[发明专利]基于折射率调控薄膜的偏振无关反射式介质光栅

说明书

本发明涉及一种基于折射率调控薄膜的偏振无关反射介质光栅，属于光学领域，所述光栅包括衬底1和光栅层4，并且衬底1上依次镀制有反射膜2、氧化物介质膜连接层3，并在光栅层刻蚀光栅槽结构；所述反射膜2为折射率调控多层介质薄膜，该折射率调控多层介质薄膜2包括高折射率材料薄膜2‑1和低折射率材料薄膜2‑2。本发明提供的基于折射率调控薄膜的偏振无关反射介质光栅的中心波长为1064纳米，在入射角度为‑1级利特罗角，在1050~1080纳米范围可以同时使TE、TM偏振方向上的‑1级衍射效率高于99%，波段内最高衍射效率高于99.5%，可以实现偏振无关入射光的高效率衍射。

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其是一种基于折射率调控薄膜、中心波长在近红外波段的高刻线密度偏振无关反射式介质光栅。

背景技术

目前高功率激光系统中，单路激光的输出功率会受到非线性效应、热损伤等因素的限制，很难实现高功率激光输出。利用光谱合成组束技术能够有效提升单位面积内的功率密度，是提升激光系统输出功率的有效技术途径之一。其中实现高效率光谱合成的常用技术路径是利用反射式介质光栅的色散特性实现对一定入射条件下不同波长子光束的共孔径合成。但是对于该类方法，待合束的单路激光器所发出的光为非偏振光，既包含TE偏振成分又包含TM偏振成分，因此要实现高效率的光谱合成，反射式介质光栅需要对这两种偏振成分都实现较高的衍射效率。另外，在啁啾脉冲放大技术中，同样需要具有宽光谱高衍射效率的反射光栅，光栅针对TE偏振成分和TM偏振成分也都需要实现高的衍射效率。

对于应用于光谱合成和啁啾脉冲放大的反射介质膜光栅，一般需要具有比较高的刻线密度，这种条件下反射介质膜光栅周期为亚波长量级，使光栅衍射特性表现出了很强的偏振相关性，在一定带宽范围内实现高衍射效率的偏振无关光栅的设计具有较大难度。而且，亚波长周期光栅的衍射特性无法用标量光栅衍射方程来计算。利用严格耦合波分析方法，可以对亚波长周期光栅的衍射特性进行精确计算，结合遗传优化算法，可以对光栅的结构进行优化设计。

发明内容

本发明提供一种针对1064nm中心波长的全介质偏振无关反射式介质光栅。该光栅刻线密度为1300线/mm，该光栅针对TE和TM两种偏振模式的入射光在利特罗角入射条件下的-1级衍射效率在1050-1080nm带宽范围内高于99%。本发明所提出的偏振无关光栅结构具有高刻线密度、高衍射效率的特点，在光谱合成和啁啾脉冲放大领域有重要应用价值。

本发明提供的技术方案如下：

一种基于折射率调控薄膜的偏振无关反射介质光栅，其特征在于，所述光栅包括衬底1和光栅层4，并且衬底1上依次镀制有反射膜2、氧化物介质膜连接层3，并在光栅层刻蚀光栅槽结构；所述反射膜2为折射率调控多层介质薄膜，该折射率调控多层介质薄膜2包括高折射率材料薄膜2-1和低折射率材料薄膜2-2；

所述低折射率材料薄膜2-2的低折射率镀膜材料为SiO₂,所述高折射率材料薄膜2-1的高折射率材料为Ta₂O₅或HfO₂，所述氧化物介质膜连接层3的材料为SiO₂。

所述衬底1为熔石英衬底，所述光栅层4为折射率调控多层介质膜光栅层。

所述折射率调控多层介质薄膜2及所述光栅层4由离子束溅射双元拼接靶材的方法制备，材料体系为SiO₂:Ta₂O₅或SiO₂:HfO₂。

在膜层镀制过程中,调节离子源和靶材之间的空间位置，实现膜层中高低折射率材料的混合比例控制。

进一步的，所述折射率调控多层介质薄膜2的折射率调控趋势为随光栅刻蚀深度递增。

所述光栅层4的槽型结构为矩形槽或梯形槽，光栅周期为1300线/mm，刻蚀深度小于1um，占空比范围为0.3~0.7。