宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅制造技术

一种宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，其特点在于由顶部光栅脊结构、中间高反射率薄膜层和底部基底构成光栅结构，其中顶部光栅脊结构为非对称形貌，所述的非对称形貌为四边形的底角α和β不相等。本发明专利技术的非对称形貌反射型光栅在入射角度为‑1级利特罗角时，在80纳米带宽范围内可获得‑1级衍射效率高于95％，波段内最高衍射效率超过99％，且在较宽角谱内具有高于95％的‑1级衍射效率，实现在较宽的带宽和较宽的入射角范围内工作。本发明专利技术性能优越，结构简单，可大批量生产，在高功率激光领域具有重要的实用前景。

Broadband high diffraction efficiency asymmetrical shape reflecting grating

A broadband high diffraction efficiency of asymmetric morphology reflective grating, which is characterized by the grating structure, the top ridge middle high reflectivity film layer and bottom substrate composed of grating structure, wherein the top ridge grating structure is asymmetric morphology, asymmetric morphology of the quadrilateral bottom angle alpha and beta are not equal. The asymmetric shape reflective grating of the invention in the incident angle is 1 Littrow angle, get higher than 95% 1 level diffraction efficiency in bandwidth range of 80 nm in wavelength, the highest diffraction efficiency of more than 99%, and has 1 diffraction efficiency higher than 95% in a wide angular spectrum, it is wide bandwidth and wide range of incident angle work. The invention has the advantages of superior performance, simple structure and mass production, and has an important practical prospect in the field of high-power laser.

【技术实现步骤摘要】
宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅
本专利技术涉及反射型光栅，特别是一种宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅。
技术介绍
在高功率激光领域中，反射型光栅作为主要的色散元器件，在光谱合成技术以及激光脉宽压缩技术中都是发挥着核心作用。与反射型光栅相比，透射型光栅由于能量需要进过光栅内部，同样不适合应用于高能激光系统中，因此研究反射型光栅在高功率激光领域具有重要意义。目前具备高衍射效率和高抗激光损伤阈值在设计和制备上还是一个难题，对其进行研制是很有研究前景和实用意义的。-1级高效率光栅通常需要较高密度的光栅密度，此时光栅周期为亚波长量级，对于亚波长光栅的衍射不能由简单的标量光栅理论来计算，而必须采用严格耦合波理论的算法【参见在先技术1：M.G..Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。目前常见的反射型光栅的光栅脊形貌多数为矩形或等腰梯形，据我们所知，没有人针对非对称形貌的反射型光栅给出宽带高衍射效率设计。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对非对称光栅脊形貌提供一种宽带高衍射效率反射型光栅，该光栅可以使入射光以-1级利特罗角(Littrow)入射，-1级反射衍射效率在80纳米范围波长带宽内高于95％，最高衍射效率超过99％，且该光栅在较宽角谱(5°左右)内具有高于95％的-1级衍射效率。该宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅在高功率激光应用中具有重要的实用意义。本专利技术的技术解决方案如下：一种宽带高衍射效率反射型光栅，其特点在于由上至下由顶部光栅脊结构、中间高反射率薄膜层和底部基底构成光栅结构，其中顶部光栅脊结构为非对称形貌。所述的顶部光栅脊结构为低折射率材料或高折射率介质材料或高低折射率材料的组合；所述的低折射率材料包含但不限于SiO2或者包含SiO2在内的材料；所述的高折射率材料包含但不限于HfO2或Ta2O5或Al2O3或ScO2或上述氧化物的复合物。所述的中间高反射率薄膜层为多层高折射率对比度全介质薄膜层或金属介质高反膜层；所述的多层高折射率对比度全介质薄膜层由多层H和L薄膜和一层R薄膜构成，所述的H为一定物理厚度的高折射率材料膜层，L为一定物理厚度的低折射率材料膜层，R为一定物理厚度的剩余介质层；所述的金属介质高反膜层由一定物理厚度的剩余介质层和一定物理厚度的金属层构成。所述的光栅的周期Λ为500～2000纳米，对应线密度为2000～500线每毫米，顶部光栅脊结构的物理厚度为100～1000纳米，光栅脊底部占宽比f为0.4～0.9，光栅脊底角α和β为50°～90°。本专利技术的技术效果如下：1、本专利技术光栅可以使入射光在以-1级利特罗角入射时，-1级衍射效率在80纳米范围波长带宽内高于95％，最高衍射效率超过99％。2、本专利技术的光栅在较宽角谱内具有高于95％的-1级衍射效率。3、本专利技术的光栅结构简单，可大批量生产，在高功率激光领域具有重要的实用前景。附图说明图1为宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅实施例1结构剖面图。图2为宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅实施例2结构剖面图。图3为宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅实施例1入射波长和衍射效率关系图。图4为宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅实施例1入射角和衍射效率关系图。图5为宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅实施例2入射波长和衍射效率关系图。图6为宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅实施例2入射角和衍射效率关系图。图中：1-入射光，2-反射衍射光，3-光栅脊结构，4-剩余介质层，5-低折射率材料膜层，6-高折射率材料膜层，7-高反射率薄膜层，8-金属层，θ-入射角，Λ-光栅周期，f-占宽比，α-底角1，β-底角2具体实施方式本专利技术提出的宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，由顶部光栅脊结构3、中间高反射率薄膜层7和底部基底构成光栅结构，其中顶部光栅脊结构为非对称形貌，所述的非对称形貌为四边形的底角α和β不相等。所述的顶部光栅脊结构为低折射率材料或高折射率介质材料或高低折射率材料的组合；所述的低折射率材料包含但不限于SiO2或者包含SiO2在内的材料；所述的高折射率材料包含但不限于HfO2或Ta2O5或Al2O3或ScO2或上述氧化物的复合物。所述的中间高反射率薄膜层为多层高折射率对比度全介质薄膜层或金属介质高反膜层；所述的多层高折射率对比度全介质薄膜层由多层H和L薄膜和一层R薄膜构成，所述的H为一定物理厚度的高折射率材料膜层，L为一定物理厚度的低折射率材料膜层，R为一定物理厚度的剩余介质层；所述的金属介质高反膜层由一定物理厚度的剩余介质层和一定物理厚度的金属层构成。图1为本专利技术实施例1中宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅结构的剖面图。由图可见，光栅上方为空气，光从空气进入到光栅结构，经过光栅结构的调制，反射回空气层。当入射光以-1级利特罗角入射时，入射光经光栅调制，-1级反射衍射效率很高，其中利特罗角的入射条件满足公式：式中λ为入射波长，Λ为光栅的周期。在进行衍射效率光谱计算过程中，-1级利特罗角随入射波长的变化而变化。本专利技术采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了光栅的衍射效率，得到结论：通过对所述非对称光栅的顶层光栅层厚度、光栅剩余介质层厚度、底部占宽比、周期、底角α和β、膜层厚度等进行优化设计，在带宽为80nm的波长范围内-1级反射衍射效率很高，可以实现宽带高衍射效率效果。实施例1：宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，如图1所示，光栅由顶部光栅脊结构3、中间高反射率薄膜层7和底部基底构成光栅结构，所述的顶部光栅脊结构为非对称形貌，对应的底角α和β分别为68°和89°。该光栅的膜系结构为S|(HL)15RG|A，其中S表示基底，H表示厚度为124纳米的高折射率膜层6(Ta2O5)，L表示厚度为215纳米的低折射率膜层5(SiO2)，膜层周期数为15个周期，R表示厚度为256纳米的光栅剩余介质层(HfO2)，G表示高度为400纳米的光栅脊结构层(HfO2)，A表示空气。光栅的周期为833纳米，对应光栅线密度为1200线每毫米，底部占宽比f为0.66。如图3所示，当入射光以-1级利特罗角入射时，在1010～1090纳米范围内，光栅s偏振态的-1级反射率很高，高于95％。如图4所示，当入射波长为1053纳米时，在入射角36.5°～42°之间s偏振态入射光的-1级反射率均高于95％。这表明该光栅具有较宽的带宽和可以在较宽的入射角范围内工作。实施例2：宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，如图2所示，光栅由顶部光栅脊结构3、中间高反射率薄膜层7和底部基底构成光栅结构，其中顶部光栅脊结构为非对称形貌，对应的底角α和β分别为68°和89°。该光栅的膜系结构为S|MRG|A，其中S表示基底，M表示厚度为200纳米的高反射率金属层(Au)，R表示厚度为168纳米的光栅剩余介质层(HfO2)，G表示高度为567纳米的光栅脊结构层(HfO2)，A表示空气。该光栅的周期为683纳米，对应光栅线密度为1464线每毫米，光栅占宽比为0.6。如图5所示，当入射光以利特罗角入射时，在1000～1100纳米范围内，光栅s偏振态的-1级反射率很高，高于95％。如图6所示，当入射波长为1053纳米时，在入射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，其特征在于由上至下由顶部的周期性的光栅脊结构(3)、中间的高反射率薄膜层(7)和底部的基底构成；所述的顶部光栅脊结构为非对称形貌；所述的非对称形貌为四边形的两底角α和β不相等。

【技术特征摘要】
1.一种宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，其特征在于由上至下由顶部的周期性的光栅脊结构(3)、中间的高反射率薄膜层(7)和底部的基底构成；所述的顶部光栅脊结构为非对称形貌；所述的非对称形貌为四边形的两底角α和β不相等。2.如权利要求1所述的宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，其特征在于：所述的顶部光栅脊结构为低折射率材料或高折射率介质材料或高低折射率材料的组合；所述的低折射率材料包含但不限于SiO2或者包含SiO2在内的材料；所述的高折射率材料包含但不限于HfO2或Ta2O5或Al2O3或ScO2或上述氧化物的复合物。3.如权利要求1所述的宽带高衍射效率非对称形貌反射型光栅，其特征在于：所述的中间高反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：晋云霞，陈俊明，邵建达，孔钒宇，黄昊鹏，陈鹏，王磊磊，李林欣，徐姣，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31