脉冲压缩用多层介质膜光栅

Multi-layer Dielectric Gratings for Pulsed Compression

皮秒和飞秒强光脉冲光源的快速发展需要超高光学性能和高损伤阈值的衍射光栅。HORIBA Jobin Yvon在金膜脉冲压缩光栅这一领域一直是一个佼佼者。目前该公司正在研发一种MLD(多层介质膜)光栅,这种光栅具有更高的损伤阈值,适用于超高功率激光脉冲的压缩.

传统的用于脉冲压缩的衍射光栅采用全息记录并镀以金膜。金属膜光栅有许多有益的特性,包括在较宽的带宽里均能达到大于92%的衍射效率,其刻线轮廓及金属膜的光学特性决定了光栅的整体性能.

金膜光栅的损伤阈值(光栅面上的能流密度surface fluence):

  • 纳秒脉冲 400 mJ/cm2
  • 皮秒脉冲 250 mJ/cm2

损伤阈值将随脉冲变窄,波长变短而下降.

典型的多层介质膜镜
典型的多层介质膜镜,L:低折射率层,H:高折射率层

多层介质膜由低折射率层和高折射率层交替排布构成,能达到较高的反射率,在不同折射率介质层之间的每一个界面上约有4%的反射,所有各层反射光的总和接近于全反射. 由于MLD结构为绝缘体,缺乏导电电子,致使金属变为好的反射体,因此具有更高的损伤阈值.

MLD光栅的制作工艺要求极严,要控制介质膜的叠置,严格控制每一层的厚度,保证光刻胶的均匀性,准确生成全息图案,此图案确定了刻线的形状和分布. 光刻胶里潜在的图像通过离子刻蚀永久地转移到电介质层里.

多层介质膜光栅,刻槽在最上层的低折射率膜层中
多层介质膜光栅,刻槽在最上层的低折射率膜层中

新进展

HORIBA Jobin Yvon新研发的MLD光栅的线密度为1740 l/mm,并在1.053 微米.

规格参数如下:

  • 线密度: 1740 l/mm
  • 中心波长:  1053 nm
  • 带通:  30 nm
  • 基底尺寸: 120x140x20 mm

    • 210x420x50 mm
    • 335x485x50 mm
    • 430x470x100 mm

  • 衍射效率>92%@1053 nm
  • 波前质量: λ/4
衍射效率图
衍射效率图(平均衍射效率94%,1.053微米)
1740 l/mm, optimised 1053 nm, MLD Grating bandpass

注:
曲线只作参考,不是指标

注意损伤阈值的换算:

光束入射角对损伤阈值的影响:如果测得的光栅面上的损伤阈值能流密度是1.7 J/cm2(10ps脉冲)。不同的光束入射角,将对应不同的光束能流密度.

例如:
入射角为61°时,光栅面上的损伤阈值1.7 J/cm2, 对应的光束能流密度为3.5 J/cm2 (cos61° = 0.48)
入射角为72°时,光栅面上的损伤阈值1.7 J/cm2,对应的光束能流密度为5.5 J/cm2 (cos 72°=0.31)
因此,压缩器输出端设计较大的光束入射角对提高损伤阈值是有益的。

注:关于800 nm MLD脉冲压缩光栅:
要压缩钛宝石激光脉冲至极短脉宽(100fs或更短),压缩器光栅必须有非常宽的带通(典型的为100 nm或更高)。对此MLD光栅还没有商业化的行之有效的解决措施。对这种应用,我们建议使用工作于800 nm,有较宽带通的镀金光栅。

1在美国销售的专利证号# 5,907,436