激光合束用偏振无关光栅的制作方法

Grating based spectral beam combining is one of the most researched techniques to attain high output power of fiber lasers. As the output power of a fiber laser increases the polarization property of the output beam deteriorates (depolarization or unstable polarization). To avoid loss of overall device efficiency and thereby-induced laser damage to the grating, a beam combining grating should have high diffraction efficiencies for all possible input polarizations. This type of gratings is referred to as polarization independent gratings. It has very stringent fabrication tolerances. To date its detailed fabrication methods have never been reported in the open literature. Duty cycle and groove depth are the two key parameters of a polarization independent grating. They are principally set in the photoresist development and ion-beam etching processes, respectively. To control duty cycle accurately we propose to monitor TE and TM diffraction efficiencies or their ratio during photoresist development, reducing the influences of photoresist thickness and exposure dosage non-uniformities. To control groove depth accurately we propose to monitor TE and TM diffraction efficiencies during ion-beam etching, reducing the influence of uncertainty of etch rate ratio. Our goal is to fabricate some polarization independent, high diffraction efficiency and laser damage threshold gratings and test the gratings in laser beam combining experiments.

利用光栅实现光谱合束是目前被最为广泛研究的获得更高功率光纤激光输出的技术之一。光纤激光随着输出功率的增加其偏振特性会明显退化，为避免合束效率的下降和由此导致的光栅损伤，需要合束光栅对不同的偏振态均有尽可能高的衍射效率。这种光栅被称为偏振无关光栅。该光栅的制作容差要求非常苛刻，目前尚未见制作方法的详细报道。偏振无关光栅的占宽比和槽深是两个关键参数，分别由显影过程和离子束刻蚀过程控制。在占宽比控制方面，提出在显影过程中监测TE和TM衍射效率及两者之比来精确控制光栅掩模的占宽比，尽可能排除光刻胶厚度不同或者曝光量不同给占宽比控制带来的影响；在槽深控制方面，提出在刻蚀过程中监测TE和TM衍射效率变化来精确控制光栅的刻蚀深度，尽可能排除刻蚀速率比测量不准导致的槽深误差。最终制作出满足设计要求的偏振无关光栅，并在光谱合束实验中使用。

高功率激光系统在国防和工业等领域有非常重要的应用，在单束激光功率一定的前提下，将多束激光合束输出，将有助于提高总的激光输出功率。光谱合束是目前应用最广的合束方法。光谱合束系统中，合束光栅是关键的合束元件。针对光纤激光合束，需要使用非偏光栅，由于要求对TE和TM偏振同时有高衍射效率，设计和制作难度都非常大。.本项目研究非偏光栅的制作工艺，特别关注制作过程中对槽形的精确控制，以及对高反膜上光刻胶掩模槽形的精确无损检测。考虑到光栅是一种各向异性元件，用同一衍射级次TM偏振和TE偏振衍射效率之比，来控制或者反演掩模槽形，有助于抑制共模噪声。基于这一思路，我们提出实时控制光刻胶掩模占宽比，和离线测量掩模槽形的方法。.在光栅槽形控制方面，提出通过显影监测同一衍射级次的TM偏振光衍射效率和TE偏振光衍射效率的比值，来更准确的控制掩模占宽比的方法。其特点是通过优化寻找强烈依赖于占宽比，而不是槽深的测量条件，抑制测量系统中的多种共模噪声，提高掩模占宽比控制精度。在光栅槽形无损检测方面，提出一种测量多层介质膜上的光刻胶掩模槽形的方法。该方法的特点是同时考虑镀膜误差以及测量条件的正交性，通过在槽形可能的取值范围内优化测量条件，可大幅降低由镀膜误差导致的槽形反演误差。.我们通过显影监测和刻蚀监测，分别精确控制光刻胶掩模占宽比和刻蚀深度。最终制作的非偏光栅周期达到769.2 nm，在1050 nm - 1080 nm波段内，TE和TM两种偏振态衍射效率均高于96.5%，最高达到98.5%；TE和TM偏振态平均衍射效率均高于97%，最高达到98%。