[发明专利]宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及光栅，特别是一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法。

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。全介质多层膜光栅作为啁啾脉冲放大技术的核心元件，具有高衍射效率、高抗激光破坏能力的优点，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，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这么宽的入射波长范围内提供高的衍射效率。

然而，已报道的关于全介质多层膜光栅设计与制备的研究基本上是针对应用于纳秒级脉冲激光器，通常只关注该类光栅对中心波长的衍射效率。这些全介质多层膜光栅衍射光谱带宽都不是很宽，一般不超过40nm，那么，发明宽带全介质多层膜光栅是有强烈的应用需求的。

多层介质膜光栅的基本结构是在介质基底上镀制由高低折射率材料交替组成的多层介质膜堆，在膜堆的最顶层膜层上刻蚀了周期性的光栅结构。根据多层介质膜光栅的工作原理，其结构可以看成如下两个部分：基底之上的多层介质高反膜(不包括最顶层)和顶层周期性光栅结构。顶层膜在被刻蚀成光栅结构时一般有一定的剩余厚度。

通常设计用于脉冲宽度在纳秒级的全介质膜光栅，因为对其衍射带宽没有要求，所以可以采用局域优化设计方法设计中心波长的反射衍射-1级具有接近100％衍射效率的结果。其具体设计方法是选择两个光栅参数，如光栅占空比和顶层刻蚀深度，计算他们的变化对中心波长的反射衍射-1级效率的影响，然后通过比较几对光栅参数对衍射效率的影响，便可以获得中心波长在反射衍射-1级具有最高衍射效率的光栅参数了。但是，局域优化设计方法并不能给出光栅衍射谱的信息，而且得到的参数往往不能获得光栅的宽衍射光谱特性。

另外，有研究单位采用金属膜结合介质膜实现在宽光谱范围内具有较高衍射效率的脉冲压缩光栅。但由于金属材料的引入，金属材料固有的吸收特性将一定程度限制了该类光栅的抗激光破坏能力。而且，长期使用后会因为金属材料吸收光能发生热形变，从而可能破坏光束的波前。

通过以上分析，一种在宽光谱范围内具有高衍射效率的全介质多层膜光栅具有实际需求，并且，提供一种新的设计方法来设计该光栅也是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法，该宽带全介质多层膜光栅具有超过100nm光谱带宽内TE偏振光入射时在反射衍射-1级方向上具有衍射效率超过97.5％的全介质多层膜光栅，其工作中心波长为800nm。

为了实现这一目的，本发明的技术将解决方案如下：

一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅，包括基底，由高折射率材料和低折射率材料周期交替的高反膜层和光栅层，其特点是：在所述的基底之上依次是由高折射率材料和低折射率材料周期性交替的高反膜层和光栅层之间还有匹配层和剩余膜层，所述的匹配层的材料折射率与所述的高反膜层中的低折率材料相同，所述的光栅层和刻蚀剩余膜层的材料折射率低于所述的高折射率材料的折射率，所述的光栅层的周期、占空比、刻蚀深度、剩余膜层的厚度、匹配层的厚度和用于高反膜层制备的控制波长的取值是关联的并通过多参数优化设计来确定。

所述的高反膜层的高折射率膜层材料为TiO₂或Ta₂O₅，低折射率膜层材料为SiO₂，每一膜层的光学厚度为四分之一参考波长，所述的匹配层的材料为SiO₂。

所述的光栅层和刻蚀剩余膜层的材料为HfO₂。

所述的高反膜层中高折射率膜层和低折射率膜层的交替重复次数不小于9次。

一种宽光谱全介质多层膜光栅的设计方法，其特征在于包括下列步骤：

①选定高反膜中高折射率膜层、低折射率膜层和匹配层的折射率，光栅层以及剩余膜层的材料折射率，设定光栅的使用角度，并设定优化的波长范围和波长间隔；

②选择参与优化的光栅参数包括光栅的周期、占空比、光栅层厚度、顶层剩余厚度、匹配层厚度和用于控制高反膜中膜层厚度的参考波长，并设定每个参与优化的光栅参数的初始值，最小取值和最大取值；

③采用傅立叶模式理论中光栅衍射效率，确定评价函数为所需设计波长带宽内选出的每个波长的反射衍射的-1级衍射效率与目标衍射效率的均方差值，评价函数为：