宽光谱高衍射效率金属/介质膜光栅衍射特性研究

论文摘要

超短高峰值激光脉冲的产生过程中啁啾脉冲放大(Chirped Pulse AmplificationCPA)系统起着关键性的作用,而脉冲压缩光栅为CPA系统的核心原件,因此设计并制作高性能的脉冲压缩光栅成为重要的研究课题,金属介质膜光栅结合了介质的高衍射效率特性和金属的宽光谱特性,逐渐成为宽光谱金属介质膜光栅优化设计和制备的重要研究方向。本文主要开展以下研究工作：(1)以严格耦合波方法为理论基础,建立了金属介质膜光栅的理论分析模型。以光栅衍射效率优于97%和工作带宽作为评价函数,通过对光栅的参数(周期、槽深、剩余厚度、占空比、入射角)进行优化,构建宽光谱高衍射效率金属介质膜光栅的优化设计方法；(2)为了提高金属介质膜光栅膜层的稳定性,减少工艺误差,采用两层非规整介质膜层(膜层光学厚度为非四分之一波长)的结构设计高反射膜,该膜系确保了光栅的衍射性能不受物理损伤的影响；(3)对所设计的宽光谱金属介质膜光栅槽深、占空比、剩余厚度、入射角等参数进行了工艺容差分析,以对光栅制备工艺给予理论指导。本研究针对啁啾脉冲放大系统中常用的800纳米和1053纳米两个波长,基于上述优化设计方法,重点开展了宽光谱高衍射效率金属介质膜光栅的优化设计研究,获得了以下研究结果：(1)以1053nm为中心波长,采用Ag(LH)2结构和非规整结构的光栅衍射效率优于97%的带宽均可达到160nm,使用Ag(LHT)2结构的带宽可以达到200nm。(2)以800nm为中心波长,采用Ag(L1.5H)2结构和非规整结构的光栅衍射效率优于97%的带宽均可以达到120nm,而采用Ag(LHT)2结构的带宽达到135nm。(3)非规整结构只使用了两层介质膜,保证了结构的物理稳定性,且膜层结构和光栅结构均有良好的工艺容差,确保了所设计光栅的实用性和制作的可行性,所设计的脉冲压缩光栅为CPA系统的应用提供了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 超高能量激光技术发展
• 1.2 啁啾脉冲放大系统
• 1.3 脉冲压缩光栅的性能要求
• 1.4 脉冲压缩光栅的发展进程
• 1.4.1 传统金属光栅
• 1.4.2 多层介质膜光栅
• 1.4.3 金属介质膜光栅
• 1.5 宽带脉冲压缩光栅的研究进展
• 1.6 本论文的研究意义和主要内容
• 第二章 金属/介质膜光栅的严格耦合波分析
• 2.1 光栅的衍射理论
• 2.2 严格耦合波方法
• 2.3 多层膜光栅的严格耦合波模型
• 2.3.1 模型建立的基本思想
• 2.3.2 各个分区内的波矢量
• 2.3.3 多层膜光栅的严格耦合波模型建立
• 第三章 金属/介质膜光栅的分析与设计
• 3.1 宽光谱金属介质膜光栅的优化方法
• 3.2 中心波长为1053nm的金属介质膜光栅设计
• 3.2.1 两种材料构成反射镜金属介质膜光栅
• 3.2.2 三种材料构成反射镜金属介质膜光栅
• 3.2.3 非规则膜系金属介质膜光栅
• 3.3 中心波长为800nm的金属介质膜光栅设计
• 3.3.1 两种材料构成反射镜金属介质膜光栅
• 3.3.2 三种材料构成反射镜金属介质膜光栅
• 3.3.3 非规则膜系金属介质膜光栅
• 3.4 宽带金属介质膜光栅设计总结
• 第四章 总结和展望
• 4.1 本文总结
• 4.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢