熔石英光栅脉冲压缩器.pdf

一种用于800纳米波段的熔石英光栅脉冲压缩器，其特点是在一块熔石英的两面对称地刻蚀光栅而构成，该光栅的周期为720～780纳米、刻蚀深度为1.8～1.9微米，光栅的占空比为0.45～0.65。本发明压缩器在750～850纳米波长范围内TM偏振光的-1级和+1级透射衍射效率均高于90％。本发明双面对称融石英光栅脉冲压缩器由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

1、  一种用于800纳米波段的熔石英光栅脉冲压缩器，其特征是在一块熔石英的两面对称地刻蚀光栅而构成，该光栅的周期为720～780纳米、刻蚀深度为1.8～1.9微米，光栅的占空比为0.45～0.65。

2、  根据权利要求1所述的熔石英光栅脉冲压缩器，其特征在于所述的光栅的周期为750纳米，光栅的刻蚀深度为1.857微米。

熔石英光栅脉冲压缩器
技术领域
本发明涉及脉冲压缩器，特别是一种800纳米波长的熔石英光栅脉冲压缩器。
背景技术
在飞秒激光领域，光学脉冲压缩器是一种关键的光学元件，它可以将长光脉冲压缩成超短光脉冲。大多数应用中，人们往往需要高衍射效率、较大的角度色散、较宽波长范围和角度带宽、体积小的脉冲压缩器。传统的光学脉冲压缩器是由一些棱镜对、啁啾镜或者光栅对构成的。但是，利用棱镜对构成的脉冲压缩器的体积通常很大，不利于整个激光系统的小型化；啁啾镜和传统的反射式光栅对可以节约系统空间，但是，啁啾镜价格昂贵，而反射式光栅对限制了通光口径。为解决这一问题，Wei Jia等人在熔石英上制作了高衍射效率的透射式光栅，其-1级的衍射效率理论上可达98％。而且，这种透射式光栅对光脉冲压缩器的尺寸非常小(通常只有几个毫米)从而大大的减小了整个激光器系统的尺寸【在先技术1：W.Jia etal.，Appl.Opt.47，6058(2008)】。
熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量：稳定的性能、高损伤阈值和从深紫外到远红外的宽透射谱。因此，刻蚀高密度深刻蚀熔融石英光栅作为新型脉冲压缩器具有广泛的应用前景。
矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术2：M.G Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用800纳米波长给出在同一熔融石英基片上制作透射式脉冲压缩器的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对常用800纳米波长的激光器提供一种800纳米波长的熔石英光栅脉冲压缩器，该压缩光栅可以使TM偏振光在1级布拉格入射角的情况下的-1级衍射效率均高于97％，而且该双面结构的压缩光栅对更有利于整个激光系统的小型化。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于800纳米波段的熔石英光栅脉冲压缩器，其特点是在一块熔石英的两面对称地刻蚀光栅而构成，该光栅的周期为720～780纳米、刻蚀深度为1.8～1.9微米，光栅的占空比为0.45～0.65。
所述的光栅的周期为750纳米，光栅的刻蚀深度为1.857微米时最佳。
本发明的依据如下：
图1显示了本发明双面对称熔融石英光栅脉冲压缩器的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n₁＝1)和熔融石英(折射率n₂＝1.45)。光栅矢量K位于入射平面内。TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。线性偏振的光波以一定角度θ_i＝sin^-1(λ/(2*Λ*n₁)入射(定义为1级Bragg条件)，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术2】计算了矩形熔融石英光栅(占空比为0.5)在800纳米波段衍射效率。由于该光栅对脉冲压缩器的结构是对称的，利用模式理论【在先技术3：J.Zheng et al.，J.Opt.Soc.Am.A.25，1075(2008)】可以证明光栅I和光栅II具有相同的衍射效率分布。因此在以下的理论计算中我们只计算光栅I的衍射效率如图2所示，依据理论计算得到高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，即当光栅的周期为720-780纳米、刻蚀深度为1.8-1.9微米时，光栅I在-1级的衍射效率大于97％。
如图3所示，光栅的周期为750纳米，深度为1.857微米，若考虑800纳米附近TM偏振模式的入射光以对应的1级Bragg角度入射到光栅时，该光栅在750-850纳米波长范围内所有波长的-1级衍射效率均可以达到90％以上，即对应于100纳米的谱宽范围。
如图4所示，TM偏振模式的入射光以32.23°角度(对应入射波长为800纳米时的1级Bragg角度)附近入射到光栅时，光栅的周期为750纳米，深度为1.857微米，光栅占空比在0.5-0.65，入射波长在780-830范围内时-1级的衍射效率可高于96％。
附图说明
图1是本发明800纳米波长的双面对称熔融石英光栅脉冲压缩器的几何结构。图中，1代表区域1(折射率为n₁)，2代表区域2(折射率为n₂)，3代表入射光，4代表TM模式下的-1级衍射光，5代表TM模式下的+1级衍射光，6代表光栅的对称轴，I和II代表压缩器的两个对称光栅。
图2是本发明脉冲压缩光栅(熔融石英的折射率取1.45332，光栅占空比为0.5)在不同光栅周期和刻蚀深度下的衍射效率的密度曲线。
图3是本发明脉冲压缩光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为750纳米、光栅深度1.857微米，占空比为0.5，衍射效率随入射波长的变化曲线。
图4是本发明脉冲压缩光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为750纳米、光栅深度1.857微米，不同占空比和波长下衍射效率的密度曲线。
图5是全息光栅记录光路。图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表分束镜，10、11、12、13代表反射镜，14、15代表扩束镜，16、17代表透镜，18代表基片。
具体实施方式
利用微光学技术制造高密度矩形偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的熔融石英基片的两个面上分别沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅(见图5)，采用He-Cd激光器7(波长为441纳米)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。当在熔融石英基片的一面全息记录光栅完毕后，将基片旋转180°后在另一面利用相同的方法再次记录光栅。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述衍射效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，接着再用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到熔融石英基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去除，就得到高密度深刻蚀表面浮雕结构的熔融石英光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，表1是1级布拉格入射时TM的-1级透射衍射效率η，表中：h为光栅深度，Λ为光栅周期
在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得到高衍射效率的矩形熔融石英脉冲压缩器。由表1并结合图2可知，该光栅的周期为720-780纳米、刻蚀深度为1.8-1.9微米时，脉冲压缩器在750-850纳米的谱宽范围内的衍射效率大于90％，从而实现了较宽谱带范围内的脉冲压缩。
本发明的双面对称集成化一体化熔融石英光栅作为光学脉冲压缩器，具有高度集成化、使用方便、衍射效率高等优点，是一种非常理想的脉冲压缩器，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是脉冲压缩器的一种重要的实现技术，具有重要的实用前景。
表1