用于蓝绿波段激光器选频的多层介质膜光栅设计与制备

摘要

光栅是一种激光器常用的选频元件。一般常见的激光选频光栅为金属光栅，由于金属的本征吸收，此种光栅损伤阈值较低，难以满足高功率激光器需求。介质材料的本征吸收几乎为零，损伤阈值较高，为此提出采用多层介质膜光栅取代金属光栅进行激光选频。本文开展的蓝绿光波段多层介质膜光栅设计和研制工作，对提高基于光栅选频激光器的输出功率具有重要意义。
　　本论文主要研究工作如下：
　　（1）基于严格耦合波理论开展多层介质膜光栅衍射效率计算，给出了衍射效率计算相关公式；
　　（2）编写光栅衍射效率计算机程序，实现对多层介质膜光栅的微结构参数优化设计的功能；
　　（3）研究不同空频和膜层材料下，光栅占空比、槽深和剩余厚度等参数对-1级反射衍射效率的影响。对空频1740line/mm多层介质膜光栅开展深入研究，膜层材料采用HfO2/SiO2，研究匹配层对衍射效率和带宽的影响，分别分析了一层和两层匹配层对衍射效率和带宽的提升。通过引入两层匹配层，可以在450nm-510nm光谱范围内，得到光栅的衍射效率大于97％，带宽60nm的最优解。开展光栅制作工艺容差分析，以453nm-493nm波段各波长的衍射效率大于95%为评价函数，搜索最佳顶层膜层厚度，确定用于制作的多层介质膜各膜层的厚度和光栅槽形参数；
　　（4）开展多层介质膜光栅工艺制作实验研究。首先在光学基板镀制多层介质膜，然后采用全息光刻技术制作光刻胶光栅掩模，最后利用离子束刻蚀技术将光刻胶掩模转移到多层介质膜上，完成1740line/mm层介质膜光栅的制作。实验分别制作了三种不同槽深的光栅，利用超连续激光器来测量光栅的衍射效率。测试结果表明，采用Littrow角入射，光栅槽深为360nm的情况下，453nm-493nm波段范围内，-1级衍射效率均大于93%；在中心波长473nm处，-1级衍射效率大于95%。理论设计得到了实验验证。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光栅激光选频

1.2 蓝绿波段激光器

1.3 多层介质膜光栅的研究进展

1.4 本论文的主要工作内容

第二章 多层介质膜光栅的严格耦合波理论

2.1 光栅的衍射理论

2.2 多层介质膜光栅的衍射效率计算

2.3 基于RCWA的多层介质膜光栅衍射效率程序验证

本章小结

第三章 蓝绿激光选频多层介质膜光栅的设计与分析

3.1 多层介质膜光栅的设计思路

3.2 1740line/mm多层介质膜光栅的设计与优化

3.3 多层介质膜光栅的设计总结

第四章 蓝绿波段激光选频多层介质膜光栅的制备

4.1 光刻胶掩模的实验制备

4.2 光刻胶掩模光栅的实验结果分析

4.3 离子束刻蚀实验

4.4 光栅的效率测试和误差分析

本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文工作总结

5.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢