復合型透射式脈沖壓縮光柵的設(shè)計與制作

李朝明, 陳新榮,李 林,虞 健,吳建宏,常增虎

(1.蘇州大學 物理與光電·能源學部與蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心 蘇州大學 江蘇省先進光學制造技術(shù)重點實驗室和教育部現(xiàn)代光學技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215006;2.中佛羅里達大學 光學-激光研究與教育中心，佛羅里達 32816)

復合型透射式脈沖壓縮光柵的設(shè)計與制作

李朝明1*, 陳新榮1,李 林1,虞 健1,吳建宏1,常增虎2

(1.蘇州大學 物理與光電·能源學部與蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心 蘇州大學 江蘇省先進光學制造技術(shù)重點實驗室和教育部現(xiàn)代光學技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215006;2.中佛羅里達大學 光學-激光研究與教育中心，佛羅里達 32816)

提出了一種用于飛秒鈦寶石激光器的復合型透射式脈沖壓縮光柵。該光柵由1 250 line/mm和3 300 line/mm兩種光柵集成在一個熔石英基底上制成，其工作中心波長為800 nm，工作波段為700～900 nm。1 250 line/mm光柵用于脈沖壓縮；3 300 line/mm光柵的運用則有益于減少透射光柵的反射損失，同時由于采用高頻光柵結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)增透膜，可有效減少光柵基底的波前形變。該復合光柵完全由熔石英材料構(gòu)成，故具有很高的損傷閾值。利用嚴格耦合波理論對該復合型透射光柵的微結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明： 1 250 line/mm光柵在中心波長800 nm處的-1級衍射效率可達98%；3 300 line/mm增透光柵的透過率在700～900 nm波段可以達到99.7%以上。最后，應(yīng)用全息記錄技術(shù)和離子刻蝕技術(shù)實際制備了Φ65 mm×1 mm的復合式透射脈沖壓縮光柵，實測衍射效率與理論設(shè)計相符。

脈沖壓縮光柵；熔石英透射光柵；衍射效率；激光損傷閾值

1 引 言

隨著納秒、皮秒超短脈沖激光在焊接和切割等加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高端精密加工對大功率飛秒激光器的需求逐漸顯現(xiàn)。飛秒激光的超快速時間和超高峰值特性將其能量全部、快速、準確地集中在限定的作用區(qū)域，從而實現(xiàn)對幾乎所有材料的非熱熔性冷處理，具有傳統(tǒng)激光加工無法比擬的高精度和低損傷等優(yōu)勢。20世紀80年代中期之后，由于采用啁啾脈沖放大技術(shù)( Chirped Pulse Amplification，CPA)和寬帶高增益介質(zhì)，激光峰值功率提高了6～7個數(shù)量級。脈沖壓縮光柵是CPA技術(shù)的核心器件[1-4]。

脈沖壓縮光柵有透射式和反射式兩種。反射式光柵主要有鍍金光柵和多層介質(zhì)膜光柵。鍍金光柵已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于激光脈沖壓縮，其帶寬大，衍射效率最高可達95%，大尺寸鍍金光柵適用于TW級的脈沖壓縮。然而，鍍金光柵的熱效應(yīng)會導致脈沖壓縮器的衍射效率減小。同時，金屬光柵存在的熱吸收現(xiàn)象不可避免地降低了脈沖壓縮器在使用過程中的損傷閾值。多層介質(zhì)膜光柵的出現(xiàn)有效解決了熱吸收問題，相對于鍍金光柵其激光損傷閾值更高。此外，通過合理地設(shè)計膜系結(jié)構(gòu)，介質(zhì)膜光柵的衍射效率可以達到99% 。但是多層介質(zhì)光柵的帶寬一般都比較窄，只有數(shù)十納米，這在很大程度上限制了它在100 fs以下的CPA系統(tǒng)中的使用。熔石英具有很好的抗激光損傷特性，常作為激光光學元件的材料。目前，熔石英基底的透射式脈沖壓縮光柵研究工作得到了人們的重視[5]。本文圍繞中心波長為800 nm的透射式脈沖壓縮光柵開展了相關(guān)的設(shè)計和制作工作。

2 復合型透射式脈沖壓縮光柵的設(shè)計

2.1 脈沖壓縮光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計

飛秒激光脈沖的波長帶寬很寬，光線在入射時不可能使每個波長的分量都滿足Littrow角入射，因此這里在透射光柵設(shè)計時選擇中心波長為Littrow角入射。中心波長不僅是脈沖能量相對比較集中的區(qū)域，還是系統(tǒng)色散補償?shù)年P(guān)鍵點。光柵設(shè)計的目標是在盡可能寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)盡可能高的衍射效率。在一定的波長、偏振態(tài)和入射角的條件下，光柵的衍射效率取決于光柵的槽形參數(shù)(光柵周期d、槽深h、占寬比和槽型)。光柵的入射角為Littrow角時，合理地優(yōu)化槽形參數(shù)可以使光柵的-1級衍射效率達到極大值，中心波長的衍射效率接近100%。

這里脈沖壓縮光柵的槽型選用矩形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。TE波以30°角入射到1 250 line/mm的透射光柵， 采用嚴格耦合波理論對光柵的衍射效率進行相關(guān)計算。

圖1 矩形槽透射光柵的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmission grating with rectangular grooves

圖2(a) ，2(b) 和2(c)給出了矩形槽光柵在不同波長下的-1級光柵衍射效率與占空比(Δ=x/d)和深度h的關(guān)系。圖3的計算結(jié)果表明，當石英光柵槽深為1.38 μm，占寬比Δ=0.5時，λ=800 nm處透射-1級衍射效率可以達到98%；λ=700 nm處透射-1級衍射效率為80.5%；λ=900 nm處透射-1級透射衍射效率為91%。

圖2 1 250 line/mm矩形光柵在不同波長下的-1級衍射效率分布Fig.2 Contour maps of -1st order diffraction efficiency distribution of 1 250 line/mm rectangular gratings at different wavelengths

圖3 700～900 nm波長下矩形光柵的-1級衍射效率曲線Fig.3 Minus first order diffraction efficiency curve of rectangular grating in 700-900 nm

2.2 高空頻增透光柵設(shè)計

透射光柵后表面的基底反射一定程度上削弱了光柵的衍射效率，一般選擇鍍增透膜來降低下表面的反射損失。但是增透膜層的應(yīng)力分布很容易受到實驗工藝條件的影響，而透射光柵的基底通常比較薄(1～2 mm)，應(yīng)力的不均勻分布一定程度上降低了玻璃基底的表面平整度，進而產(chǎn)生波像差。文獻[6]指出在未優(yōu)化增透膜實驗工藝時，因基底形變而產(chǎn)生的反射波像差大約為60λ；而在改進實驗工藝后，波像差得到了有效的降低(約為3λ)。為避免脈沖壓縮光柵產(chǎn)生形變，并且兼顧光柵后表面的增透效果，本文提出在光柵基底后表面制備高空頻線光柵的方法實現(xiàn)增透。

根據(jù)光柵衍射方程可知：sinθ-sinγ=mλ/d，當光柵周期d遠小于波長λ時，光柵只存在0級衍射光，因此通過合理地優(yōu)化槽型參數(shù)可以提高0級透過率。

圖4 復合型透射脈沖壓縮光柵結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of composite pulse compression transmission gratings

如圖4所示，光柵線密度為3 300 line/mm，光柵槽形為矩形，TE偏振，30°角入射，利用嚴格耦合波程序計算出零級透過率分布如圖5所示。由圖5可知，700 nm時衍射效率最大值在占寬比為0.3～0.4，槽深為0.15～0.18 μm的區(qū)域，零級透過率>99.8%；800 nm時衍射效率最大值在占寬比為0.3～0.4，槽深為0.15～0.21 μm的區(qū)域，零級透過率>99.8%；900 nm時，衍射效率最大值在占寬比為0.3～0.4，槽深為0.19～0.24 μm的區(qū)域，零級透過率>99.8%。

圖5 3 300 line/mm矩形光柵在不同波長處的0級透過率Fig.5 Contour map of 0 order transmittances of 3 300 line/mm rectangular grating at different wavelengths

圖6 3 300 line/mm矩形光柵的0級透過率曲線Fig.6 Zero order transmittance curve of 3 300 line/mm rectangular grating in 700-900 nm

由圖5可知，700，800和900 nm波長處矩形光柵的零級透過率極大值的分布區(qū)間很接近。圖6的計算結(jié)果顯示，光柵的占空比Δ=0.35，槽深為0.18 μm，可以看出，在700～900 nm的帶寬內(nèi)，光柵的零級透過率均大于99.7%。

2.3 復合型透射脈沖壓縮光柵的制作與測試

在制作透射式脈沖壓縮光柵時，首先利用全息光刻技術(shù)制作光柵掩模，隨后采用離子束刻蝕方法將光柵掩模轉(zhuǎn)移至石英基底上。圖7(a)和7(b)分別為離子束刻蝕制作完成后的1 250 line/mm和3 300 line/mm光柵的電子顯微鏡照片。

圖7 熔石英光柵的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of fused silica grating

圖7(a)中制作的1 250 line/mm光柵微結(jié)構(gòu)，側(cè)壁具有一定的傾角，不嚴格是矩形，槽型具有梯形的特征，光柵的衍射效率與矩形有些差異。最后進行了衍射效率測量實驗, 在TE偏振下，入射角為30°時，透射壓縮光柵的-1級透射衍射效率如表1所示。

表1 1 250 line/mm透射光柵的-1級透射衍射效率Tab.1 Minus first order diffraction efficiencies of 1 250 line/mm transmission grating (%)

而3 300 line/mm高頻增透光柵在690，808，850，915 nm波長(TE偏振)，30°入射角的測試條件下的透過率均大于99.6%。

圖8 Φ65 mm×1 mm復合式熔石英光柵照片F(xiàn)ig.8 Photo of Φ65 mm×1mm composite fused silica transmission grating

Φ65 mm×1 mm復合式熔石英透射光柵照片如圖8所示。利用干涉儀測量復合式光柵的-1級透射波前 0.08λ(@633 nm),測試結(jié)果表明復合式光柵結(jié)構(gòu)中高頻增透光柵不產(chǎn)生額外的像差，不存在鍍膜應(yīng)力形變的問題，可以替代增透膜，有助于減小光柵的衍射像差。

3 結(jié) 論

本文基于嚴格耦合波理論設(shè)計了寬帶熔石英透射光柵。為降低光柵基底背面的反射損失，用高頻光柵結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的增透膜，設(shè)計了高透過率增透光柵。深槽石英光柵與高頻增透光柵集成在一片Φ65 mm×1 mm的熔石英基底上，利用全息記錄技術(shù)和離子刻蝕技術(shù)研制了新型復合式熔石英透射脈沖壓縮光柵，實測中心波長Littrow角下其衍射效率能夠達到98%(@808 nm)。實驗結(jié)果表明，新型復合式熔石英透射脈沖壓縮光柵不僅能夠有效提高能量利用率，而且能夠解決光柵鍍制增透膜產(chǎn)生的應(yīng)力形變問題，適合制作大尺寸光柵。

[1] CANOVA F,CLADY R,CHAMBARET J P,etal.. High-efficiency, broad band, high-damage threshold high-index gratings for femto-second pulse compression[J].Opt.Express,2007,15(23)：15324-15334.

[2] MARTZ D H,NGUYEN H T,PATEL D,etal.. Large area high efficiency broad bandwidth 800 nm dielectric gratings for high energy laser pulse compression[J].Opt.Eng., 2009, 17(26):23809-23816.

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Design and fabrication of a composite transmission pulse compression grating

LI Chao-ming1*, CHEN Xin-rong1, LI Lin1, YU Jian1, WU Jian-hong1,CHANG Zeng-hu2

(1.CollegeofPhysics,OptoelectronicsandEnergy&CollaborativeInnovationCenterofSuzhouNanoScienceandTechnology,KeyLaboratorofAdvancedOpticalManufacturingTechnologiesofJiangsuProvince,KeyLaboratorofModernOpticalTechnologiesofEducationMinistryofChina,SoochowUniversity,Suzhou215006,China; 2.CenterforResearchandEducationinOpticsandLaserandDepartmentofPhysics,UniversityofCentralFlorida,Orlando,FL32816,USA) *Correspondingauthor,E-mail:chaoming@suda.edu.cn

A composite transmission pulse compression grating was proposed for femto-second Ti∶sapphire lasers. The composite transmission grating with 700-900 nm bandwidth worked at a center wavelength of 800 nm was consisted of two gratings with groove densities 1 250 line/mm and 3 300 line/mm and they were integrated in a fused silica plate. The 1 250 line/mm grating was used for compressing laser pulse. The 3 300 line/mm anti-reflection grating was conductive to decreasing the reflection loss and avoiding the wave-front distortion by using a high frequency grating structure to replace the anti-reflection film on the surface of the fused silica plate. Completely being made of fused silica, the composite pulse compression grating has a high laser damage threshold. The composite transmission grating was designed based on the rigorous coupled wave theory. The optimization calculation results show that the -1st order diffraction efficiency of the 1 250 line/mm grating is up to 98% (@800 nm) and the transmission of the 3 300 lp/mm grating is up to 99.7% at 700-900 nm bandwidth. Finally, the composite transmission pulse compression grating(Φ65 mm×1 mm ) was fabricated by holographic recording and ion bean etching and its diffraction efficiency is coincident with that of the theoretical analysis.

pulse compression grating;fused silica transmission grating；diffraction efficiency； laser damage threshold

2016-10-27；

2016-11-29.

國家自然科學基金資助項目(No. 60808013，No. 61178046);江蘇省高校自然科學研究重大項目(No.11KJA140001);江蘇省高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目

1004-924X(2016)12-2983-05

O436.1

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2983

李朝明(1975-)，男，江蘇徐州人，博士，副研究員，2007年于蘇州大學獲得博士學位，主要從事光學設(shè)計，衍射光學器件制造方面的研究工作。E-mail: chaoming@suda.edu.cn