Analysis of restriction factors of widening diffraction bandwidth of multilayer dielectric grating

In order to design a multilayer dielectric grating with wide-bandwidth diffraction spectrum, the restriction factors of both the reflection bandwidth of multilayer dielectric high-reflectivity mirror and the guided-mode resonance phe- nomenon are studied in detail. The reflection characteristics of high-reflectivity mirror in zeroth and -lst transmitted diffraction orders are quantitatively evaluated. It is found that the reflection bandwidth of high-reflectivity mirror in -lst transmitted diffraction order, which determines the final diffraction bandwidth of multilayer dielectric grating, is evidently compressed. Furthermore, it is demonstrated that the reducing of grating period is an effective approach to the elimination of guided mode resonance over a required broad band range both spectrally and angularly. In addition, the expressions for calculating the maximum period ensuring no guided mode resonance in the required bandwidth are derived. Finally, two high-efficiency pulse-compression gratings with broad-band are presented.

Laser induced damage of multi-layer dielectric used in pulse compressor gratings

Laser induced damage threshold (LIDT) of multi-layer dielectric used in pulse compressor gratings (PCG) was investigated. The sample was prepared by e-beam evaporation (EBE). LIDT was detected following ISO standard 11254-1.2. It was found that LIDTs of normal and 51.2° incidence (transverse electric (TE) mode) were 14.14 and 9.31 J/cm2, respectively. A Nomarski microscope was employed to map the damage morphology, and it was found that the damage behavior was pit-concave-plat structure for normal incidence, while it was pit structure for 51.2° incidence with TE mode. The electric field distribution was calculated to illuminate the difference of LIDT between the two incident cases.

基于多层电介质光栅光谱合成的光束质量

基于电介质光栅的光谱合成是实现高功率高光束质量激光的重要途径.在电介质光栅的光谱合成系统中,光栅色散效应是影响合成激光光束质量的重要因素.本文推导了单光栅和双光栅光谱合成系统中由于光栅色散引起M^2因子的变化公式;详细讨论了这两种合成系统中单路激光线宽、单路激光光斑半径、相邻两路激光波长差、相邻两路激光间距以及光栅周期对光束质量的影响.研究表明对于单光栅合成系统,在合成过程中若保持光束质量M^2因子的大小不变,则单路激光带宽随光斑半径的增加而减小;在双光栅光谱合成系统中,在保持光束质量的前提下,单路激光带宽可随光斑半径的增大而相应增加.数值计算表明,若要满足合成光束的光束质量M^2≤1.2的要求,在单光栅系统中激光带宽需窄于亚纳米量级,在双光栅系统中激光带宽可为亚纳米.本文为高功率、高光束质量的光纤激光光谱合成系统的搭建提供了理论指导.

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。

高衍射效率金属介质膜光栅的设计及性能分析

基于严格耦合波理论,分析了金属介质膜光栅的衍射性能,以-1级衍射效率为评价函数,研究了表面浮雕结构分别为HfO2和Si O2材料的金属介质膜光栅,获得衍射效率优于99%的结构参数。数值计算表明,当顶层光栅结构为HfO2和Si O2的槽深分别为80nm和225 nm时,在1 053 nm处获得接近100%的衍射效率。

任意槽形光栅衍射特性的矢量理论分析与计算

根据麦克斯韦基本方程组 ,推导了描述任意槽形光栅衍射特性的矢量理论分析方法——严格的耦合波方法 ,该方法可用来分析具有任意面型函数光栅在 TE ,TM两种偏振模式的平面波入射下的光栅衍射特性。

亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性

采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1550 nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象设计工作波长为1550 nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为λ0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9λ0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。

一种分析任意形状介质栅绕射特性的有效方法

采用阶梯近似与严格模匹配相结合的方法，分析了介质栅截面为任意形状的介质周期结构对ＴＥ、ＴＭ 极化电磁波的绕射特性．文中以介质栅截面形状为正弦、三角形、梯形、升余弦和半椭圆等为例，系统地比较分析了介质周期结构的绕射特性随频率和角度的变化关系．已有的文献结果验证了该方法对解决这一问题的有效性。

多层介质膜偏振无关光栅的研制

介绍了一种应用于光纤激光光谱合束的高衍射效率多层介质膜偏振无关光栅的设计及制作,给出了设计参数、制作流程和最终制作的偏振无关光栅的测量结果,在1.044-1.084μm波长范围内,实验测得的TE偏振光、TM偏振光的平均衍射效率分别为89.7%,93.8%。

表面等离子体无掩膜干涉光刻系统的数值分析(英文)

表面等离子体激元具有近场增强效应,可以代替光子作为曝光源形成纳米级特征尺寸的图像.本文数值分析了棱镜辅助表面等离子体干涉系统的参量空间,并给出了计算原理和方法.结果表明,适当地选择高折射率棱镜、低银层厚度、入射波长和光刻胶折射率,可以获得高曝光度、高对比度的干涉图像.入射波长为431nm时,选择40nm厚的银层,曝光深度可达200nm,条纹周期为110nm.数值分析结果为实验的安排提供了理论支持.

拼接光栅的偏差对光束空间特性的影响

用拼接小尺寸多层介质膜衍射介质膜衍射光栅的办法制作大口径的高破坏阈值光栅成为解决拍瓦激光系统输出能量的关键技术———光栅拼接技术。拼接的每个光栅都存在五维自由度的偏差,对激光脉冲的空间特性和时间特性产生影响。用夫琅禾费衍射的方法分析了拼接光栅的偏差对光束空间特性的影响,建立了偏差和远场强度分布之间的函数关系并用数值方法进行模拟,得出角度偏差对光束远场分布的影响可以忽略,而位移偏差:光栅间拼缝和前后位移偏差是影响光束远场分布的关键因素。

基于严格耦合波理论的多层介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了多层介质膜光栅的衍射机理模型,给出了TE波自准直条件下多层介质膜光栅衍射效率的表达式.以-1级衍射效率为评价函数,分析了表面浮雕结构分别为HfO2和SiO2材料的介质膜光栅获得衍射效率优于96%的结构参数.数值计算表明,顶层材料为HfO2的介质膜光栅具有更宽的结构选择范围.最后分析了介质膜光栅的制备容差和允许的入射角度范围.

多层介质膜脉冲压缩光栅近场光学特性分析

利用傅里叶模式理论分析了TE波自准直角入射的使用条件下,多层介质膜光栅的光栅区和多层膜区电场分布的特点.分别讨论了HfO2和SiO2为顶层光栅材料时,光栅结构参数对光栅脊峰值电场的影响,结果表明,对于不同膜厚的顶层材料,存在一个最佳膜厚度,使光栅脊峰值电场最小,并且当膜厚增大时,设计大高宽比的光栅可以降低该电场峰值.最后,在大角度条件下使用多层膜光栅也可以降低光栅脊处的峰值电场.

基于严格耦合波理论的宽光谱金属介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了金属介质膜光栅的衍射机理模型,给出了TE模式金属介质膜光栅衍射效率的表达式.以-1级衍射效率和工作带宽为评价函数,对金属介质膜光栅的表面浮雕结构进行了优化设计.对于800nm和1053nm为中心的TE波,设计的金属介质膜光栅-1级衍射效率优于97%的工作带宽分别达到130nm和150nm,最后讨论了设计的宽光谱高衍射效率金属介质膜光栅的制备工艺容差.此研究对于提高脉宽压缩光栅的性能具有重要的意义.

多层介质膜脉宽压缩光栅的严格矢量分析

用于展宽和压缩激光脉冲的多层膜脉宽压缩光栅是由多层介质高反膜和位于其顶层的浮雕光栅构成。以设计的高反射多层膜为基础,利用傅里叶模式理论分析了其衍射场分布,给出了TE波自准直角入射的使用条件下,多层介质膜脉宽压缩光栅衍射效率的表达式。以-1级衍射效率为评价函数,分别讨论了HfO2和SiO2为顶层材料时,多层膜脉宽压缩光栅-1级衍射效率高于0.95的光栅结构参量范围。结果表明,在该条件下,选择HfO2为顶层材料时,光栅结构参量有较大的取值范围。给出了优化的光栅结构参量,并分析了光栅制作误差及其使用条件的宽容度,对光栅制作工艺和使用具有一定的指导意义。

HfO_2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件.为了满足国内强激光系统的迫切需求,首先利用考夫曼型离子束刻蚀机开展了HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀实验研究.采用纯Ar及Ar和CHF3混合气体作为工作气体进行离子束刻蚀实验,获得了优化的离子源工作参数.结果表明,与纯Ar离子束刻蚀相比,Ar和CHF3混合气体离子束刻蚀时的HfO2/光刻胶的选择比大.HfO2的离子束刻蚀过程中再沉积效应明显,导致刻蚀光栅占宽比变大.根据刻蚀速率分布制作的掩模遮挡板可以提高刻蚀速率均匀性,及时清洗离子源和更换灯丝,可保证刻蚀工艺的重复性.利用上述技术已成功研制出多块最大尺寸为80 mm×150 mm、线密度1480线/mm、平均衍射效率大于95%的HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅.实验结果与理论设计一致,为大口径多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀提供了有益参考.

梯形介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了梯形介质膜光栅的衍射机理模型,利用该模型讨论了底角为70°的梯形介质膜光栅-1级的衍射行为。通过对梯形介质膜光栅的占空比、槽深和剩余厚度的优化,设计了应用于1053 nm和51.2°角度入射的梯形介质膜光栅。对于顶层为HfO2的介质膜光栅,当槽深为200 nm,剩余厚度为100 nm,占空比为0.35时,其衍射效率优于99.5%,而对于顶层为SiO2的梯形光栅,为获得99.5%的衍射效率,其槽深为800 nm,剩余厚度为320 nm。而且,获得同样的衍射效率,顶层为HfO2的梯形光栅具有更宽的光谱特性。数值计算表明,严格耦合波理论模型对梯形介质膜光栅衍射效率的计算具有很好的收敛性和稳定性。

宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅设计和性能分析

基于飞秒激光对脉宽压缩光栅宽光谱和高衍射效率的要求,提出了一种金属介质膜结构的宽光谱高衍射效率脉宽压缩光栅,该光栅由基底、金属介质膜和表面浮雕结构组成。为获得宽光谱高衍射效率的脉宽压缩光栅,采用严格耦合波理论对金属介质膜光栅的结构参数进行优化设计。数值分析表明当金属介质光栅的槽深、剩余厚度、占空比和入射角分别为272nm,10nm,0.23和54°时,对于中心波长为800nm的TE波,其-1级衍射效率在732～886nm内优于97%,有效工作带宽达150nm。

脉宽压缩光栅用的多层膜设计和性能分析

应用于啁啾脉冲放大技术中的脉宽压缩光栅是基于多层膜作为基底,利用全息干涉技术和离子束技术刻蚀而成。脉宽压缩光栅的衍射效率和抗激光损伤阈值一方面依赖于光栅结构的设计,另一方面很大程度上取决于作为基底的多层膜的设计。给出了以413.1nm作为写入波长,1053nm作为使用波长的多层介质光栅膜的设计,样品在ZZS-800F型真空镀膜机上采用电子束蒸发方式沉积而成,并给出了膜系结构对光学性能影响因素的详细分析,结果表明膜系H3L(H2L)9H0.5L2.03H满足光栅膜的指标。给出了样品光学特性测试,其使用波长处的透射率<0.5%,写入波长处的透射率>90%,测试表明样品满足设计要求且实验结果和理论设计符合得很好。

利用严格耦合波方法研究多层介质膜光栅掩膜特性

从理论和实验上研究了多层介质膜光栅掩膜特性,用严格耦合波(RCW)法对由光栅掩膜槽形和多层膜介质基底引起的衍射效率的变化进行了理论分析,计算得出不同形貌下的光栅掩膜的反射0级光谱衍射效率分布。在实验检测方法上,采用了0级反射光衍射效率分布来进行槽形判断,并将实验结果和理论计算进行了对比。结果证明使用该方法研究光栅掩膜形貌在一定程度上是有效的。