纳米(1030纳米-1100纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于97.5％；在40纳米(1042纳米-1082纳米)波长带宽内的-1级衍射效率高于99％。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。此外，该类型合束光栅也可应用于啁啾脉冲压缩技术中。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于1064纳米波段的全介质反射式光谱合束光栅，其特点在于该光栅由上而下依次是三明治结构光栅层、位相匹配层和高反射层，所述的三明治结构光栅层由第一低折射率光栅层、高折射率光栅层和第二低折射率光栅层构成，所述的第一低折射率光栅层、高折射率光栅层的光栅沟槽具有梯形槽型结构，所述的第二低折射率光栅层的光栅沟槽具有矩形结构，所述的位相匹配层由高折射率材料层和低折射率材料层组成，所述的高反射层由多层介质反射膜和光栅基板组成；该光栅的周期Λ为850～900纳米、刻蚀深度(h₁+h₂+h₃)为800纳米～1220纳米，w为光栅顶部的宽度，光栅顶部的占宽比w/Λ为0.24～0.35。