54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅

摘要

一种适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，包括衬底以及所述衬底上的弦形光栅结构。所述弦形光栅结构的外形轮廓可由特定公式进行定义。所述的弦形光栅结构包括光敏材料光栅层和覆盖在光敏材料光栅层上的金属层。所述光栅的周期Λ为600～750纳米，占空比f1为0.4～1。所述弦形光栅层结构的槽深h为170～260纳米。所述金属层材料为金或者银(Au/Ag)，其厚度为100～220纳米。本发明的光栅中心波长为910纳米，在入射角θ为大角度54度～62度入射时，光栅的TM偏振光的‑1级衍射效率在200纳米(810～1010纳米)以上带宽范围内大于90％。本发明中的脉宽压缩光栅在拍瓦级啁啾脉冲压缩技术中具有重要的实用价值。

权利要求

1.一种适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，包括衬底(3)以及衬底上的弦形光栅结构，该弦形光栅结构包括光敏材料光栅层(2)和覆盖在光敏材料光栅层(2)上的金属层(1)；所述的光敏材料光栅层(2)的占空比f2，即栅线与栅线之间存在空隙，0

所述光栅的周期Λ为600～750纳米，占空比f1为0.4～1；所述金属层光栅槽的槽深h为

170～260纳米；所述光栅槽形的形貌σ的取值范围为0.5～8。

2.如权利要求1所述的适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，其特征在于：所述金属层的材料为金或者银(Au/Ag)，所述金属层的厚度为100～220纳米。

3.如权利要求1所述的适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，其特征在于：所述光敏材料为光刻胶，所述的光刻胶被特定波长的光曝光后，能够发生化学分解或聚合反应。

4.如权利要求1所述的适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，其特征在于：所述衬底为熔石英、碳化硅、硅或金属。

5.如权利要求1所述的适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，其特征在于：所述衬底为薄膜或基板。

说明书

54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅

技术领域

[0001] 本发明涉及反射式光栅领域，特别是一种54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅。
技术背景

[0002] 在超强超短激光领域中，脉宽压缩光栅是其关键技术手段啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)技术中的核心元件。针对CPA技术所应用的超强超短激光领域
的特点，对其核心元件脉宽压缩光栅提出了高衍射效率、宽光谱、高抗激光损伤能力和大尺
寸的要求。目前，广泛应用于CPA技术的三种常用光栅分别为全介质光栅、金属介质膜光栅
和金属膜光栅。

[0003] 全介质光栅具有较高的抗激光损伤阈值，通过对多层膜结构以及周期、占空比、槽深等参数的优化，在1053纳米能够获得较高的衍射效率，但是受限于其光谱带宽较窄，带宽
100纳米左右，目前更多应用于皮秒脉宽压缩。

[0004] 金属介质膜光栅结合了金属宽带宽和高抗激光损伤阈值的优点，但目前难以实现大尺寸的研制要求。

[0005] 金属膜光栅具有宽带宽的优点，且相较于全介质光栅和金属介质膜光栅在制备过程中有制备步骤相对较少，易重复利用的优点，因此其在大尺寸脉宽压缩光栅研制时具有
巨大优势。

[0006] 目前，领域中金属膜脉宽压缩光栅的设计主要集中在中心波长800纳米和1053纳米处，设计的使用角度集中在利特罗(Littrow)角或小于54度角。据我们所知，没有人针对
910纳米中心波长给出适用于大角度54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅的设计。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是针对中心波长910纳米波段提供一种适用于大角度54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅。该光栅可以使TM偏振模式入射光以大角度54度～
62度入射时，光栅‑1级反射衍射效率在200纳米(810～1010纳米)以上带宽范围内大于
90％。该中心波长910纳米的适用于大角度入射使用的宽光谱脉宽压缩光栅在啁啾脉冲压
缩技术中具有重要的实用价值。

[0008] 本发明的技术解决方案如下：

[0009] 一种适用于54度～62度入射使用的宽谱脉宽压缩光栅，其特点在于，包括衬底以及衬底上的弦形光栅结构，该弦形光栅结构包括光敏材料光栅层和覆盖在光敏材料光栅层
上的金属层。

[0010] 所述的光敏材料光栅层的占空比f2，即栅线与栅线之间存在空隙,0

[0011] 所述的金属层(1)均匀的覆盖在光敏材料光栅层上，并且金属与光敏材料紧密贴合。

[0012] 所述的金属层(1)均匀的覆盖在光敏材料光栅层栅线空隙间的衬底上，并且金属与衬底紧密贴合。

[0013] 所述的弦形光栅结构的外形轮廓f(x)，公式如下：

[0014]

[0015] 其中:h为金属层(1)光栅槽的槽深，Λ为光栅周期，f1为金属层(1)的光栅槽占空比，σ为光栅槽形的形貌。

[0016] 所述光栅的周期Λ为600～750纳米，占空比f1为0.4～1,f1>f2，所述金属层光栅槽的槽深h为170～260纳米。

[0017] 所述金属层的材料为金或者银(Au/Ag)，所述金属层的厚度为100～220纳米。

[0018] 所述光敏材料为光刻胶，所述的光刻胶被特定波长的光曝光后，能够发生化学分解或聚合反应。

[0019] 所述衬底为熔石英、碳化硅、硅或金属。

[0020] 所述衬底为薄膜或基板。

[0021] 所述光栅槽形的形貌σ的取值范围为0.5～8。

[0022] 本发明的技术效果如下：

[0023] 1)本发明的光栅可以使TM偏振模式入射光以大角度54度～62度入射使用时，光栅‑1级反射衍射效率在200纳米(810～1010纳米)以上带宽范围内大于90％，中心波长为
910纳米。

[0024] 2)本发明设计的金属膜光栅有效的利用了金属膜光栅的宽光谱特性，所设计的金属膜光栅‑1级反射衍射效率大于90％的带宽超过200纳米(810～1010纳米)。

[0025] 3)设计的金属膜光栅中心波长在910纳米处，扩展了金属膜光栅的使用范围，为啁啾脉冲放大系统提供更多选择。

[0026] 4)本发明设计的金属膜光栅的使用角度为大角度54度～62度，非利特罗(Littrow)角入射，可有效扩展啁啾脉冲放大系统元件的排布空间。

[0027] 5)本发明对所设计的金属膜光栅的外形轮廓进行了定义，能够更有效的指导金属膜光栅的设计和制备。

附图说明

[0028] 图1为本发明提供的宽光谱脉宽压缩光栅的结构示意图。

[0029] 图2为采用本发明中的光栅结构外形轮廓公式(Ⅰ)画出的弦形光栅结构轮廓图。外形轮廓公式中的槽深h取200纳米，周期Λ取675.7纳米，f1取0.7，σ分别取1、2.5和5三个值。

[0030] 图3为实施例中采用严格耦合波理论计算的光栅TM偏振‑1级反射衍射效率随f1和σ变化的效率分布图，效率值取810纳米至1010纳米波段范围内的最小值，入射角度θ为54
度，槽深h为180纳米。

[0031] 图4为实施例中采用严格耦合波理论计算的光栅TM偏振‑1级反射衍射效率随f1和σ变化的效率分布图，效率值取810纳米至1010纳米波段范围内的最小值，入射角度θ为54
度，槽深h为220纳米。

[0032] 图5为实施例中采用严格耦合波理论计算的光栅TM偏振‑1级反射衍射效率随f1和σ变化的效率分布图，效率值取810纳米至1010纳米波段范围内的最小值，入射角度θ为62
度，槽深h为180纳米。

[0033] 图6为实施例中采用严格耦合波理论计算的光栅TM偏振‑1级反射衍射效率随f1和σ变化的效率分布图，效率值取810纳米至1010纳米波段范围内的最小值，入射角度θ为62
度，槽深h为220纳米。

[0034] 图7为实施例中以本发明提供的光栅参数和外形轮廓定义实际制备出的镀金光栅的TM偏振‑1级衍射效率谱线，效率测试入射角度θ为54度。

[0035] 图8为实施例中以本发明提供的光栅参数和外形轮廓定义实际制备出的镀金光栅的TM偏振‑1级衍射效率谱线，效率测试入射角度θ为62度。

[0036] 图中：

[0037] 1‑金属层，2‑光敏材料光栅层，3‑衬底，Λ‑光栅周期，f1‑金属层光栅槽占空比，f2‑光敏材料光栅层占空比，h‑光栅槽深，θ‑入射角。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

[0039] 图1为本发明提供的宽光谱脉宽压缩光栅的结构示意图。其中1采用金属材料金(Au)，2采用折射率n为1.6的常用光敏材料光刻胶，3采用熔石英材料作为衬底。

[0040] 设计周期Λ为675.7纳米的光栅。将设计参数带入本发明中的光栅外形轮廓定义公式，对光栅形貌进行定义：

[0041]

[0042] 图2为光栅槽深h取200纳米，金属层光栅槽占空比f1取0.7，σ分别取1、2.5和5三个值时画出的光栅结构轮廓图。

[0043] 采用严格耦合波理论对定义好材料和结构参数的光栅进行TM偏振‑1级反射衍射效率计算。

[0044] 图3～图6为采用严格耦合波理论计算得到的所设计光栅的TM偏振‑1级反射衍射效率随f1和σ变化的效率分布图。图中的效率值取810纳米至1010纳米波段(中心波长910纳
米，带宽200纳米)范围内的最小值。图3和图4的入射角θ为54度，光栅槽深h分别为180纳米
和220纳米。图5和图6的入射角θ为62度，光栅槽深h分别为180纳米和220纳米。

[0045] 一种获得所设计形貌轮廓结构光栅的方式是采用全息干涉曝光法制备光栅。

[0046] 首先在熔石英衬底上涂覆一层光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为200纳米左右。

[0047] 采用全息干涉曝光法在光刻胶上制备出占空比f2为0.5～0.7的光刻胶光栅层。

[0048] 接着在光刻胶光栅层上镀制一层厚度为100～220纳米的金薄膜材料。金薄膜和光刻胶光栅层紧密贴合。

[0049] 图7为实际制备出的宽谱脉宽压缩光栅的TM偏振‑1级反射衍射效率谱线。衍射效率大于90％的波段为764～1100纳米。衍射效率测试入射角为54度。

[0050] 图8为实际制备出的宽谱脉宽压缩光栅的TM偏振‑1级反射衍射效率谱线。衍射效率大于90％的波段为775～1100纳米。衍射效率测试入射角为62度。

[0051] 以上实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。本领域的普通技术人员可以在不脱离本发明构思的前提下，对本发明的技术方案
进行修改或者等同替换，这些都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围应以权利要求
所述为准。