專利名稱：寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光柵，特別是一種寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵及其設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
基于啁啾脈沖放大技術(shù)的高功率超短脈沖激光器在激光加工和研究光與物質(zhì)相 互作用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求。全介質(zhì)多層膜光柵作為啁啾脈沖放大技術(shù)的核心元 件，具有高衍射效率、高抗激光破壞能力的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于提高脈沖激光系統(tǒng)的輸出功率，延 長(zhǎng)激光系統(tǒng)使用壽命都非常有利。隨著激光脈沖寬度的不斷變窄，光譜寬度就隨之拓寬，比 如脈寬達(dá)到飛秒級(jí)別，對(duì)應(yīng)的光譜寬度可超過lOOnm，那么，也就要求用于脈沖壓縮和展開 的光柵能在這么寬的入射波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供高的衍射效率。然而，已報(bào)道的關(guān)于全介質(zhì)多層膜光柵設(shè)計(jì)與制備的研究基本上是針對(duì)應(yīng)用于納 秒級(jí)脈沖激光器，通常只關(guān)注該類光柵對(duì)中心波長(zhǎng)的衍射效率。這些全介質(zhì)多層膜光柵衍 射光譜帶寬都不是很寬，一般不超過40nm，那么，發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜光柵是有強(qiáng)烈的應(yīng) 用需求的。多層介質(zhì)膜光柵的基本結(jié)構(gòu)是在介質(zhì)基底上鍍制由高低折射率材料交替組成的 多層介質(zhì)膜堆，在膜堆的最頂層膜層上刻蝕了周期性的光柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)多層介質(zhì)膜光柵的 工作原理，其結(jié)構(gòu)可以看成如下兩個(gè)部分基底之上的多層介質(zhì)高反膜(不包括最頂層)和 頂層周期性光柵結(jié)構(gòu)。頂層膜在被刻蝕成光柵結(jié)構(gòu)時(shí)一般有一定的剩余厚度。通常設(shè)計(jì)用于脈沖寬度在納秒級(jí)的全介質(zhì)膜光柵，因?yàn)閷?duì)其衍射帶寬沒有要求， 所以可以采用局域優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)的反射衍射-1級(jí)具有接近100%衍射效率 的結(jié)果。其具體設(shè)計(jì)方法是選擇兩個(gè)光柵參數(shù)，如光柵占空比和頂層刻蝕深度，計(jì)算他們的 變化對(duì)中心波長(zhǎng)的反射衍射-1級(jí)效率的影響，然后通過比較幾對(duì)光柵參數(shù)對(duì)衍射效率的 影響，便可以獲得中心波長(zhǎng)在反射衍射-1級(jí)具有最高衍射效率的光柵參數(shù)了。但是，局域 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并不能給出光柵衍射譜的信息，而且得到的參數(shù)往往不能獲得光柵的寬衍射 光譜特性。另外，有研究單位采用金屬膜結(jié)合介質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)在寬光譜范圍內(nèi)具有較高衍射效率 的脈沖壓縮光柵。但由于金屬材料的引入，金屬材料固有的吸收特性將一定程度限制了該 類光柵的抗激光破壞能力。而且，長(zhǎng)期使用后會(huì)因?yàn)榻饘俨牧衔展饽馨l(fā)生熱形變，從而可 能破壞光束的波前。通過以上分析，一種在寬光譜范圍內(nèi)具有高衍射效率的全介質(zhì)多層膜光柵具有實(shí) 際需求，并且，提供一種新的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)該光柵也是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵及其設(shè)計(jì)方法，該寬帶 全介質(zhì)多層膜光柵具有超過IOOnm光譜帶寬內(nèi)TE偏振光入射時(shí)在反射衍射-1級(jí)方向上具 有衍射效率超過97. 5%的全介質(zhì)多層膜光柵，其工作中心波長(zhǎng)為800nm。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明的技術(shù)將解決方案如下 一種寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵，包括基底，由高折射率材料和低折射率材 料周期交替的高反膜層和光柵層，其特點(diǎn)是在所述的基底之上依次是由高折射率材料和 低折射率材料周期性交替的高反膜層和光柵層之間還有匹配層和剩余膜層，所述的匹配層 的材料折射率與所述的高反膜層中的低折率材料相同，所述的光柵層和刻蝕剩余膜層的材 料折射率低于所述的高折射率材料的折射率，所述的光柵層的周期、占空比、刻蝕深度、剩 余膜層的厚度、匹配層的厚度和用于高反膜層制備的控制波長(zhǎng)的取值是關(guān)聯(lián)的并通過多參 數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)來確定。所述的高反膜層的高折射率膜層材料為TiO2或Ta2O5，低折射率膜層材料為SiO2, 每一膜層的光學(xué)厚度為四分之一參考波長(zhǎng)，所述的匹配層的材料為Si02。所述的光柵層和刻蝕剩余膜層的材料為Hf02。所述的高反膜層中高折射率膜層和低折射率膜層的交替重復(fù)次數(shù)不小于9次。一種寬光譜全介質(zhì)多層膜光柵的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括下列步驟①選定高反膜中高折射率膜層、低折射率膜層和匹配層的折射率，光柵層以及剩 余膜層的材料折射率，設(shè)定光柵的使用角度，并設(shè)定優(yōu)化的波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)間隔；②選擇參與優(yōu)化的光柵參數(shù)包括光柵的周期、占空比、光柵層厚度、頂層剩余厚 度、匹配層厚度和用于控制高反膜中膜層厚度的參考波長(zhǎng)，并設(shè)定每個(gè)參與優(yōu)化的光柵參 數(shù)的初始值，最小取值和最大取值；③采用傅立葉模式理論中光柵衍射效率，確定評(píng)價(jià)函數(shù)為所需設(shè)計(jì)波長(zhǎng)帶寬內(nèi)選 出的每個(gè)波長(zhǎng)的反射衍射的-1級(jí)衍射效率與目標(biāo)衍射效率的均方差值，評(píng)價(jià)函數(shù)為 其中其中=TZfi1 (Λ)是每一組光柵參數(shù)對(duì)應(yīng)入射波長(zhǎng)Xi的反射衍射的-1級(jí)衍射效 率，優(yōu)化目標(biāo)衍射效率設(shè)定為100%，N為選擇計(jì)算的入射波長(zhǎng)數(shù)量；④計(jì)算每組光柵參數(shù)的評(píng)價(jià)函數(shù)值；⑤判斷評(píng)價(jià)函數(shù)值是否滿足要求，如果滿足要求，停止優(yōu)化設(shè)計(jì)；⑥如果沒有滿足要求，改變參與優(yōu)化的光柵參數(shù)的數(shù)值，重復(fù)步驟④和⑤；⑦直到評(píng)價(jià)函數(shù)滿足要求。以往的多層介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)只包括兩種折射率不同的材料。本發(fā)明中采用了三 種不同折射率的材料，由折射率最大的高折射率材料和低折射率材料組成光柵底部的高反 膜，而用于刻蝕光柵結(jié)構(gòu)的頂部膜層采用了折射率相對(duì)較低的高折射率材料。對(duì)于高反膜來說，要求為光柵提供超過200nm帶寬內(nèi)反射率超過99 %，這可以通 過擴(kuò)大不同材料的折射率差值，獲得了更寬的反射帶寬。本發(fā)明中高反膜的高折射率材料 可以選擇Ti02、Ta2O5等，低折射率材料為SiO2,各膜層的光學(xué)厚度為四分之一參考波長(zhǎng)。對(duì)于頂層用于刻蝕光柵的膜層，該層采用了折射率相對(duì)較低的高折射率材料 HfO20材料HfO2的使用有利于減弱對(duì)入射光的調(diào)制，使得在寬光譜范圍內(nèi)光柵的反射衍 射-1級(jí)高衍射效率的條件得到滿足，從而實(shí)現(xiàn)寬的衍射帶寬；另外，由于HfO2的電子能級(jí) 帶寬比Ti02、Ta205等材料的電子能級(jí)帶寬大，這對(duì)提高光柵的抗激光破壞能力是有利的。頂 層用于刻蝕光柵的膜層在刻蝕一定厚度光柵結(jié)構(gòu)后需要有一定厚度的剩余，這樣可以保護(hù)匹配層不被刻蝕。在高反膜的頂層和用于刻蝕光柵結(jié)構(gòu)的膜層之間引入了一層匹配層，其材料為 SiO2,該層厚度需要根據(jù)參照其它光柵參數(shù)而確定。在優(yōu)化時(shí)設(shè)定的匹配層厚度取值范圍 為IOnm到400nm。匹配層的引入確保光柵的反射衍射_1級(jí)高衍射效率的條件能在寬光譜 范圍內(nèi)得到滿足。
本發(fā)明提出了一種多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過選擇多個(gè)光柵參數(shù)，設(shè)定各個(gè)參數(shù) 的初始值，最小值和最大值，計(jì)算各組參數(shù)下光柵各波長(zhǎng)的衍射效率，然后計(jì)算優(yōu)化評(píng)價(jià)函 數(shù)，根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)值確定繼續(xù)優(yōu)化或優(yōu)化完成。當(dāng)評(píng)價(jià)函數(shù)值滿足要求時(shí)，得到的光柵參數(shù) 為所需的設(shè)計(jì)結(jié)果。根據(jù)上述光柵結(jié)構(gòu)模型，具體參與優(yōu)化的光柵參數(shù)及其選擇依據(jù)如下1、頂層刻蝕的光柵起伏結(jié)構(gòu)中，光柵的周期、占空比、光柵層厚度和頂層剩余厚度 對(duì)光柵的衍射效率和帶寬都是有影響的。所以優(yōu)化時(shí)包含了這四個(gè)變量。2、多層介質(zhì)膜光柵底部的高反膜需要將入射在光柵表面的透射衍射0級(jí)和-1級(jí) 方向光束能量全部反射回光柵表面，而且需要有一定的反射帶寬，該反射帶寬的中心波長(zhǎng) 與光柵最終的衍射帶寬中心波長(zhǎng)接近。為了便于多層膜的制備，本發(fā)明的多層介質(zhì)高反膜 采用了規(guī)整的高低折射率材料的周期性交替結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)膜系的重復(fù)次數(shù)為9到12次。本發(fā) 明中通過改變控制膜層厚度的參考波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)光柵所需的反射效率和帶寬，所以在優(yōu)化過 程中包含了參考波長(zhǎng)這個(gè)變量。3、在本發(fā)明中，在多層介質(zhì)膜光柵底部的高反膜和頂部用于刻蝕光柵的膜層之間 引入了一層匹配層。由于高反膜的最上面一層和用于刻蝕光柵結(jié)構(gòu)的膜層都是由高折射率 材料構(gòu)成，所以匹配層選用了低折射率材料。匹配層的引入可以使得光柵的-ι級(jí)高衍射效 率條件在更寬的光譜范圍內(nèi)得到滿足。綜合以上分析，本發(fā)明采用的多參量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法中，包含了光柵的周期、占空 比、刻蝕深度、頂層剩余厚度、匹配層厚度和高反膜的控制波長(zhǎng)六個(gè)變量。根據(jù)光柵使用條件或者光柵的制備工藝條件，各參數(shù)的取值范圍如下1、光柵周期的取值范圍的選擇需要確保光束在工作角度入射時(shí)，其-1級(jí)衍射角 小于入射角，同時(shí)確保只能有0級(jí)和-1級(jí)兩個(gè)衍射級(jí)次。光柵周期具體取值范圍需考慮實(shí) 際使用條件，根據(jù)光柵方程來確定。2、根據(jù)現(xiàn)成熟的光柵制備工藝，占空比取值的上下限分別為0. 5和0. 25。3、光柵層厚度取值越大，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果制備難度越大，所以光柵層厚度最大值 不超過500nm，其最小值需要大于0。4、頂層剩余厚度和光柵層厚度之和為頂層膜層總厚度。由于單層膜厚度越厚，在 膜層制備及其內(nèi)部應(yīng)力控制上困難越大，所以頂層剩余厚度的取值上限不宜太大，一般不 超過300nm。頂層剩余厚度的最小值一定要大于0，這樣刻蝕過程中對(duì)匹配層有保護(hù)作用。5、匹配層的最大取值不超過300nm，最小值必須大于0。6、高反膜各層厚度的控制波長(zhǎng)取值范圍的選取也是根據(jù)具體基礎(chǔ)膜系和使用條 件來確定的，選定的取值范圍內(nèi)需確保能優(yōu)化出在使用條件下能提供大于99%的反射率的 高反膜。上述光柵參數(shù)的初始值為對(duì)應(yīng)各參數(shù)最大值和最小值之間的任意一個(gè)值。
本發(fā)明采用傅立葉模式理論光柵衍射效率。根據(jù)文獻(xiàn)[1](參見 L. Li, “ Multilayer modal method for diffraction gratings of arbitrary profile, depth, and permittivity, “ J. Opt. Soc. Am. A 10,2581-2591(1993)]中對(duì)傅立葉模式理 論計(jì)算算法的闡述，在每一分層結(jié)構(gòu)中，電磁場(chǎng)滿足麥克斯韋方程組。光柵結(jié)構(gòu)具有周期 性，結(jié)合本發(fā)明中光柵實(shí)際使用情況，每一層的電場(chǎng)E和磁磁場(chǎng)H的基本場(chǎng)用傅立葉模級(jí)數(shù) 展開為 其中m代表傅立葉模級(jí)數(shù)的級(jí)次，也對(duì)應(yīng)了光柵的衍射級(jí)次，取值m = 0、士 1、 士 2···;0 = ε =η2，η是材料折射率；αω= α(1+π1λ/Λ，λ是入射波長(zhǎng)，Λ是光柵的周 期，C^ = sin θ，θ是入射角度；Ictl = 2 π / λ，表示入射波數(shù)；h是該層的厚度；i是虛數(shù)單 位；Y為待求的電磁場(chǎng)方程的本征值。對(duì)于光柵周期性結(jié)構(gòu)層，光柵脊和光柵槽的材料折射率不一樣，在兩種材料邊界 處介電常數(shù)張量元是不連續(xù)的，直接展開會(huì)引起數(shù)值計(jì)算的不收斂，需要對(duì)其進(jìn)行傅立葉 逆變換。介電常數(shù)張量元的傅立葉逆變換計(jì)算公式為 其中ρ、q表示計(jì)算結(jié)果在張量中對(duì)應(yīng)的行和列，、、ε g分別光柵脊和光柵槽材 料介電常數(shù)，數(shù)值等于各自材料折射率的平方；f為光柵脊的寬度。通過公式(1)結(jié)合公式⑵就可以對(duì)光柵各層的電磁場(chǎng)進(jìn)行傅立葉展開，得到了 各層電磁場(chǎng)聯(lián)立的本征方程 其中A表示本征方程的系數(shù)矩陣，其包含的每一個(gè)量都可以通過公式(1)結(jié)合公 式(2)得出。計(jì)算本征方程(3)可以求出本征值Y和本征矢矩陣W。根據(jù)本征值γ和本 征矢矩陣W就可以完全確定各層的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度 其中，u和d分別為反射波和透射波的振幅，其數(shù)值是根據(jù)電磁場(chǎng)在邊界處連續(xù)條 件而確定的。最低一層反射波振幅為0，采用反射透射系數(shù)陣遞推算法推出各個(gè)級(jí)次的反射 衍射電場(chǎng)強(qiáng)度^^和磁場(chǎng)強(qiáng)度<，以及透射衍射電場(chǎng)強(qiáng)度<和磁場(chǎng)強(qiáng)度^。從而求出各級(jí) 的反射衍射效率和透射衍射效率 (5) 其中，Re表示取實(shí)部，*表示取共軛。本發(fā)明中關(guān)注的是-1級(jí)反射衍射效率，即
可以看出計(jì)算光柵衍射效率時(shí)，涉及到入射介質(zhì)折射率，光柵脊、光柵槽、頂層刻 蝕剩余厚度層、匹配層、高反膜中各膜層的厚度和材料折射率，基底折射率，光柵層中光柵 結(jié)構(gòu)的周期和光柵脊的寬度，另外，還包括光柵的使用波長(zhǎng)和使用角度。以上參數(shù)中，各個(gè) 材料的折射率是根據(jù)材料的選定而確定的，使用波長(zhǎng)和使用角度是由實(shí)際應(yīng)用需求確定 的，在具體光柵設(shè)計(jì)時(shí)，這些參量是固定的，不參與優(yōu)化。那么剩下參量就是我們之前選定 光柵參數(shù)，或者能用選定的參數(shù)表示。通過以上分析，可以看出光柵衍射效率與選定參與優(yōu)化的六個(gè)變量密切相關(guān)，也 就是隨著這六個(gè)變量取值的變化，光柵的衍射效率也不同。本發(fā)明的多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 就是計(jì)算了六個(gè)變量取不同值時(shí)的光柵衍射效率，再評(píng)價(jià)具有該光柵參數(shù)的光柵的衍射特 性是否能滿足要求，如果滿足就完成了設(shè)計(jì)；如果不滿足則優(yōu)化各參數(shù)的值，再計(jì)算光柵衍 射效率，評(píng)價(jià)其特性，直到滿足要求完成設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)函數(shù)MF是一個(gè)均方根函數(shù) 其中/^μ,)是每一組光柵參數(shù)對(duì)應(yīng)入射波長(zhǎng)λ i的反射衍射-1級(jí)效率。優(yōu)化目 標(biāo)衍射效率設(shè)定為100%。N為選擇計(jì)算的入射波長(zhǎng)數(shù)量，比如設(shè)計(jì)一個(gè)750nm到850nm波 長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高衍射效率的全介質(zhì)膜光柵，選擇波長(zhǎng)間隔為5nm，那么N就等于21。評(píng)價(jià)函 數(shù)MF的數(shù)值越小，參與計(jì)算所有波長(zhǎng)的衍射效率越接近100%，具體判斷評(píng)價(jià)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn) 需根據(jù)設(shè)計(jì)的衍射帶寬來確定。根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)MF的數(shù)值不斷進(jìn)化各個(gè)光柵參數(shù)的數(shù)值，直 到MF的值滿足要求。各個(gè)光柵參數(shù)取值的優(yōu)化是采用進(jìn)化算法來完成的，具體的進(jìn)化算法包括模擬退 火算法，粒子群優(yōu)化算法，遺傳算法等等。實(shí)際操作時(shí)可以運(yùn)用matlab優(yōu)化算法工具箱，首 先設(shè)定各個(gè)參數(shù)取值上下限和初始值，評(píng)價(jià)函數(shù)就是調(diào)用公式(6)給出的評(píng)價(jià)函數(shù)程序， 考察評(píng)價(jià)函數(shù)值以確定優(yōu)化是否完成。多參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)步驟如下1、設(shè)定各材料的折射率(包括入射介質(zhì)和基底材料)；2、根據(jù)光柵使用條件設(shè)定使用角度，并設(shè)定參與優(yōu)化的波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)間隔；3、設(shè)定參數(shù)優(yōu)化計(jì)算的光柵參數(shù)(光柵的周期、占空比、刻蝕深度、頂層剩余厚 度、匹配層厚度和高反膜的控制波長(zhǎng))的上下限；并設(shè)定各參數(shù)的初始值；4、采用傅立葉模式理論計(jì)算初始值條件下光柵的衍射效率；5、根據(jù)光柵衍射效率計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值；6、判斷評(píng)價(jià)函數(shù)值，如果滿足要求，完成設(shè)計(jì)；如果不滿足要求，采用進(jìn)化算法更 新各參數(shù)的取值；7、計(jì)算各參數(shù)新取值條件下光柵衍射特性，評(píng)價(jià)函數(shù)值，判定評(píng)價(jià)函數(shù)，直到滿足 要求，完成設(shè)計(jì)
本發(fā)明提供的寬光譜全介質(zhì)多層膜光柵設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示?；诒景l(fā)明提出的寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵結(jié)構(gòu)模型和多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 方法，得到的寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵相比已報(bào)道的同類光柵，其帶寬得到了拓寬。 該光柵可應(yīng)用于更短的脈沖激光系統(tǒng)中。另外相比基于金屬結(jié)合介質(zhì)膜實(shí)現(xiàn)的寬光譜光 柵，本發(fā)明中的光柵采用了全介質(zhì)材料，將能提供更高的抗激光破壞能力。


圖1為本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖2為寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵反射衍射示意圖。圖3為本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵用多層介質(zhì)高反膜的反射光譜。 圖4為本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵的反射衍射-1級(jí)衍射光譜，在 750nm到850nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光柵的平均衍射效率超過97. 5%。圖5為本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵的反射衍射-1級(jí)衍射光譜，在 750nm到850nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光柵的平均衍射效率超過98%。
圖6為本發(fā)明寬光譜全介質(zhì)多層膜光柵設(shè)計(jì)的流程圖。圖中1-光柵層2-刻蝕剩余膜層3-匹配層4-高反膜中的高射率材料膜層5-高 反膜中的低射率材料膜層6-由高折射率材料4和低折射率材料5周期交替組成的高反膜 層 θ r入射角度 θ diff"衍射角度Lin-入射光束L1-I級(jí)衍射光束 XpX^X3-F 同波長(zhǎng)光束Λ -光柵周期f-光柵脊的寬度
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的多層介質(zhì)膜光柵結(jié)構(gòu)模型的剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。底部的高反膜6 部分是由折射率相對(duì)更高的高折射率材料膜層4和低折射率材料膜層5交替而成組合，其 上是匹配層3，匹配層制上是頂層剩余膜層2和光柵層1。圖2是光柵的反射衍射示意圖。首先多層介質(zhì)膜光柵的底部有多層高反膜，這確 保了入射光束(Lin)的能量不會(huì)透射到基底背面，也就是說入射光束能量只能通過反射衍 射形式出射。另外，在脈沖壓縮用的光柵設(shè)計(jì)中，為了確保反射衍射-1級(jí)的能量能達(dá)到接 近100%，一般采用光柵周期小于入射波長(zhǎng)的光柵結(jié)構(gòu)，這樣反射衍射級(jí)次只有0級(jí)和-1 級(jí)。此時(shí)，只要抑制反射衍射0級(jí)方向出射的能量，便可獲得反射衍射-1級(jí)方向的最大能 量輸出。圖2所示所有波長(zhǎng)的反射衍射-1級(jí)衍射角都小于入射角度，這是啁啾脈沖放大系 統(tǒng)中光柵的實(shí)際使用需求。下面結(jié)合中心波長(zhǎng)SOOnm的飛秒脈沖激光用的脈沖壓縮光柵的設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)說 明本發(fā)明的具體優(yōu)化過程。設(shè)計(jì)實(shí)例一光柵使用角度為57度。本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵用的多層介質(zhì)膜 結(jié)構(gòu)為S(HL)9 H M R G A。H和L分別為四分之一參考波長(zhǎng)厚度的高折射率材料膜層和低 折射率材料膜層，HL基本膜系重復(fù)9次；M為匹配層，G和R分別為頂層刻蝕光柵結(jié)構(gòu)層和 本實(shí)例中光柵周期取值為480nm到510nm。占空比取值范圍為0. 25到0. 5。光柵 刻蝕厚度、頂層剩余厚度和匹配層厚度取值的上下限分別為300nm、300nm、300nm和lOnm、 ΙΟηπκΙΟηπι。用于控制高反膜中各膜層厚度的參考波長(zhǎng)取值范圍為SOOnm到880nm。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算了 750nm到850nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的衍射效率，步長(zhǎng)為5nm。計(jì)算各組 光柵參數(shù)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)函數(shù)MF值。光柵各組參數(shù)的進(jìn)化是采用了模擬退火算算法優(yōu)化獲得 的。評(píng)價(jià)函數(shù)越小越好，經(jīng)過多次優(yōu)化得到了最小的評(píng)價(jià)函數(shù)值為2. 4518，對(duì)應(yīng)的光柵周期 為510nm，占空比為0. 25。光柵刻蝕厚度、頂層剩余厚度和匹配層厚度分別為193nm，IOnm, 39nm。參考波長(zhǎng)為856nm。圖3為多層介質(zhì)高反膜在參考波長(zhǎng)為856nm時(shí)的反射譜。對(duì)應(yīng)的高折射率率材料 Ta2O5膜層厚度為100. 9nm，低折射率材料SiO2膜層厚度為146. 6nm。圖中實(shí)線為所有波長(zhǎng) 以相同入射角度57度入射到高反膜的反射譜，該反射帶是高反膜為光柵O級(jí)衍射提供的反 射譜。圖中虛線為各個(gè)波長(zhǎng)以衍射-1級(jí)角度入射時(shí)高反膜的反射譜，該譜線帶寬確定光柵 最終衍射帶寬。各波長(zhǎng)的-1級(jí)衍射角可以根據(jù)光柵衍射方程計(jì)算得出A (sin θ j+sin θ diff) = - λ(2)其中Λ為光柵周期，在本實(shí)例中取510nm ； λ為入射波長(zhǎng)；θ i和θ diff分別為入 射角和衍射角。圖4為寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵的寬帶衍射譜。衍射效率超過97. 5%的 帶寬超過lOOnm，其中心波長(zhǎng)為800nm。這證明了本發(fā)明提出了設(shè)計(jì)方法是有效可行的。另 外可以看出該衍射帶寬與多層高反膜為光柵的-1級(jí)衍射提供的反射帶寬(圖3中虛線表 示)接近，這也說明本發(fā)明中的多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法充分應(yīng)用了多層反射膜的帶寬。設(shè)計(jì)實(shí)例二 光柵結(jié)構(gòu)和使用條件與設(shè)計(jì)實(shí)例一相同，將設(shè)計(jì)實(shí)例一中的Ta2O5替換成TiO2 (折 射率為2. 31)，其它材料不變。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)各參數(shù)取值范圍、優(yōu)化步驟也和設(shè)計(jì)實(shí)例一一致。 經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最小評(píng)級(jí)函數(shù)值為1. 4358，對(duì)應(yīng)的光柵周期為510nm，占空比為 0.25。光柵刻蝕厚度、頂層剩余厚度和匹配層厚度分別為210nm，llnm，18nm。參考波長(zhǎng)為 834nm。圖4為本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵的寬帶衍射譜。以SOOnm為中心波 長(zhǎng)，光柵的衍射效率超過98%的帶寬超過lOOnm。通過比較兩個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，還可以看出提高高反膜中高折射率材料的折射率，有利 于提高光柵的衍射帶寬和衍射效率。綜合以上的詳細(xì)分析和實(shí)例論證，本發(fā)明提出了寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，有效的設(shè)計(jì)了寬光譜全介質(zhì)膜光柵，實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵在TE偏振光入射時(shí)在反射衍射-1級(jí)方向超過IOOnm寬光譜帶寬內(nèi)衍射效率高于97. 5%。
權(quán)利要求
一種寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵，包括基底，由高折射率材料(4)和低折射率材料(5)周期交替的高反膜層(6)和光柵層(1)，其特征是在所述的高反膜層(6)和光柵層(1)之間還有匹配層(3)和剩余膜層(2)，所述的匹配層(3)的材料折射率與所述的高反膜層(6)中的低折率材料相同，所述的光柵層(1)和刻蝕剩余膜層(2)的材料折射率低于所述的高折射率材料(4)的折射率，所述的光柵層(1)的周期、占空比、刻蝕深度、剩余膜層(2)的厚度、匹配層的厚度和用于高反膜層(6)制備的控制波長(zhǎng)的取值是關(guān)聯(lián)的并通過多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)來確定。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵，其特征在于所述的高反膜層 (6)的高折射率膜層⑷材料為TiO2或Ta2O5，低折射率膜層(5)材料為SiO2，每一膜層的 光學(xué)厚度為四分之一參考波長(zhǎng)，所述的匹配層(3)的材料為Si02。
3.如權(quán)利要求2所述的寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵，其特征在于所述的光柵層 (1)和刻蝕剩余膜層(2)的材料為Η 2。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵，其特征在于所述的高反膜層 (6)中高折射率膜層⑷和低折射率膜層(5)的交替重復(fù)次數(shù)不小于9次。
5.一種寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括下列步驟①選定高反膜(6)中高折射率膜層⑷和低折射率膜層(5)，匹配層(3)的折射率，光 柵層(1)以及剩余膜層(2)的材料折射率，設(shè)定光柵的使用角度，并設(shè)定優(yōu)化的波長(zhǎng)范圍和 波長(zhǎng)間隔；②選擇參與優(yōu)化的光柵參數(shù)包括光柵的周期(Λ)、占空比(f/Λ)、光柵層厚度、頂層 剩余厚度、匹配層厚度和用于控制高反膜中膜層厚度的參考波長(zhǎng)，并設(shè)定每個(gè)參與優(yōu)化的 光柵參數(shù)的初始值，最小取值和最大取值；③采用傅立葉模式理論中光柵衍射效率，確定評(píng)價(jià)函數(shù)為所需設(shè)計(jì)波長(zhǎng)帶寬內(nèi)選出的 每個(gè)波長(zhǎng)的反射衍射的-1級(jí)衍射效率與目標(biāo)衍射效率的均方差值，評(píng)價(jià)函數(shù)為其中其中；^(式+)是每一組光柵參數(shù)對(duì)應(yīng)入射波長(zhǎng)λ i的反射衍射的-ι級(jí)衍射效率， 優(yōu)化目標(biāo)衍射效率設(shè)定為100%，N為選擇計(jì)算的入射波長(zhǎng)數(shù)量；④計(jì)算每組光柵參數(shù)的評(píng)價(jià)函數(shù)值；⑤判斷評(píng)價(jià)函數(shù)值是否滿足要求，如果滿足要求，停止優(yōu)化設(shè)計(jì)；⑥如果沒有滿足要求，改變參與優(yōu)化的光柵參數(shù)的數(shù)值，重復(fù)步驟④和⑤；⑦直到評(píng)價(jià)函數(shù)滿足要求。
全文摘要
一種寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵及其設(shè)計(jì)方法，寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵，包括基底，由高折射率材料和低折射率材料周期性交替的高反膜層和光柵層，其特征是在所述的高反膜層和光柵層之間還有匹配層和剩余膜層，所述的匹配層的材料折射率與所述的高反膜層中的低折率材料相同，所述的光柵層和刻蝕剩余膜層的材料折射率低于所述的高折射率材料的折射率，所述的光柵層的周期、占空比、刻蝕深度、剩余膜層的厚度、匹配層的厚度和用于高反膜層制備的控制波長(zhǎng)的取值是關(guān)聯(lián)的并通過多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)來確定。本發(fā)明寬帶全介質(zhì)多層膜反射衍射光柵在TE偏振光入射時(shí)在反射衍射-1級(jí)方向超過100nm寬光譜帶寬內(nèi)衍射效率高于97.5％。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101887140SQ201010185309
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者劉娜, 晉云霞, 李淑紅, 汪劍鵬, 范正修 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所