一种通过匹配层协助调控实现的宽带高效率利特罗光栅结构的制作方法

本发明涉及一种通过匹配层协助调控实现的宽带高效率利特罗光栅结构，属于激光光谱合成系统。

背景技术：

1、大功率激光在材料加工、生物医学、科学研究和国防军工等领域有巨大的应用前景。目前，主流的大功率激光器可以分为两类，传统激光器和光纤激光器。传统激光器体积大，结构复杂，不能满足小型化、集成化的发展要求。光纤激光器光束质量好、稳定性高、体积小质量轻，基本不需要维护，在很多应用领域，光纤激光器逐渐取代了传统激光器。然而，光纤激光器的输出功率受光纤端面损伤、介质非线性效应、热致损伤和模式不稳定等因素的影响，难以无限制的提高。因此，如何提高激光功率成为了激光领域的一个重要问题。光谱合成技术是一种将光纤激光器阵列能量整合到一起的技术，其利用光学元件的色散能力，将光纤激光器阵列的输出合并为一束激光，打破了单路光纤激光器输出功率存在阈值的限制。利特罗衍射合成技术是光谱合成技术的一种，能输出30千瓦甚至以上功率的激光，是目前输出功率最高的光谱合成系统。利特罗光栅是该光谱合成系统的核心元件，利用光栅的色散能力，将利特罗角附近角度入射、不同波长的光衍射至同一角度出射。

2、近些年来，国内外的科研工作者对用于光谱合成系统中的利特罗光栅进行了研究。高功率的光纤激光器输出激光偏振稳定性较差，不能输出单个偏振的激光，为了避免能量的浪费，利特罗光栅必须同时满足消偏振宽带高衍射效率、高损伤阈值、易于制备加工等特性。然而，目前设计的利特罗光栅的消偏振效率大于99％的光谱范围为仅30nm，且光栅通常为梯形结构，光栅结构底层的宽度远大于光栅结构顶层的宽度，为了避免光栅结构底层的占空比等于1，需要限制光栅结构顶层的占空比范围，这会降低光栅的调控能力，增加设计与制备的难度。因此，简化光栅结构、降低制备难度、同时增加消偏振高效率光谱范围对于应用于光谱合成系统的利特罗光栅具有重要意义。

3、基于金属材料的利特罗光栅结构，由于固有的吸收损耗，衍射效率通常无法达到99％以上，难以满足高功率激光合束等特定需求。

4、基于全介质材料的利特罗光栅结构可以满足高衍射效率，如大于99％，但是通常利用到均匀分布的高反膜堆。对于消偏振、宽带宽等性能需求，则一般通过光栅层的调整，如异形结构，多层光栅，光栅层上增加覆盖层等方式实现。这些方法虽然具备比较好的性能，但是在实际制备上存在挑战。

5、本发明提出了一种全介质利特罗光栅的设计方法，主要考虑了匹配层，即均匀薄膜层对衍射性能的影响，通过合理的选择间匹配厚度，破坏了均匀多层高反膜的固有体系，在保证消偏振特性的同时，能在较宽范围内实现99％以上的衍射效率。相较于现有报道，在制备与加工上会更加简单，且具备一定的制备容差，兼顾了高效率、消偏振、制备可行性等综合性能。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种通过匹配层协助调控实现的宽带高效率利特罗光栅结构，简化了利特罗光栅的结构，降低了制备难度，最终实现宽带高效率的利特罗衍射。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种通过匹配层协助调控实现的宽带高效率利特罗光栅结构，包括从下到上依次相接的基底层、高反膜堆、双层匹配层和光栅层；其中，基底层所用材料为k9玻璃；

4、高反膜堆包括交替镀制的高折射率层和低折射率层，交替镀制的周期为15～17组；双层匹配层包括高折射率匹配层和低折射率匹配层；其中，基底层与高反膜堆的高折射率层相接，高反膜堆的低折射率层与高折射率匹配层相接，低折射率匹配层与光栅层相接；

5、高反膜堆的高折射率层和高折射率匹配层所用材料均为ta2o5，高反膜堆的低折射率层和低折射率匹配层所用材料均为sio2；

6、光栅层为一维矩形光栅，所用材料为hfo2；

7、通过匹配层协助调控实现的宽带高效率利特罗光栅结构，使te和tm两种偏振态的入射光在1040nm-1090nm波段范围内，在利特罗角入射条件下，-1级次的衍射效率>99％。

8、上述通过各层材料的选择，使得利特罗光栅结构具备较高的激光损伤阈值。

9、上述光栅结构为对称性矩形光栅脊，结构简单，容易制备。

10、上述光栅结构用于激光光谱合束。

11、上述交替镀制一层高折射率层和一层低折射率层，视为一组，周期为15～17组也即交替镀制了15～17层高折射率层和15～17层低折射率层。

12、上述光栅层的刻线密度为1300±100lines/mm(即光栅周期λ为769nm)，以te或tm平面光入射，入射角度为43.8°，入射波段为1040nm-1090nm。

13、使用粒子群优化算法，在te或tm平面光入射，43.8°斜入射下，以1040nm-1090nm波段内的-1级次的衍射效率最高为优化目标，以光栅层的占空比、光栅高度、以及匹配层和高反膜堆中各层的厚度作为优化变量，优化设计1040nm-1090nm波段内具备最高衍射效率的利特罗光栅结构；

14、粒子群优化算法的评价函数mf为1040nm-1090nm波段内-1级次的最低衍射效率，其表达式为：

15、mf＝1-min{de-1r(λ1),de-1r(λ2),…,de-1r(λn)}  式(1)

16、其中，n为在1040nm-1090nm波段内取点的数量，de-1r(λn)则为每个取点的-1级反射效率。

17、上述n取值为6，即每隔10nm取一个点。

18、作为其中一种优选的实现方案，光栅层的占空比为0.48，光栅层高度为562±2nm；高折射率匹配层厚度为122±2nm，低折射率匹配层厚度为203±2nm；高反膜堆中高折射率层厚度为140±2nm，高反膜堆中低折射率层厚度为199±2nm。

19、上述结构最终可在1040nm-1090nm波段范围内，在43.8°斜入射下，获得-1级次的消偏振，平均衍射效率>99％，

20、光栅结构可以采用电子束刻蚀(小面积样品)或激光干涉光刻(大面积样品)，结合原子层沉积等方法进行制备。

21、对上述光栅结构进行了制备容差分析：光栅结构在tm偏振光入射时，光栅层最大占空比容差和高度容差远大于te偏振光入射(这里将衍射效率高于95％的区域称为制备容差范围)，此时tm偏振下的容差范围是te偏振下的3倍以上。te偏振光入射时，最大占空比容差为0.05，最大高度容差为40nm，满足电子束刻蚀、激光干涉光刻、原子层沉积等技术对设计误差的要求。因此，该结构更加简化、易于制备。

22、顶部光栅可用于实现te和tm偏振下最宽的高效率衍射光谱范围。而结构中的匹配层可以与光栅结构发生耦合，通过调控其厚度可以协助光栅层调控各个衍射级次的能量分布：当两层匹配层的厚度同时增加时，te偏振光的-1级次衍射光谱位置红移，tm偏振光的-1级次宽带光谱位置几乎不变，在不牺牲高衍射效率光谱宽度的基础上，te偏振宽带高效率光谱和tm偏振宽带高效率光谱重叠，增加了消偏振高效率光谱范围，实现了宽带高效率的利特罗衍射。

23、与现有技术相比，该光栅的结构得到了简化，且参数容差满足制备工艺的要求，制备难度显著降低，在实际应用中将更具优势。

24、本发明未提及的技术均参照现有技术。

25、与现有技术相比，本发明通过匹配层协助调控实现的宽带高效率利特罗光栅结构，在保证消偏振特性的同时，能在较宽范围内实现99％以上的衍射效率；结构得到了简化，且参数容差满足制备工艺的要求，制备难度显著降低，在实际应用中将更具优势；兼顾了高效率、消偏振、制备可行性等综合性能。