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光栅是啁啾脉冲放大技术中的核心元器件。多层介质膜光栅(MDG)具有高衍射效率,高抗激光破坏能力,目前己逐步取代金属光栅而广泛应用于高功率激光系统中。为了拓展介质膜光栅在高功率超短激光系统中的应用,本论文深入地研究宽光谱介质膜光栅的设计及其性能,具体包括如下几个方面的工作:
1)宽光谱MDG的设计与性能分析。在宽光谱MDG设计中,导模共振容易被激发,从而破坏光栅的衍射光谱。本论文基于多层平板波导理论分析了MDG中导模共振特性,提出了采用减小光栅周期的方法抑制导模共振的激发,并严格推导了宽光谱、宽角谱MDG设计时完全抑制导模共振激发的充分条件。建立了宽光谱MDG的多参量优化设计方法,并设计了衍射带宽超过110nm,平均衍射效率超过97.5%的宽光谱MDG。相比国际上已报道的40nm带宽MDG,本论文中宽带MDG的衍射带宽有了大幅拓宽。首次采用由三种材料组成的全新MDG膜系结构,获得了衍射效率、带宽和工艺容差俱佳的宽光谱MDG设计;基于该结果开展了宽带MDG的实验制备研究。全面评估了宽光谱MDG的电场分布特性,发现基于新膜系结构的MDG内部电场极值增幅较低,可以承受较高能量的超短激光脉冲。
2)宽光谱金属介质膜组合光栅(MMDG)的设计与性能分析。采用多参量优化设计方法设计了宽带MDG,并提出适用于设计宽带MMDG的结合带宽为评价函数的局域优化设计方法。设计了200nm带宽内平均衍射效率超过96%的超宽带MMDG,并获得了良好的工艺容差。理论上实现了MMDG在450nm带宽内平均衍射效率超过97.5%。详细分析了MMDG的电场近场分布特性,发现包含厚介质膜层的MMDG中金属膜层内电场较低,其光栅脊处电场极值与MDG的相当,而介质膜内和界面处电场均小于MDG的结果。
3)特殊应用的全介质膜光栅的设计与性能分析。基于薄匹配层设计并制备了宽角谱MDG。通过优化设计将具有高衍射效率的入射角位置调至两个导模共振峰之间,设计了应用于大偏离角(大于40度)条件下高衍射效率的全介质膜光栅。基于顶层为高折射率材料的MDG模型优化设计了光栅槽刻蚀深度为80nm浅刻蚀光栅,获得了1053nm处超过99.5%的衍射效率。采用表面二维光栅结构,获得了在反射衍射-1级的100nm带宽内平均衍射效率超过98.5%的宽光谱MDG。另外,基于二维光子晶体结构分别设计了高效率脉冲压缩光栅(PCG)和超宽带偏振滤波器。其中,该PCG在1053nm处衍射效率达到99%,且内部电场振幅小于0.6;偏振滤波器在225nm带宽内实现了的偏振分离。
4)设计并搭建光栅衍射效率自动测试平台。基于双光路设计思想,设计并搭建了光栅衍射效率自动测试平台。编写了平台的测试软件GraMeasor,实现了对测试平台中硬件的自动化控制及测试数据的处理。测试平台的测量结果与商业化测量仪器结果一致,平台测量稳定性控制在0.1%以内。