[发明专利]一种宽光谱偏振无关透射式光栅及其制备方法

说明书

技术领域:

本发明属于衍射光栅技术领域，涉及一种宽光谱偏振无关透射式光栅及其制备方法，用于飞秒激光脉冲放大系统。

背景技术：

随着激光技术的发展和应用需求，高峰值、超短激光脉冲的获得逐渐成为探索光与物质相互作用的重要手段，啁啾脉冲放大系统（Chirped-Pulse Amplification，CPA）在高峰值超短脉冲的获得过程中起着决定性的作用，作为CPA系统核心元件的脉宽压缩光栅（Pulse Compression Grating，PCG）应有具有尽可能高的衍射效率、抗激光损伤阈值和光谱范围；多层介质膜脉宽压缩光栅（Multi-layer Dielectric Grating，MDG）和金属介质膜光栅（Metal Multilayer Dielectric Grating,MMDG）可以在较宽的光谱范围内获得高的衍射效率，但是多层介质膜脉宽压缩光栅和金属介质膜光栅设计结构由多层结构组成，制作工艺复杂；2008年Wei Jia等人在融石英上制作了高衍射效率的透射式光栅，其-1级衍射效率理论上可达98%，而且所设计的透射式光栅的尺寸在毫米量级，减小了脉冲压缩器的尺寸[Wei Jia et al.,Appl.Opt.47,6058(2008)]，但是透射式石英光栅属于窄带偏振相关器件，只能适用于TE波模式，即只能在较窄的波长范围对TE偏振光实现高衍射效率，不能满足偏振无关和宽光谱的需求。因此，提供一种中心波长为1053纳米波段的宽光谱偏振无关透射式光栅在啁啾脉冲放大系统中具有重要的应用价值，其优化设计方法对于改善宽光谱高衍射效率透射式光栅的性能具有重要的指导作用。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种中心波长为1053纳米波段的宽光谱偏振无关透射式光栅及其制备方法，采用具有稳定性能、高损伤阈值和宽透射光谱的融石英材料，通过对光栅的周期、占空比和入射角度等结构参数优化，实现宽光谱范围内偏振无关的透射光栅。

为了实现上述目的，本发明利用严格耦合波理论进行优化设计的光栅从下至上依次包括石英（SiO₂）材料的基底和表面浮雕结构，表面浮雕结构刻蚀在基底上；光栅周期为400-420纳米，刻蚀深度为300-340纳米，占空比为0.18-0.22，入射角度为45°；水平极化波（TE）和垂直极化波（TM）波的透射0级衍射效率在1000nm-1100nm范围大于98%，水平极化波（TE）和垂直极化波（TM）的透射0级衍射效率差值小于0.1%。

本发明涉及的宽光谱偏振无关透射式光栅的制备包括光刻胶涂布、全息曝光、显影、离子束刻蚀和清洁处理五个步骤，其具体工艺过程为：

（1）、光刻胶涂布：在抛光洁净石英基底上涂布一层均匀的光刻胶，然后把涂好光刻胶的基底放入烤箱中在90－120℃温度条件下烘烤30分钟，去除光刻胶中的溶剂，使包裹或吸附在光刻胶层中的溶剂从光刻胶层中溢出，并使光刻胶与基底紧密接触；

（2）、全息曝光：当两束具有相同偏振态和相同强度的单色平面光交叉在一起时，波长都为λ的光束在交叉区形成驻波场，条纹的明暗程度取决于两相干光束的波前到达光栅基胚的位相差，由于双光束干涉而形成光强呈正弦分布的黑白相间条纹系统；光场强度为零的区域使光刻胶没有曝光，而光场强度最大的区域被最大限度地曝光，在基底上形成记录的条纹，光场强度最大和光场强度为零之间的区域被部分曝光，如果平行光束以夹角2θ相干，则在重叠空间形成明暗相间和等间距的直条纹，条纹间距为d＝λ/2sinθ，实现基底的全息曝光；

（3）、显影：把全息曝光后的基底放入常规的显影液中进行显影处理，在光刻胶表面形成具有浮雕结构的光刻胶掩模，光刻胶掩模的槽底干净程度、槽深和占空比均符合设计要求，槽深决定于离子束刻蚀获得的最大槽深；

（4）、离子束刻蚀：将具有浮雕结构的光刻胶掩模转移到石英基底上并烘烤干后放在刻蚀机平台上，在离子束轰击下，光刻胶表面浮雕结构的脊和槽同时被刻蚀，通过控制光刻胶脊的厚度并根据光刻胶和介质膜的刻蚀速率得到槽深和占空比，得到光栅；

（5）、清洁处理：将光栅放入丙酮溶液中浸泡10分钟，然后用乙醚反复冲洗5次，最后用长纤维脱脂棉仔细擦洗，制备得到宽光谱偏振无关透射式光栅。

本发明与现有技术相比，其结构简单，衍射效率高，制备成本低，适用范围广，在啁啾脉冲放大系统中具有重要的应用价值，对改善宽光谱高衍射效率透射式光栅的性能具有重要的指导作用。

附图说明：

图1为本发明制备的光栅主体结构原理示意图。