[发明专利]大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅及其制备方法与应用

说明书

兼容大方位角、超400nm带宽大底宽小尖角金属脉冲压缩光栅，包括光栅参数优化设计和制备工艺。所述的光栅其底宽占比需大于0.6，形状因子为0.5～2.5，槽深为160～250nm，线密度为1300～1650g/mm。所述的制备工艺包括基底清洗、涂胶、烘烤、曝光、显影和金属膜镀制。本发明的宽带高效率光栅具有大底宽小尖角结构，在正负15或20°的大方位角内，TM偏振光以‑1级Littrow角入射时，光栅在超400nm带宽内效率超过90％。本发明的光栅及相关工艺参数可支撑数百拍瓦单周期脉冲压缩光栅储备。

技术领域

本发明属于反射式光栅，特别是一种兼容大方位角、超400nm带宽大底宽小尖角金属脉冲压缩光栅及其制备方法与应用。

背景技术

超强超短激光领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段，国际上正在大力发展超强超短激光光源以及依托其的前沿科技创新平台。全世界各研究院所和科研机构有效利用啁啾脉冲放大技术(Chirped pulse amplification，CPA)和光学参量啁啾脉冲放大技术(Optical parameter chirped pulse amplification，OPCPA)，将激光器的峰值功率推向数十拍瓦(PW)量级。未来十年内，全球范围内100PW超强超短激光装置将陆续交付使用。冲击更高峰值功率已经成为各大国的竞赛场。

在CPA和OPCPA两种激光放大技术中，光栅压缩器是核心模块。光栅压缩器的关键元件是光栅。广泛应用于高峰值功率激光系统中的光栅有金属光栅、全介质光栅和金属介质混合光栅。其中，全介质光栅和金属介质混合光栅受限于光谱带宽和尺寸，目前还没有广泛应用于飞秒量级的脉冲压缩系统。金属光栅由于具有带宽大、效率高、面形优、角谱宽等优势，在小型到大型激光装置中备受青睐。

目前，在百焦耳乃至千焦耳脉冲能量的量级下，脉冲宽度已经可以压缩到百飞秒(fs)量级乃至18.6fs，支持输出脉冲峰值功率可以达到PW乃至10PW的量级。在更高脉冲峰值功率的超强超短激光系统的规划中，如100PW乃至EW量级下，压缩脉冲宽度进一步要求达到10fs、少周期乃至单周期。此时，脉冲的光谱带宽要求达到400纳米(nm)。

目前，商用可选的标准金光栅线密度(g/mm)主要有1400g/mm、1480g/mm和1740g/mm，中心波长在800nm或者910nm，提供带宽一般为100nm和200nm【J.A.Britten et al.，Optics Letters 21，540(1996)；US20200142107A1；CN111580205A；D.A.Alessi et al.，OpticsLaser Technology 117，239(2019)】。而且，不论是对于光栅制造商还是激光器建设人员，金光栅的设计和应用局限于无方位角情况。另外，金光栅工艺虽然成熟，但是未见有详细的制备工艺参数披露。据我们所知，还没有人针对大方位角(大于正负15°)方位角超400nm带宽的金属光栅进行设计，制备和测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是实现兼容大方位角，光谱宽度覆盖400nm的金属光栅。该光栅在TM偏振光以±15～20°大方位角，-1级Littrow角入射条件下，其衍射效率从750nm到大于1150nm的波长范围内大于90％。该光栅的详细工艺参数适用于大范围线密度的金属光栅(1300～1600g/mm)，具有实用价值。该光栅能够用于单周期(3fs)同时兼容更大脉宽的脉冲光谱展宽和压缩，具有重要的经济和应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一方面，本发明提供一种大底宽小尖角脉冲压缩金属光栅，其特点在于，该金属光栅的底宽占比大于0.6，形状因子为0.5～2.5，槽深为160～250nm，线密度为1300～1650g/mm。

另一方面，本发明还提供上述金属光栅的制备方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：