新型混合金属介电反射光栅的模式理论及实验研究

It is well known that, the traditional metal gratings can realize high diffraction efficiency in a wide spectrum because of the high reflectivity of the metal material. However, the laser damage threshold of the metal gratings is very low due to the absorption. Though the multilayer dielectric gratings exhibit high laser damage threshold, the spectral bandwidth of such gratings is very narrow and the possibility of crazing in the vacuum environment increases with the numbers of layers. Therefore, neither the metal gratings nor the multilayer dielectric gratings can satisfy the needs of wideband and high laser damage threshold diffraction gratings. Here, we propose a novel mixed metal dielectric gratings by combining the advantages of wide spectrum of the metal and the high damage threshold of the dielectric film. The overall properties of such device will be greatly improved compared to their counterparts, respectively. Theoretically, a simplified modal method analysis of such mixed metal-dielectric gratings is presented, and the reasons for the broadband diffraction properties are also revealed. So, such analysis can function as a guideline for the design of the mixed metal-dielectric gratings. For device fabrications, we will experimentally optimize the film deposition and photolithography process, which pave the way for its potentials in various applications, such as ultra-short ultra-intense lasers, high power broadband semiconductor laser wavelength beam-combining system, and so on.

传统的金属光栅利用金属膜的宽光谱高反射率特性可以实现宽光谱范围内的高衍射效率，然而金属的吸收导致其激光损伤阈值较低；多层介质膜光栅的激光损伤阈值很高，但其光谱带宽却很窄而且随着膜层的增多其在真空使用环境下很容易出现裂纹。因此，无论是金属光栅还是多层介质膜光栅均无法满足未来对宽光谱、高激光损伤阈值衍射光栅的需求。本项目拟将金属层的宽光谱和介质层的高损伤阈值的优点结合起来，研究一种综合性能相比于单纯的金属光栅和多层介质膜光栅有了很大的提高的新型混合金属介电光栅。在理论研究方面，基于简化模式理论建立一套较为完善的分析混合金属介电反射光栅的方法，揭示其获得宽光谱衍射的物理本质，并给出设计金属介电反射光栅的基本指导原则；在器件制备方面，实验探索出成熟的金属介电光栅的镀膜工艺、光刻工艺，为未来器件在超短超强脉冲激光及宽光谱半导体激光波长合束等高功率激光系统中的应用奠定基础。

传统的金属光栅利用金属膜的宽光谱高反射率特性可以实现宽光谱范围内的高衍射效率，然而金属的吸收导致其激光损伤阈值较低；多层介质膜光栅的激光损伤阈值很高，但其光谱带宽却很窄而且随着膜层的增多其在真空使用环境下很容易出现裂纹。因此，无论是金属光栅还是多层介质膜光栅均无法满足未来对宽光谱、高激光损伤阈值衍射光栅的需求。本项目将金属层的宽光谱和介质层的高损伤阈值的优点结合起来，研究了一种综合性能相比于单纯的金属光栅和多层介质膜光栅有了很大的提高的新型混合金属介电光栅。在金属介电反射镜研究方面，首先分析了不同的介质膜结构对光栅衍射效率、反射带宽和电场分布的影响，结果表明多层介质膜的折射率和层数对光栅性能具有重要的影响，介质膜折射率越高、层数越少，则光栅光谱带宽越宽、金属内的电场越强，因此导致光栅的损伤阈值较低；反之，反射镜的反射带宽越窄、金属内部的电场强度也越低，有利于光栅损伤阈值的提升。因此，选择合适的介质膜折射率和层数对平衡光谱带宽和损伤阈值至关重要。在金属介电光栅的理论研究方面，基于简化模式理论建立了一套较为完善的分析混合金属介电反射光栅的方法，揭示了其获得宽光谱衍射的物理本质，给出了设计金属介电反射光栅的基本指导原则。在此基础上，我们还优化设计了一系列宽带、高衍射效率、低电场增强的类子弹槽形偏振无关合束光栅。在器件制备方面，解决了在高反射率衬底上制作光栅时因驻波效应导致的光栅对比度下降和线条失真问题，实验制作了一系列不同尺寸的金属介电光栅器件。此外，以此项目为牵引我们还实验制作了一系列的宽带、高衍射效率偏振无关全介质光谱合束光栅，光栅的实测衍射效率在50nm带宽内高于95%。总之，本项目取得的理论及实验结果为未来器件在超短超强脉冲激光及高功率激光波长合束等系统中的应用奠定了基础。