CN108761610A - 基于折射率调控薄膜的偏振无关反射式介质光栅 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
所述光栅周期不大于769nm。
本发明的有益技术效果如下：
1、本发明提供的光栅结构是基于折射率调控技术对光栅膜层和槽型结构进行优化，使TE、TM两种偏振态的入射光在利特罗角入射条件下，-1级的平均衍射效率在1050~1080nm带宽范围内高于99%，并且最高衍射最高达到了99.8%。
2、本发明可以利用全息曝光结合反应离子刻蚀的方法进行制备，制备方法简单高效，在高功率激光领域中具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的基于折射率调控薄膜的偏振无关反射介质膜光栅结构示意图。
图2是本发明实施例中光栅槽型膜层折射率随刻蚀深度变化曲线。
图3 是本发明实施例中基于折射率调控薄膜的偏振无关光栅在050~1080nm波段的-1级衍射效率曲线。
附图中各附图标记含义为：1熔石英衬底,2折射率调控多层介质薄膜，2-1高折射率材料薄膜，2-2低折射率材料薄膜，3氧化物薄膜连接层，4光栅层。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，为一种针对中心波长在1064nm波长的全介质偏振无关反射光栅，该光栅基于折射率调控技术对光栅膜层和槽型结构进行优化，使TE、TM两种偏振态的入射光在利特罗角入射条件下，-1级的衍射效率在1050~1080nm带宽范围内高于99%。
所述光栅包括熔石英衬底1和光栅层4，在熔石英衬底1上依次镀制反射膜2、氧化物介质膜连接层3，并在光栅层4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，其从下至上依次包括高折射率材料薄膜2-1和低折射率材料薄膜2-2。所述光栅层4为折射率调控多层介质膜光栅层。
所述光栅结构中，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，可以实现膜层中高低折射率材料的混合比例控制。根据Lorentz-Lorentz模型建立高低折射率材料混合比例与膜层折射率的对应关系，从而通过调节高低折射率材料的混合比例可以实现膜层折射率的精确调控。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，各层具体折射率以及对应的厚度由具体采用的优化算法决定。所述光栅层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。
在光栅初始结构确定后，利用严格耦合波方法结合遗传优化算法对光栅结构进行优化。在一个实施例中，基于图1中的梯形槽结构，针对TE模式和TM模式在1030~1080nm波段-1级衍射效率高于99%的优化目标进行结构优化。优化后光栅结构的具体参数为：
其中熔石英衬底1的折射率为1.41；
高低折射率周期反射膜2中高折射率材料薄膜2-1的材料为Ta2O5，折射率为1.91，厚度为133.2nm；
低折射率材料薄膜2-2的材料为SiO2，折射率为1.39，厚度为219.6nm；
氧化物薄膜连接层3的材料为SiO2,折射率1.39，厚度为121nm；
梯形光栅层4的光栅槽型刻蚀深度d=633nm，槽型顶部占空比f1=0.35，底部占空比为f2 =0.66，周期P=769nm，所述光栅层的折射率随刻蚀深度变化曲线如图3所示。
基于所述偏振无关反射式介质光栅在1050~1080波段、入射角为43度的条件下，TE偏振模式和TM偏振模式的-1级衍射效率曲线如图3所示。可以看出，本发明所提供的偏振无关反射式介质光栅在1050~1080波段内的平均衍射效率超过了99%，并且最高衍射最高达到了99.8%。
Claims (7)
1.一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。
2.如权利要求1所述的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。
3.如权利要求1所述的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。
4.如权利要求3所述的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，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。
5.如权利要求4所述的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，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。
6.如权利要求4所述的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。
7.如权利要求6所述的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，所述光栅周期不大于769nm。
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