專利名稱：：熔石英光柵脈沖壓縮器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及脈沖壓縮器，特別是一種800納米波長(zhǎng)的熔石英光柵脈沖壓縮器。
背景技術(shù)：
：在飛秒激光領(lǐng)域，光學(xué)脈沖壓縮器是一種關(guān)鍵的光學(xué)元件，它可以將長(zhǎng)光脈沖壓縮成超短光脈沖。大多數(shù)應(yīng)用中，人們往往需要高衍射效率、較大的角度色散、較寬波長(zhǎng)范圍和角度帶寬、體積小的脈沖壓縮器。傳統(tǒng)的光學(xué)脈沖壓縮器是由一些棱鏡對(duì)、啁啾鏡或者光柵對(duì)構(gòu)成的。但是，利用棱鏡對(duì)構(gòu)成的脈沖壓縮器的體積通常很大，不利于整個(gè)激光系統(tǒng)的小型化；啁啾鏡和傳統(tǒng)的反射式光柵對(duì)可以節(jié)約系統(tǒng)空間，但是，啁啾鏡價(jià)格昂貴，而反射式光柵對(duì)限制了通光口徑。為解決這一問題，WeiJia等人在熔石英上制作了高衍射效率的透射式光柵，其一1級(jí)的衍射效率理論上可達(dá)98%。而且，這種透射式光柵對(duì)光脈沖壓縮器的尺寸非常小(通常只有幾個(gè)毫米)從而大大的減小了整個(gè)激光器系統(tǒng)的尺寸在先技術(shù)1:W.Jiaetal.，Appl.Opt.47，6058(2008)。熔融石英是一種理想的光柵材料，它具有高光學(xué)質(zhì)量穩(wěn)定的性能、高損傷閾值和從深紫外到遠(yuǎn)紅外的寬透射譜。因此，刻蝕高密度深刻蝕熔融石英光柵作為新型脈沖壓縮器具有廣泛的應(yīng)用前景。矩形深刻蝕光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有較深槽形的光柵。由于表面刻蝕光柵的刻蝕深度較深，所以衍射性能類似于體光柵，具有體光柵的布拉格衍射效應(yīng)，這一點(diǎn)與普通的表面淺刻蝕平面光柵完全不同。高密度矩形深刻蝕光柵的衍射理論，不能由簡(jiǎn)單的標(biāo)量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴(yán)格耦合波理論的算法在先技術(shù)2:M.G.Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解決這類高密度光柵的衍射問題。但據(jù)我們所知，目前為止，還沒有人針對(duì)常用800納米波長(zhǎng)給出在同一熔融石英基片上制作透射式脈沖壓縮器的設(shè)計(jì)參數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)常用800納米波長(zhǎng)的激光器提供一種800納米波長(zhǎng)的熔石英光柵脈沖壓縮器，該壓縮光柵可以使TM偏振光在1級(jí)布拉格入射角的情況下的-1級(jí)衍射效率均高于97%，而且該雙面結(jié)構(gòu)的壓縮光柵對(duì)更有利于整個(gè)激光系統(tǒng)的小型化。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于800納米波段的熔石英光柵脈沖壓縮器，其特點(diǎn)是在一塊熔石英的兩面對(duì)稱地刻蝕光柵而構(gòu)成，該光柵的周期為720780納米、刻蝕深度為1.81.9微米，光柵的占空比為0.450.65。所述的光柵的周期為750納米，光柵的刻蝕深度為1.857微米時(shí)最佳。本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了本發(fā)明雙面對(duì)稱熔融石英光柵脈沖壓縮器的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率m-l)和熔融石英(折射率112=1.45)。光柵矢量iT位于入射平面內(nèi)。TM偏振入射光對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面。線性偏振的光波以一定角度ei=sin"(X/(2*A*nO)入射(定義為1級(jí)Bragg條件)，人代表入射波長(zhǎng)，A代表光柵周期。在如圖l所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)2計(jì)算了矩形熔融石英光柵(占空比為0.5)在800納米波段衍射效率。由于該光柵對(duì)脈沖壓縮器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，利用模式理論在先技術(shù)3:J.Zhengetal.,J.Opt.Soc.Am.A.25，1075(2008)可以證明光柵I和光柵II具有相同的衍射效率分布。因此在以下的理論計(jì)算中我們只計(jì)算光柵I的衍射效率如圖2所示，依據(jù)理論計(jì)算得到高衍射效率矩形光柵的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，即當(dāng)光柵的周期為720-780納米、刻蝕深度為1.8-1.9微米時(shí)，光柵I在-1級(jí)的衍射效率大于97%。如圖3所示，光柵的周期為750納米，深度為1.857微米，若考慮800納米附近TM偏振模式的入射光以對(duì)應(yīng)的1級(jí)Bmgg角度入射到光柵時(shí)，該光柵在750-850納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的-1級(jí)衍射效率均可以達(dá)到90%以上，即對(duì)應(yīng)于.100納米的譜寬范圍。如圖4所示，TM偏振模式的入射光以32.23。角度(對(duì)應(yīng)入射波長(zhǎng)為800納米時(shí)的1級(jí)Bragg角度)附近入射到光柵時(shí)，光柵的周期為750納米，深度為1.857微米，光柵占空比在0.5-0.65，入射波長(zhǎng)在780-830范圍內(nèi)時(shí)-1級(jí)的衍射效率可高于96%。圖1是本發(fā)明800納米波長(zhǎng)的雙面對(duì)稱熔融石英光柵脈沖壓縮器的幾何結(jié)構(gòu)。圖中，1代表區(qū)域1(折射率為m)，2代表區(qū)域2(折射率為n2)，3代表入射光，4代表TM模式下的-1級(jí)衍射光，5代表TM模式下的+1級(jí)衍射光，6代表光柵的對(duì)稱軸，I和II代表壓縮器的兩個(gè)對(duì)稱光柵。圖2是本發(fā)明脈沖壓縮光柵(熔融石英的折射率取1.45332，光柵占空比為0.5)在不同光柵周期和刻蝕深度下的衍射效率的密度曲線。圖3是本發(fā)明脈沖壓縮光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為750納米、光柵深度1.857微米，占空比為0.5，衍射效率隨入射波長(zhǎng)的變化曲線。圖4是本發(fā)明脈沖壓縮光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為750納米、光柵深度1.857微米，不同占空比和波長(zhǎng)下衍射效率的密度曲線。圖5是全息光柵記錄光路。圖中7代表氦鎘激光器，8代表快門，9代表分束鏡，10、11、l、13代表反射鏡，14、15代表擴(kuò)束鏡，16、17代表透鏡，18代表基片。具體實(shí)施例方式利用微光學(xué)技術(shù)制造高密度矩形偏振分束光柵，首先在干燥、清潔的熔融石英基片的兩個(gè)面上分別沉積一層金屬鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠(Shipley,S1818,USA)。然后采用全息記錄方式記錄光柵(見圖5)，采用He-Cd激光器7(波長(zhǎng)為441納米)作為記錄光源'。記錄全息光柵時(shí)，快門8打開，從激光器發(fā)出的窄光束經(jīng)過分束鏡9分成兩窄光束。一束通過反射鏡10后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡14、透鏡16形成寬平面波；另一束通過反射鏡ll后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束平面波分別經(jīng)過反射鏡12、13后，以2e夾角在基片18上形成干涉場(chǎng)。當(dāng)在熔融石英基片的一面全息記錄光柵完畢后，將基片旋轉(zhuǎn)180。后在另一面利用相同的方法再次記錄光柵。光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)可以表示為A-X/(2"ine)，其中人為記錄光波長(zhǎng)。記錄角e越大，貝ijA越小，所以通過改變e的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述衍射效率圖設(shè)計(jì))。全息記錄高密度光柵，然后顯影，接著再甩去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到鉻膜上，利用化學(xué)試劑將多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時(shí)間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)移到熔融石英基片上，再用去鉻液將剩余的鉻膜去除，就得到高密度深刻蝕表面浮雕結(jié)構(gòu)的熔融石英光柵。表1給出了本發(fā)明一系列實(shí)施例，表1是1級(jí)布拉格入射時(shí)TM的-1級(jí)透射衍射效率T1，表中h為光柵深度，A為光柵周期在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得到高衍射效率的矩形熔融石英脈沖壓縮器。由表1并結(jié)合圖2可知，該光柵的周期為720-780納米、刻蝕深度為1.8-1.9微米時(shí)，脈沖壓縮器在750-850納米的譜寬范圍內(nèi)的衍射效率大于90%，從而實(shí)現(xiàn)了較寬譜帶范圍內(nèi)的脈沖壓縮。本發(fā)明的雙面對(duì)稱集成化一體化熔融石英光柵作為光學(xué)脈沖壓縮器，具有高度集成化、使用方便、衍射效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的脈沖壓縮器，利用全息光柵記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是脈沖壓縮器的一種重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，具有重要的實(shí)用前景。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1、一種用于800納米波段的熔石英光柵脈沖壓縮器，其特征是在一塊熔石英的兩面對(duì)稱地刻蝕光柵而構(gòu)成，該光柵的周期為720～780納米、刻蝕深度為1.8～1.9微米，光柵的占空比為0.45～0.65。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔石英光柵脈沖壓縮器，其特征在于所述的光柵的周期為750納米，光柵的刻蝕深度為1.857微米。全文摘要一種用于800納米波段的熔石英光柵脈沖壓縮器，其特點(diǎn)是在一塊熔石英的兩面對(duì)稱地刻蝕光柵而構(gòu)成，該光柵的周期為720～780納米、刻蝕深度為1.8～1.9微米，光柵的占空比為0.45～0.65。本發(fā)明壓縮器在750～850納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)TM偏振光的-1級(jí)和+1級(jí)透射衍射效率均高于90％。本發(fā)明雙面對(duì)稱融石英光柵脈沖壓縮器由光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝加工而成，取材方便，造價(jià)小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。文檔編號(hào)G02B5/18GK101609241SQ20091005451公開日2009年12月23日申請(qǐng)日期2009年7月8日優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日發(fā)明者馮吉軍,周常河,曹紅超,偉賈申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所