專利名稱：用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域中用于激光光束取樣的取樣光柵，特別涉及一種用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵。
在高功率激光光束的使用過(guò)程中，需要對(duì)光束的波前位相和強(qiáng)度分布進(jìn)行取樣，并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用光柵的衍射特性進(jìn)行取樣無(wú)疑是一種有效的取樣方式。對(duì)于功率密度很高的激光光束來(lái)講，其取樣光柵必須滿足下述條件一是光柵的取樣應(yīng)該盡可能低的減少主光束的功率；二是用來(lái)作為取樣光束的衍射光束強(qiáng)度要盡可能的弱。
美國(guó)《應(yīng)用光學(xué)》1976年第15卷第12期第2937-2939頁(yè)“取樣鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)”(E.Loewen,M.Neviere,and D.Maystre“Optimal design for beam sampling mirrors”Applied Optics Vol.15 NO.12 2937-2939.1976)一文中提供了一種“淺槽反射式取樣光柵”，其結(jié)構(gòu)如

圖1所示該淺槽取樣光柵的表面上鍍覆有高反射率的金屬膜，這種淺槽取樣光柵有較高的反射率。根據(jù)理論分析，其衍射效率與光柵槽的深度參數(shù)成反比，當(dāng)槽深比波長(zhǎng)低兩個(gè)量級(jí)，且槽寬與光柵周期之比在10-1以下時(shí)，用這種淺槽取樣光柵的第一衍射級(jí)作為取樣光束時(shí)，其衍射效率可以低達(dá)至10-4的量級(jí)。而對(duì)于要求衍射效率更低的取樣光柵來(lái)講，其槽深應(yīng)更淺，一般的加工工藝很難加工出低于上述槽深的光柵，而且，一般的加工工藝也很難保證槽的均勻性和一致性。
美國(guó)《應(yīng)用光學(xué)》1996年，第16卷第16期第3072-3075頁(yè)“用于光束取樣和光束分束的透射光柵”{E.K.Popov,G.Loewen,and M.Neviere“Transmission gratings forbeam sampling and beam splitting”Applied Optics Vol.35 No.16 3072-3075.1996}一文中提供了一種用于光束取樣和光束分束的透射式光柵，這種透射式取樣光柵使用具有吸收系數(shù)小、透射率高的材料作為基材，可使高功率激光光束透過(guò)該光柵，避免了淺槽反射式取樣光柵中淺槽帶來(lái)的加工困難。但是，由于這種透射式取樣光柵在使用過(guò)程中，高功率的激光光束要透過(guò)該光柵，一方面，對(duì)制作該取樣光柵材料的均勻性要求很高，否則會(huì)引起位相畸變，降低光柵取樣的準(zhǔn)確性；另一方面，當(dāng)入射光束的功率非常高時(shí)，取樣光柵材料對(duì)光束產(chǎn)生的吸收會(huì)使光柵的溫度升高引起熱畸變，甚至?xí)斐晒鈻诺膿p壞。
本發(fā)明的目的在于克服上述取樣光柵存在的缺陷，提供一種對(duì)槽深要求不高，加工容易，并且可以達(dá)到更低取樣效率的用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵。
本發(fā)明的實(shí)施方案如下本發(fā)明提供的用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵，光柵基底表面設(shè)有淺槽，淺槽上鍍覆介質(zhì)膜，其特征在于所述介質(zhì)膜的上表面為經(jīng)光學(xué)研磨過(guò)的平面；介質(zhì)膜表面上依次鍍覆有由高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層構(gòu)成的增反膜，增反膜中高折射率介質(zhì)層的厚度DH和低折射率介質(zhì)層DL與入射光束的入射角有關(guān)，對(duì)于四分之一波長(zhǎng)的膜系，這兩種介質(zhì)層的厚度與入射光束的入射角的關(guān)系為高折射率介質(zhì)層的厚度DH=λ4nH(1-n12sinθ0nH2)-12]]>，低折射率介質(zhì)層的厚度DL=λ4nL(1-n12sinθ0nL2)-12]]>，其中nH和nL分別為高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層的折射率，θ0和λ分別為入射光束的入射角和波長(zhǎng)；所述的由高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層構(gòu)成的增反膜的層數(shù)可以根據(jù)光柵的取樣效率大小來(lái)確定，一般取6-15層，增加增反膜的層數(shù)可以提高光束的反射率；所述取樣光柵的周期Δ，入射光波長(zhǎng)λ和入射角θ0及其K級(jí)衍射光束的出射角θK滿足下述關(guān)系式KλΔ=sinθ0-sinθK]]>。
因此，在入射光的入射角確定的情況下，根據(jù)入射光的波長(zhǎng)和作為取樣光束的衍射級(jí)次和出射角，可以確定取樣光柵的光柵周期。
從設(shè)計(jì)光柵的角度來(lái)講，取樣光柵除了上述參數(shù)外，實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)取樣光柵的反射率、入射角和取樣光束的出射角有其具體的要求。
在光柵的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，光柵的槽深H也是一個(gè)重要參數(shù)，為了計(jì)算取樣光柵的衍射特性，根據(jù)Moharam等人關(guān)于多層介質(zhì)光柵的耦合波理論，可以計(jì)算出各個(gè)參數(shù)對(duì)取樣光柵衍射特性的影響，可以分析出槽深H對(duì)其衍射特性的影響。此外，在光柵的實(shí)際制作過(guò)程中，介質(zhì)膜3的厚度Dm不容易被控制，精確的數(shù)值分析結(jié)果表明，取樣光柵中槽的結(jié)構(gòu)形式和取樣光柵基底表面上介質(zhì)膜3的厚度對(duì)取樣效率只對(duì)取樣效率有小幅度的調(diào)制作用，不影響取樣效率的基本數(shù)量級(jí)。因此，取樣光柵中槽的形狀和光柵基底表面上的介質(zhì)膜3的厚度Dm在一定范圍內(nèi)的任意性不會(huì)太大地影響取樣光柵的取樣特性，因此，本發(fā)明提供的取樣光柵，在制作過(guò)程中對(duì)槽的形狀和槽深的要求不高，解決了槽在加工工藝上的困難。
本發(fā)明提供的用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵的制法如下1．首先選擇光柵的基底材料，確定其折射率n2，根據(jù)使用中入射光束的入射角θ0、K級(jí)衍射光束作為取樣光束和對(duì)應(yīng)的出射角θK，利用公式來(lái)確定取樣光柵的周期Δ；2．在取樣光柵槽的形狀和光柵周期確定后，根據(jù)耦合波理論來(lái)確定槽的深度，由于槽深的變化亦只是在一定幅度上調(diào)制衍射效率，并對(duì)主反射率影響很小，因此槽深的任意選取也不會(huì)影響光柵的主反射率和取樣特性；3．取樣光柵基底上槽2加工完成后，在其槽2的表面上鍍覆一層介質(zhì)膜3，介質(zhì)膜3的折射率可與增反膜中高折射率介質(zhì)層的折射率相同，也可與增反膜中低折射率介質(zhì)層的折射率相同，還可為其它折射率的介質(zhì)膜，其厚度應(yīng)保證在隨后的光學(xué)研磨過(guò)程中，在將其表面被研磨成平面時(shí)，其槽表面仍被介質(zhì)膜3所覆蓋；4．研磨介質(zhì)膜3的上表面，使其成為平面，之后，在該平面上鍍覆由高折射率介質(zhì)層5和低折射率介質(zhì)層4構(gòu)成的增反膜，增反膜的層數(shù)由所需反射率參數(shù)來(lái)確定，鍍層越多，其反射率就越高。由于本發(fā)明的取樣光柵用于高功率激光光束的取樣，因此，為了保證主反射效率和取樣效率，增反膜的層數(shù)一般取6層到15層。可根據(jù)鍍層與基底材料的反射率的相關(guān)公式來(lái)計(jì)算，而這里的一級(jí)和負(fù)一級(jí)衍射光束效率一般低于透射率3-4個(gè)量級(jí)。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明附圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的淺槽反射式取樣光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；其中光柵基底1 槽2介質(zhì)膜3 低折射率介質(zhì)層4高折射率介質(zhì)層5 低折射率介質(zhì)層4的折射率nL高折射率介質(zhì)層5的折射率nH低折射率介質(zhì)層4的厚度DL介質(zhì)膜3的折射率nm介質(zhì)膜3的厚度Dm空氣折射率n1光柵基底1的折射率n2取樣光柵的光柵周期Δ 槽深H槽寬/光柵周期F 增反膜的層數(shù)N入射光束的入射角θ0K級(jí)衍射光束的出射角θK衍射級(jí)次K入射光的波長(zhǎng)λ入射光束在高折射率介質(zhì)層5中的折射率θOH入射光束在低折射率介質(zhì)層4中的折射率θOL實(shí)施例1用單晶硅作為取樣光柵基底，分別用Ta2O5和SiO2作為增反膜的兩種介質(zhì)層4、5材質(zhì)，對(duì)于1微米左右波長(zhǎng)的激光光束，如果取樣光柵在空氣或真空中工作，其折射率參數(shù)如下n1=1.0,n12=3.5,nL=1.46,nH=2.05，分別鍍10層、6層和15層[Ta2O5/SiO2]介質(zhì)層，在取樣光柵基底參數(shù)為光柵周期Δ=4λ,F=0.5,H=0.18λ,Dm=DL,nm=nL時(shí)，不同入射角的入射光束對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)和衍射特性如表1、2、3所示表1(10層[Ta2O5/SiO2]增反膜)
表2(6層[Ta2O5/SiO2]增反膜)
表3(15層[Ta2O5/SiO2]增反膜)
實(shí)施例2用石英玻璃作為取樣光柵基底，采用與實(shí)施例1相同的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，用ZeS和MgF2作為增反膜的兩種介質(zhì)層材料，如果取樣光柵在空氣或真空中工作，其參數(shù)如下n1=1.0,n12=1.5,nL=1.39,nH=2.36，鍍10層MgF2/ZeS增反膜，光柵周期Δ=4λ,F=0.5,H=0.18λ,Dm=DL,nm=nL時(shí)，不同入射角的入射光束對(duì)應(yīng)的各種參數(shù)和衍射特性如表4所示表4(10層[MgF2/ZeS]增反膜)
注R(0)為0級(jí)反射率，R(1)為1級(jí)衍射率，R(-1)為-1級(jí)衍射率，E-3為10-3,E-4為10-4,E-5為10-5,E-6為10-6,E-7為10-7,E-8為10-8,E-9為10-9,E-10為10-10,E-11為10-11,E-12為10-12,E-13為10-13,E-15為10-15。
權(quán)利要求
1．一種用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵，光柵基底表面設(shè)有淺槽，淺槽上鍍覆介質(zhì)膜，其特征在于所述介質(zhì)膜的上表面為經(jīng)光學(xué)研磨過(guò)的平面，介質(zhì)膜上表面上依次鍍覆有由高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層構(gòu)成的增反膜，增反膜中高折射率介質(zhì)層的厚度DH=λ4nH(1-n12sinθ0nH2)-12]]>，低折射率介質(zhì)層的厚度DL=λ4nL(1-n12sinθ0nL2)-12]]>，其中nH和nL分別為高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層的折射率，θ0和λ分別為入射光束的入射角和波長(zhǎng)。
2．按權(quán)利要求1所述的用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵，其特征在于所述的由高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層構(gòu)成的增反膜的層數(shù)為6-15層。
3．按權(quán)利要求1所述的用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵，其特征在于所述取樣光柵的周期Δ，入射光的波長(zhǎng)λ和入射角θ0及其K級(jí)衍射光束的出射角θK滿足下述關(guān)系式KλΔ=sinθ0-sinθK]]>。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高功率激光光束取樣的隱埋式反射取樣光柵:介質(zhì)膜平面上鍍覆6－15層由高折射率介質(zhì)層和低折射率介質(zhì)層構(gòu)成的增反膜,高、低折射率介質(zhì)層厚度
文檔編號(hào)G02B5/18GK1320826SQ0010616
公開日2001年11月7日 申請(qǐng)日期2000年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月27日
發(fā)明者楊乾鎖, 吳寶根, 竺乃宜, 張恒利, 姜乃波, 余西龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所