復合型透射式脈沖壓縮光柵的設計與制作

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同創新中心 蘇州大學 江蘇省先進光學制造技術重點實驗室和教育部現代光學技術重點實驗室，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同創新中心 蘇州大學 江蘇省先進光學制造技術重點實驗室和教育部現代光學技術重點實驗室，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構代替了傳統增透膜，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構進行了優化設計，結果表明： 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，應用全息記錄技術和離子刻蝕技術實際制備了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域的廣泛應用，高端精密加工對大功率飛秒激光器的需求逐漸顯現。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域，從而實現對幾乎所有材料的非熱熔性冷處理，具有傳統激光加工無法比擬的高精度和低損傷等優勢。20世紀80年代中期之后，由于采用啁啾脈沖放大技術( Chirped Pulse Amplification，CPA)和寬帶高增益介質，激光峰值功率提高了6～7個數量級。脈沖壓縮光柵是CPA技術的核心器件[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膜光柵。鍍金光柵已經被廣泛應用于激光脈沖壓縮，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。多層介質膜光柵的出現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，通過合理地設計膜系結構，介質膜光柵的衍射效率可以達到99% 。但是多層介質光柵的帶寬一般都比較窄，只有數十納米，這在很大程度上限制了它在100 fs以下的CPA系統中的使用。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的設計和制作工作。

2 復合型透射式脈沖壓縮光柵的設計

2.1 脈沖壓縮光柵的結構設計

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域，還是系統色散補償的關鍵點。光柵設計的目標是在盡可能寬的波長范圍內實現盡可能高的衍射效率。在一定的波長、偏振態和入射角的條件下，光柵的衍射效率取決于光柵的槽形參數(光柵周期d、槽深h、占寬比和槽型)。光柵的入射角為Littrow角時，合理地優化槽形參數可以使光柵的-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構，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計算。

圖1 矩形槽透射光柵的結構示意圖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的關系。圖3的計算結果表明，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，進而產生波像差。文獻[6]指出在未優化增透膜實驗工藝時，因基底形變而產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增透。

根據光柵衍射方程可知：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，因此通過合理地優化槽型參數可以提高0級透過率。

圖4 復合型透射脈沖壓縮光柵結構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間很接近。圖6的計算結果顯示，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，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制作光柵掩模，隨后采用離子束刻蝕方法將光柵掩模轉移至石英基底上。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Fig.7 SEM images of fused silica grating

圖7(a)中制作的1 250 line/mm光柵微結構，側壁具有一定的傾角，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Fig.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),測試結果表明復合式光柵結構中高頻增透光柵不產生額外的像差，不存在鍍膜應力形變的問題，可以替代增透膜，有助于減小光柵的衍射像差。

3 結 論

本文基于嚴格耦合波理論設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，用高頻光柵結構代替傳統的增透膜，設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，利用全息記錄技術和離子刻蝕技術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生的應力形變問題，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.

[3] PERRY M D, BOYD R D,BRITTEN J A,etal.. High-efficiency multilayer dielectric diffraction gratings[J].Opt.Lett., 1995, 20(8): 940-942.

[4] NABEKAWA Y, TOASHI T, SEKIKAWA T,etal.. All-solid-state high-peak-power Ti∶sapphire laser system above 5-kHz repetition rate [J].AppliedPhysicsB, 2000, 70(1):S171-S179.

[5] NGUYEN H T, SHORE B W, BRYAN S J,etal.. High-efficiency fused-silica transmission gratings[J].Opt.Lett., 1997,22(3):142-144.

[6] ZHOU C, SEKI T, KITAMURA T,etal.. Wavefront analysis of high-efficiency, large-scale, thin transmission gratings[J].OpticsExpress, 2014, 22(5): 5995-6008.

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);江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目

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，主要從事光學設計，衍射光學器件制造方面的研究工作。E-mail: chaoming@suda.edu.cn