一種透射式脈沖壓縮光柵器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種透射式脈沖壓縮光柵器件及其制備方法，所述器件包括熔融石英基板，設(shè)置在所述熔融石英基板的一個(gè)光學(xué)表面上的透射式脈沖壓縮光柵，其特征在于：在所述熔融石英基板的另一個(gè)相對(duì)的光學(xué)表面上設(shè)有高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)。采用全息光刻結(jié)合離子刻蝕轉(zhuǎn)移的方法實(shí)現(xiàn)器件的制備。本發(fā)明通過一個(gè)器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)光束色散和增透，提高了透射式脈沖壓縮光柵激光損傷閾值和光能利用率，在超強(qiáng)超快激光領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種透射式脈沖壓縮光柵器件及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件及其制備方法，具體涉及一種高損傷閾值的透射式脈沖 壓縮光柵，及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光脈沖啁啾放大與壓縮技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)超快激光的重要技術(shù)之一，脈沖壓縮光 柵被廣泛地應(yīng)用于強(qiáng)激光脈沖壓縮系統(tǒng)中。由于脈沖壓縮光柵與輸出的強(qiáng)激光直接作用， 極易受到激光的物理損傷，因此，如何提高其激光通量和承受能力成為激光器輸出脈沖能 量強(qiáng)度的主要瓶頸之一。為解決上述問題，一種途徑是提高脈沖壓縮光柵的損傷閾值，另一 種途徑是增大脈沖壓縮光柵口徑。顯然，增大光柵口徑的方法會(huì)導(dǎo)致成本和實(shí)現(xiàn)難度的顯 著增加。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，透射式脈沖壓縮光柵通常采用在一個(gè)熔石英光學(xué)表面刻蝕脈沖壓縮 光柵，另一光學(xué)表面加鍍?cè)鐾改さ募夹g(shù)方案，以提高光能利用率。由于增透膜自身材料以及 薄膜的損傷閾值遠(yuǎn)小于熔石英材料的損傷閾值，這類石英光柵的光柵損傷閾值受限于所鍍 的增透膜。另外，為了減少激光強(qiáng)場(chǎng)作用下體材料中產(chǎn)生的光學(xué)非線性效應(yīng)的不良影響，透 射式脈沖壓縮光柵基底的厚度需要很薄，徑厚比(器件口徑與厚度比）一般會(huì)大于50,所鍍 增透膜容易引起基板變形，導(dǎo)致脈沖壓縮光柵衍射波面變差。光柵基底的徑厚比越大，鍍膜 引起的基板變形越嚴(yán)重，相應(yīng)衍射波面更差。
[0004] 參考文獻(xiàn) chun zhou 等 "Wavefront analysis of high-efficiency， largescale, thin transmission gratings，'Optics Express (2014),為 了減小激光強(qiáng)場(chǎng)作 用下光學(xué)非線性效應(yīng)，透射光柵的基底材料必須很薄，僅為1mm，光柵口徑為180mm,徑厚比 達(dá)到了 180,文中采用鍍制增透膜提高光能利用率，由于鍍制的增透膜存在應(yīng)力，徑厚比太 大，結(jié)果引起基片變形很大，導(dǎo)致光柵衍射波面變差，從而影響輸出激光的像差。
[0005] 因此，有必要考慮對(duì)透射式脈沖壓縮光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以提高其損傷閾值，降 低其衍射像差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的是提供一種透射式脈沖壓縮光柵器件，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高該 器件的損傷閾值；本發(fā)明的另一發(fā)明目的是提供這種脈沖壓縮光柵器件的制備方法。
[0007] 為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種透射式脈沖壓縮光柵器件， 包括熔融石英基板，設(shè)置在所述熔融石英基板的一個(gè)光學(xué)表面上的透射式脈沖壓縮光柵， 光柵空頻范圍800-20001ine/mm，在所述烙融石英基板的另一個(gè)相對(duì)的光學(xué)表面上設(shè)有一 維浮雕型高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)，光柵空頻范圍2500-60001in e/mm。
[0008] 上述技術(shù)方案中，所述高頻增透光柵的光柵空頻/>(?ι 0 + 1)/1，式中，λ為使 用波長(zhǎng)，沒為入射角。
[0009] 上述透射式脈沖壓縮光柵器件的制備方法，采用熔融石英基板，包括下列步驟： (1) 在熔融石英基板的一個(gè)表面上涂布光刻膠，利用全息記錄方法，將待制備的透射式 脈沖壓縮光柵的圖像在光刻膠上曝光，顯影后制作獲得脈沖壓縮光柵的光刻膠掩模； (2) 用離子刻蝕方法將脈沖壓縮光柵的光刻膠掩模的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熔融石英基板上， 清除剩余的光刻膠掩模，獲得具有脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)的熔融石英基板； (3) 在步驟（2)獲得的具有脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)的熔融石英基板的另一個(gè)表面上涂布 光刻膠，利用全息記錄方法，制作高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)的光刻膠掩模； (4) 用離子刻蝕方法將高頻增透光柵的光刻膠掩模微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熔石英基板上，清除 剩余光刻膠掩模，獲得所需的透射式脈沖壓縮光柵器件。
[0010] 上述技術(shù)方案中，所述脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)根據(jù)使用波長(zhǎng)范圍和光束在光柵表面 入射角度設(shè)計(jì)光柵周期、槽深和占空比，實(shí)現(xiàn)激光光束一級(jí)透射衍射色散；所述高頻增透光 柵微結(jié)構(gòu)根據(jù)使用波長(zhǎng)范圍和光束在光柵表面入射角度設(shè)計(jì)光柵周期、槽深和占空比，實(shí) 現(xiàn)零級(jí)透射衍射光束增透。
[0011] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明在烙融石英基材上，一個(gè)光學(xué)表面刻蝕石英透射脈沖壓縮光柵用于實(shí)現(xiàn)激光光 束一級(jí)透射衍射色散，另一個(gè)光學(xué)表面制作石英高頻透射光柵用于實(shí)現(xiàn)零級(jí)透射衍射光束 增透，利用高頻透射光柵替代傳統(tǒng)的增透膜，兩種光柵集成在同一熔石英基底上，不僅能提 高脈沖壓縮光柵激光光能利用率，由于制作的高頻透射光柵沒有內(nèi)應(yīng)力，不會(huì)導(dǎo)致光柵衍 射波面變差。熔融石英材料的激光損傷閾值很高，利用其制作高頻透射光柵其抗激光損傷 能力優(yōu)于傳統(tǒng)的鍍制的增透膜，實(shí)現(xiàn)了提高光柵器件激光損傷閾值的目的，且不會(huì)出現(xiàn)脫 膜和膜裂現(xiàn)象。因此，本發(fā)明在超強(qiáng)超快激光領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例的制備方法使用的全息記錄光路示意圖； 圖2是實(shí)施例中的透射式脈沖壓縮光柵器件的示意圖； 圖3是實(shí)施例中透射式脈沖壓縮光柵一級(jí)透射衍射效率圖； 圖4是實(shí)施例中高頻增透光柵零級(jí)透射效率圖； 圖5是12501ine/mm脈沖壓縮光柵電鏡照片； 圖6是33001 ine/mm高頻增透光柵電鏡照片。
[0013] 其中：1、熔融石英基板；2、透射式脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)；3、高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)； 4、入射激光束；5、-1級(jí)衍射光束；6、零級(jí)透射光束。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述： 實(shí)施例一：參見附圖2所示，一種透射式脈沖壓縮光柵器件，包括熔融石英基板1，在所 述熔融石英基板1的一個(gè)光學(xué)表面上設(shè)有透射式脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)2,在所述熔融石英 基板1的另一個(gè)相對(duì)的光學(xué)表面上設(shè)有高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)3。其電鏡照片參見附圖5和 附圖6所示。
[0015] 本實(shí)施例中，脈沖壓縮光柵的使用波長(zhǎng)范圍為700nm-900nm，TE偏振，中心波長(zhǎng) 800nm，光束入射角30度，脈沖壓縮光柵空間頻率為12501ine/mm，光柵材料熔石英。
[0016] 如圖2所示，入射激光束4在透射式脈沖壓縮光柵1處發(fā)生一級(jí)色散透射，形成的 1級(jí)衍射光束5在高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)3處發(fā)生透射，得到零級(jí)透射光束6。
[0017] 透射式脈沖壓縮光柵器件的制備方法，包括下列步驟： 1、根據(jù)使用波長(zhǎng)范圍、光束入射角度、光柵周期，利用電磁場(chǎng)理論設(shè)計(jì)脈沖壓縮光柵微 結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方法為本領(lǐng)域常規(guī)方法。設(shè)計(jì)出光柵槽形以梯形為例，槽深h為1.35um，占 空比為0. 5,光柵的一級(jí)透射衍射效率分布如圖3所示。在熔融石英基板上光學(xué)表面上涂 布光刻膠，利用全息記錄方法，制作脈沖壓縮光柵的光刻膠掩模。全息記錄光路如附圖1所 示。入射光經(jīng)分束器分成兩束，分別由兩個(gè)分光鏡反射，兩束光各自由擴(kuò)束器擴(kuò)束并經(jīng)透鏡 聚焦后，形成兩束記錄光束，兩束記錄光束在光刻膠表面形成干涉圖案，兩束記錄光的入射 角為14. 96度，記錄光波長(zhǎng)413. lnm，經(jīng)全息曝光記錄，顯影，制作出光刻膠光柵掩模。
[0018] 2、用離子刻蝕方法將脈沖壓縮光柵的光刻膠掩模微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熔石英基板上，清 除剩余光刻膠掩模，獲得所需脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
[0019] 3、根據(jù)使用波長(zhǎng)范圍和光束在光柵表面入射角度，利用電磁場(chǎng)理論設(shè)計(jì)光柵的空 間頻率為33001ine/mm，光柵周期為0. 3um，光柵齒微結(jié)構(gòu)形貌以矩形為例(可以是梯形，或 其他形狀)，槽深h=175nm，占空比0· 4,高頻光柵透射效率見圖4,在700nm-900nm波段范圍 內(nèi)光柵反射損失小于0. 3%，增透效果非常明顯。在步驟2的光柵基板下光學(xué)表面上涂布光 刻膠，利用全息記錄方法，兩束記錄光的入射角為42. 97度，經(jīng)曝光，顯影，制作高頻增透光 柵的光刻膠掩模。
[0020] 4、用離子刻蝕方法將高頻增透光柵的光刻膠掩模微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熔石英基板上，清 除剩余光刻膠掩模，獲得所需純石英高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)，見圖5。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明光柵 的增透效率大于99. 8%(@808nm)。
【權(quán)利要求】
1. 一種透射式脈沖壓縮光柵器件，包括熔融石英基板，設(shè)置在所述熔融石英基板的一 個(gè)光學(xué)表面上的透射式脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)，光柵空頻范圍800-20001ine/mm，其特征在 于：在所述熔融石英基板的另一個(gè)相對(duì)的光學(xué)表面上設(shè)有一維浮雕型高頻增透光柵微結(jié) 構(gòu)，光柵空頻范圍2500-60001ine/mm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式脈沖壓縮光柵器件，其特征在于：所述高頻增透光柵 的光柵空頻/>細(xì)3 + 1)1,式中，λ為使用波長(zhǎng)，0為入射角。
3. 權(quán)利要求1所述的透射式脈沖壓縮光柵器件的制備方法，采用熔融石英基板，其特 征在于，包括下列步驟： (1) 在熔融石英基板的一個(gè)表面上涂布光刻膠，利用全息記錄方法，將待制備的透射式 脈沖壓縮光柵的圖像在光刻膠上曝光，顯影后制作獲得脈沖壓縮光柵的光刻膠掩模； (2) 用離子刻蝕方法將脈沖壓縮光柵的光刻膠掩模的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熔融石英基板上， 清除剩余的光刻膠掩模，獲得具有脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)的熔融石英基板； (3) 在步驟（2)獲得的具有脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)的熔融石英基板的另一個(gè)表面上涂布 光刻膠，利用全息記錄方法，制作高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)的光刻膠掩模； (4) 用離子刻蝕方法將高頻增透光柵的光刻膠掩模微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熔石英基板上，清除 剩余光刻膠掩模，獲得所需的透射式脈沖壓縮光柵器件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述脈沖壓縮光柵微結(jié)構(gòu)根據(jù)使用 波長(zhǎng)范圍和光束在光柵表面入射角度，利用電磁場(chǎng)理論設(shè)計(jì)光柵周期、槽深和占空比，實(shí)現(xiàn) 激光光束一級(jí)透射衍射色散；所述高頻增透光柵微結(jié)構(gòu)根據(jù)使用波長(zhǎng)范圍和光束在光柵表 面入射角度設(shè)計(jì)光柵周期、槽深和占空比，實(shí)現(xiàn)零級(jí)透射衍射光束增透。
【文檔編號(hào)】G02B5/18GK104155709SQ201410414212
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】李朝明, 陳新榮, 吳建宏, 潘君驊, 胡祖元, 李林, 劉麟躍, 常增虎 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)