大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅及其制备方法与应用

摘要

兼容大方位角、超400nm带宽大底宽小尖角金属脉冲压缩光栅，包括光栅参数优化设计和制备工艺。所述的光栅其底宽占比需大于0.6，形状因子为0.5～2.5，槽深为160～250nm，线密度为1300～1650g/mm。所述的制备工艺包括基底清洗、涂胶、烘烤、曝光、显影和金属膜镀制。本发明的宽带高效率光栅具有大底宽小尖角结构，在正负15或20°的大方位角内，TM偏振光以‑1级Littrow角入射时，光栅在超400nm带宽内效率超过90％。本发明的光栅及相关工艺参数可支撑数百拍瓦单周期脉冲压缩光栅储备。

权利要求

1.一种大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅，其特征在于，该金属光栅的底宽占比大于

0.6，形状因子为0.5 2.5，槽深为160 250nm，线密度为1300 1650g/mm；

~ ~ ~

正负15 20°以内的大方位角条件下，以及同时在TM偏振光以‑1级Littrow角入射的条~件下，衍射效率在超过400nm光谱带宽内高于90%，且具有高于90%的‑1级衍射效率。

2.一种权利要求1所述的大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：步骤1）光栅参数优化设计：根据需求，确定优化的单层光栅结构或两层光栅结构，起始波长设定在700nm 1150nm的范围，光栅结构的分层数为大于1，评价函数的波长取样点数大~于1；

设计金属光栅的底宽占比大于0.6，形状因子0.5 2.5，槽深160 250nm，线密度为1300~ ~ ~

1650g/mm；

步骤2）基底清洗与涂胶：以1800 3800r/min的涂胶速率在清洗后的基底上进行光刻胶~涂覆，涂覆时间为10 30s，厚度为150 300 nm；

~ ~

步骤4）烘烤：将涂布光刻胶的基底在100℃下烘烤2 4 min：~

步骤5）曝光：用325nm双光束以50‑60μW的曝光功率干涉曝光200秒或用413nm双光束以

13‑16μW的曝光功率干涉曝光300秒，获得曝光后的样品；

步骤6）显影：用质量分数4‰的氢氧化钠溶液对曝光后的样品浸泡50 90s或质量分数~

6‰的氢氧化钠溶液浸泡5 14s，获得潜像光栅；

~

步骤7）金属膜镀制：在所述的潜像光栅上通过磁控溅射或电子束蒸发技术镀制100~

300 nm厚的金属膜。

3.根据权利要求2所述的大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅的制备方法，其特征在于，所述的金属膜的材料是金、银或金银合金。

4.根据权利要求2所述的大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅的制备方法，其特征在于，所述的基底清洗是指用酒精或丙酮擦拭基底，去除基底表面的杂质和污染，获得清洁干净的基底。

5.一种脉冲压缩器，其特征在于，包括至少两个平行放置的权利要求1‑3任一所述的大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅。

说明书

大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于反射式光栅，特别是一种兼容大方位角、超400nm带宽大底宽小尖角金属脉冲压缩光栅及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 超强超短激光领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段，国际上正在大力发展超强超短激光光源以及依托其的前沿科技创新平台。全世界各研究院所和科研机构有效利用啁啾脉冲放大技术(Chirped pulse amplification，CPA)和光学参量啁啾脉冲放大技术(Optical parameter chirped pulse amplification，OPCPA)，将激光器的峰值功率推向数十拍瓦(PW)量级。未来十年内，全球范围内100PW超强超短激光装置将陆续交付使用。冲击更高峰值功率已经成为各大国的竞赛场。

[0003] 在CPA和OPCPA两种激光放大技术中，光栅压缩器是核心模块。光栅压缩器的关键元件是光栅。广泛应用于高峰值功率激光系统中的光栅有金属光栅、全介质光栅和金属介质混合光栅。其中，全介质光栅和金属介质混合光栅受限于光谱带宽和尺寸，目前还没有广泛应用于飞秒量级的脉冲压缩系统。金属光栅由于具有带宽大、效率高、面形优、角谱宽等优势，在小型到大型激光装置中备受青睐。

[0004] 目前，在百焦耳乃至千焦耳脉冲能量的量级下，脉冲宽度已经可以压缩到百飞秒(fs)量级乃至18.6fs，支持输出脉冲峰值功率可以达到PW乃至10PW的量级。在更高脉冲峰值功率的超强超短激光系统的规划中，如100PW乃至EW量级下，压缩脉冲宽度进一步要求达到10fs、少周期乃至单周期。此时，脉冲的光谱带宽要求达到400纳米(nm)。

[0005] 目前，商用可选的标准金光栅线密度(g/mm)主要有1400g/mm、1480g/mm和1740g/mm，中心波长在800nm或者910nm，提供带宽一般为100nm和200nm【J.A.Britten et al.，Optics Letters 21，540(1996)；US20200142107A1；CN111580205A；D.A.Alessi et al.，Optics&Laser Technology 117，239(2019)】。而且，不论是对于光栅制造商还是激光器建设人员，金光栅的设计和应用局限于无方位角情况。另外，金光栅工艺虽然成熟，但是未见有详细的制备工艺参数披露。据我们所知，还没有人针对大方位角(大于正负15°)方位角超400nm带宽的金属光栅进行设计，制备和测试。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是实现兼容大方位角，光谱宽度覆盖400nm的金属光栅。该光栅在TM偏振光以±15～20°大方位角，‑1级Littrow角入射条件下，其衍射效率从750nm到大于1150nm的波长范围内大于90％。该光栅的详细工艺参数适用于大范围线密度的金属光栅(1300～1600g/mm)，具有实用价值。该光栅能够用于单周期(3fs)同时兼容更大脉宽的脉冲光谱展宽和压缩，具有重要的经济和应用价值。

[0007] 本发明的技术解决方案如下：

[0008] 一方面，本发明提供一种大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅，其特点在于，该金属光栅的底宽占比大于0.6，形状因子为0.5～2.5，槽深为160～250nm，线密度为1300～1650g/mm。

[0009] 另一方面，本发明还提供上述金属光栅的制备方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

[0010] 1)所述的光栅参数优化设计：根据需求，利用严格耦合波计算程序以确定特定光谱带宽内实现高衍射效率的最佳光栅参数，选定优化的单层光栅结构或两层光栅结构，优化的起始波长设定在700nm～大于1150nm的范围内。根据运算量和实际优化效率曲线效果，选定光栅结构的分层数为大于1，选定评价函数的波长取样点数大于1。金属光栅掩模结构在底宽占比大于0.6，形状因子0.5～2.5，槽深160～250nm，线密度1300～1650g/mm的范围内容易出现超400nm带宽的高衍射效率；

[0011] 2)基底清洗；即用酒精或丙酮擦拭基底，去除基底表面的杂质和污染获得清洁基底；

[0012] 3)涂胶：将光刻胶涂在所述的清洁基底上，涂胶速率为1800～3800r/r/min，持续时间10～30s，涂胶的厚度为150～300nm，获得涂布好光刻胶的基底；

[0013] 4)烘烤：将所述的涂布好光刻胶的基底在100℃下烘烤2～4min：

[0014] 5)曝光：所述的曝光是将涂布好光刻胶层的基底用325nm双光束以50‑60μW的曝光功率干涉曝光200秒或用413nm双光束以13‑16gW的曝光功率干涉曝光300秒获得曝光后样品；

[0015] 6)显影：使用质量分数4‰的氢氧化钠溶液对曝光后的样品浸泡50～90s或质量分数6‰的氢氧化钠溶液浸泡5～14s来制备潜像光栅；

[0016] 7)金属膜镀制：在所述的潜像光栅上通过磁控溅射或电子束蒸发技术镀制100～300nm厚的金属膜，所述的金属膜的材料是金、银或金银合金。

[0017] 本发明还提供一种上述平行放置的大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅对，在激光器中的应用。

[0018] 本发明的技术效果如下：

[0019] 1)本发明的光栅可以在TM偏振光以‑1级Littrow角入射的条件下，衍射效率在超过400nm光谱带宽内高于90％。

[0020] 2)本发明的光栅在10°左右的宽角谱内具有高于90％的‑1级衍射效率。

[0021] 3)本发明的光栅在正负15～20°大方位角以内的条件下具有高于90％的‑1级衍射效率。

[0022] 4)本发明的光栅工艺参数兼容宽范围的光栅线密度。

[0023] 5)本发明的光栅结构明确，工艺参数稳定，本发明的光栅及相关工艺参数可支撑数百拍瓦单周期脉冲压缩光栅储备。在光谱仪，高功率激光等领域均具有重要的经济和实用价值。

附图说明

[0024] 图1是实施例1的光栅优化结构示意图。

[0025] 图2是实施例1的光栅方位角和‑1级衍射效率图。入射角为50.3°，光栅线密度1443g/mm，占空比0.634，槽深225nm，形状因子1.91。方位角取±20°。

[0026] 图3是实施例1的光栅入射角和‑1级衍射效率图。无方位角，光栅线密度1443g/mm，占空比0.634，槽深225nm，形状因子1.91。入射角取0～90°。

[0027] 图4是实施例1的光栅槽深和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为50.3°，光栅线密度1443g/mm，占空比0.634，形状因子1.91。槽深取150～300nm。

[0028] 图5是实施例1的光栅占空比和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为50.3°，光栅线密度1443g/mm，槽深225nm，形状因子1.91。占空比取0.5～1。

[0029] 图6是实施例1的光栅线密度和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为50.3°，光栅占空比0.634，槽深225nm，形状因子1.91。线密度1300～1800g/mm。

[0030] 图7是实施例1的光栅形状因子和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为50.3°，光栅线密度1443g/mm，占空比0.634，槽深225nm。方位角形状因子1～3。

[0031] 图8是实施例1的光栅的实测‑1级衍射效率图。

[0032] 图9是实施例2的光栅的实测‑1级衍射效率图。

[0033] 图10是实施例3的光栅优化结构示意图。

[0034] 图11是实施例3的光栅方位角和‑1级衍射效率图。入射角为63.4°，光栅线密度1527g/mm，占空比0.765，槽深216nm，形状因子1.36，金膜厚度236nm。方位角取±20°。

[0035] 图12是实施例3的光栅入射角和‑1级衍射效率图。无方位角，光栅线密度1527g/mm，占空比0.765，槽深216nm，形状因子1.36，金膜厚度236nm。入射角取0～90°。

[0036] 图13是实施例3的光栅槽深和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为63.4°，光栅线密度1527g/mm，占空比0.765，形状因子1.36，金膜厚度236nm。槽深取150～300nm。

[0037] 图14是实施例3的光栅占空比和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为63.4°，光栅线密度1527g/mm，槽深216nm，形状因子1.36，金膜厚度236nm。占空比取0.5～1。

[0038] 图15是实施例3的光栅线密度和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为63.4°，占空比0.765，槽深216nm，形状因子1.36，金膜厚度236nm。线密度1300～1800g/mm。

[0039] 图16是实施例3的光栅形状因子和‑1级衍射效率图。无方位角，入射角为63.4°，光栅线密度1527g/mm，占空比0.765，槽深216nm，金膜厚度236nm。形状因子0.5～3。

[0040] 图17是实施例3的光栅的实测的‑1级衍射效率图。

[0041] 图18是一种由大底宽小尖角金属光栅组成的脉冲压缩器示意图。

[0042] 图中：1‑金属层，2‑掩模层，3‑大底宽小尖角金属光栅，4‑输入脉冲，5‑输出脉冲。

具体实施方式

[0043] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0044] 实施例1：

[0045] 选定单层光栅结构，设定光栅结构的分层数为15、优化的起始波长为750nm和1150nm，评价函数的波长取样点数为50。如图1所示，通过优化，得到的光栅参数分别为线密度1443g/mm，占空比0.634，槽深225nm，形状因子1.91。如图2所示，存在‑15°～15度方位角的情况下，光栅的‑1级衍射效率带宽依然可以达到400nm。如图3所示，TM偏振光在45～61°范围内入射时，光栅在无方位角的情况下，其‑1级衍射效率带宽依然可以达到400nm。如图4所示，槽深的容差范围在183～235nm。如图5所示，大底宽(占空比大于0.6)有助于‑1级衍射效率带宽达到400nm。如图6所示，线密度容差在1400～1500g/mm。如图7所示，小尖角(形状因子在1.3～2)有助于‑1级衍射效率带宽达到400nm。制备上述规格的光栅。用酒精或丙酮擦拭基底。用旋涂机以2500r/min的速率旋涂基底30s，将约230nm厚的光刻胶层涂覆到基底上，然后在100℃下烘烤基底2min。接着，使用双光束干涉曝光的方法对涂布好光刻胶层的基底50μW的曝光功率在325nm光下曝光200s。使用质量分数4‰浓度的氢氧化钠溶液对曝光后的样品浸泡50s。最后，通过磁控溅射技术镀制约150nm厚的金膜。如图8所示，制备好的光栅的‑1级衍射效率在750～大于1150nm范围内高于90％。

[0046] 实施例2：

[0047] 选定单层光栅结构，设定光栅结构的分层数为15、优化的起始波长为750m和1150m，评价函数的波长取样点数为100。如图1所示，通过优化，得到的光栅参数分别为线密度1443g/mm，占空比0.634，槽深225nm，形状因子1.91。如图2所示，存在‑15°～15度方位角的情况下，光栅的‑1级衍射效率带宽依然可以达到400nm。如图3所示，TM偏振光在45～61°范围内入射时，光栅在无方位角的情况下，其‑1级衍射效率带宽依然可以达到400nm。如图4所示，槽深的容差范围在183～235nm。如图5所示，大底宽(占空比大于0.6)有助于‑1级衍射效率带宽达到400nm。如图6所示，线密度容差在1400～1500g/mm。如图7所示，小尖角(形状因子在1.3～2)有助于‑1级衍射效率带宽达到400nm。制备上述规格的光栅。用酒精或丙酮擦拭基底。用旋涂机以3200r/min的速率旋涂基底30s，将约200nm厚的光刻胶层涂覆到基底上，然后在100℃下烘烤基底2min。接着，使用双光束干涉曝光的方法对涂布好光刻胶层的基底35μW的曝光功率在325nm光下曝光300s。使用质量分数6‰浓度的氢氧化钠溶液对曝光后的样品浸泡12s。最后，通过磁控溅射技术镀制约210nm厚的金膜。如图9所示，制备好的光栅的‑1级衍射效率在750～大于1150nm范围内高于90％。

[0048] 实施例3：

[0049] 选定双层光栅结构，设定光栅结构的分层数为50、优化的起始波长为750nm和1150nm，评价函数的波长取样点数为50。如图10所示，通过优化，得到的光栅参数分别为线密度1527g/mm，占空比0.765，槽深216nm，形状因子1.36，金膜厚度236nm。如图11所示，存在‑20～20°方位角的情况下，光栅的‑1级衍射效率带宽依然可以达到400nm。如图12所示，TM偏振光在61.4～71°范围内入射时，光栅在无方位角的情况下，其‑1级衍射效率带宽依然可以达到400nm。如图13所示，槽深的容差范围在166～238nm。如图14所示，大底宽(占空比大于0.5)有助于‑1级衍射效率带宽达到400nm。如图15所示，线密度容差在1384～1611g/mm。如图16所示，小尖角(形状因子在0.83～2.21)有助于‑1级衍射效率带宽达到400nm。制备上述规格的光栅。用酒精或丙酮擦拭基底。用旋涂机以2100r/min的速率旋涂基底30s，将约250nm厚的光刻胶层涂覆到基底上，然后在100℃下烘烤基底2min。接着，使用双光束干涉曝光的方法对涂布好光刻胶层的基底55μW的曝光功率在325nm光下曝光200s。使用质量分数6‰的氢氧化钠溶液对曝光后的样品浸泡12s。最后，通过磁控溅射技术镀制约236nm厚的金膜。如图17所示，制备好的光栅的‑1级衍射效率在742～大于1150nm范围内高于90％。

[0050] 如图18所示，本发明实施例还提供了一种脉冲压缩器，包括至少两个平行放置的上述金属光栅，前端输入的宽光谱短脉冲经过两个超宽带金属光栅对之后被压缩成单周期或近单周期的激光脉冲。在本发明实施例提供的压缩器中，将大底宽小尖角金属脉冲压缩光栅作为脉冲压缩元件，具有很高的‑1级衍射效率，使用灵活、带宽较宽等优点，是理想的衍射光学器件，在高功率激光领域具有良好实用前景。

[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。