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用于强激光系统的取样光栅减反射膜的研究

2007-01-19 17:53
雷本祖
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刘全 吴建宏
苏州大学信息光学工程研究所

摘要:使用严格的耦合波理论分析了强激光系统镀sol-gel减反膜的取样光栅(BSG)特性,详细的分析了仿形膜和平面膜的减反情况和取样效率的变化。结果表明,镀平面膜是一种可行的技术方案,裸光栅的深度d是12nm时,膜厚dp为60nm,即光学厚度为1/4波长:d+dp=72nm。此时的取样效率为0.241‰。或者保证取样效率是1‰,则有dp=60nm,d=25nm;与未镀膜的裸光栅相比,采用文中所述方法设计的镀膜光栅有很好的减反增透效果,具有良好的应用前景。

关键词:取样光栅;严格耦合波理论;减反膜;衍射效率
中图分类号  O436.1   O484       文献标识码   A

1引言
在惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)系统的终端靶场子系统中,在三倍频激光(351nm)进入终端靶场之前,需要采用取样光栅(Beam Sampling Grating, BSG)将透射的三倍频光按一定的比例送入能量计中进行能量诊断。该取样光栅是一种位相型的变周期光栅,这种光栅结构能使取样光束从主光路中分离出来并聚焦,如图1所示。为了保证主光束打靶的强能量,取样光束的取样效率一般在1‰左右。


图1 BSG取样原理示意图

目前,国内已有的报道BSG的文献中,都没有考虑消除光栅表面的反射,这对提高ICF系统的能量利用率及靶场性能是很不利的。为了更好的利用三倍频光的能量,在熔石英基片的光栅面上镀一层溶胶-凝胶(sol-gel)减反膜,使得透过光栅的零级衍射光具有入射光能量的98~99%,从而更好地保证了主光路打靶时的强能量。为此,我们进行了在取样光栅表面镀膜减反的研究。

2取样光栅镀膜减反技术原理
裸光栅表面存在菲涅耳反射,因此光的透过率t<1,这就影响了三倍频光的利用率。我们期望能够通过在光栅表面镀增透膜,从而减小三倍频光的反射能量损失。

对光栅镀膜有两种方案,即仿形膜和平面膜,如图2所示,d1是仿形膜的厚度,f1是其占宽比,dp是平的一层膜的厚度,d和f是裸取样光栅的结构参数(即高度和占宽比)。由文献[1]可知,裸取样光栅的高度d一般在几十纳米左右;同时根据薄膜光学的基本结论[3],完善的单层减反膜的条件是:膜层的光学厚度为1/4波长,其折射率为基片和入射媒质折射率相乘积的平方根。这里基片熔石英的折射率在351nm入射光下是1.4715,入射媒质是空气其折射率是1,故最理想的单层膜的折射率应是1.213。还考虑到入射的强激光,所以这里选用的减反膜是具有高损伤阈值的sol-gel膜,在351nm入射光下其折射率是1.22,故单层sol-gel膜的厚度应是72nm。即在仿形膜情况下:dp+d=72nm,d1=d,f1=f;在平面膜情况下:dp+d=72nm。

图2 光栅表面镀膜示意图

根据严格耦合波理论,我们对以上的两种镀膜方案进行了数值模拟,并与未镀膜情况下的光栅的衍射效率进行了对比分析。镀膜前的光栅假设为在文献[1]中分析好的结构,即空频是568(l/mm),占宽比为0.5,槽深是12nm的矩形光栅。此时的零级透射光的效率是96.1%,取样效率(即一级透射光衍射效率)为1.019&permil;。

2.1 仿形膜
根据严格耦合波理论的基本的思想,我们建立了分析镀膜后的光栅衍射效率的程序,即在分层处理的时候,我们把中间一层认为是周期无穷大的周期结构,其他的仍然是标准的周期结构。对于sol-gel膜,其光学厚度为72nm=dp+d,因为d=12nm,所以dp=60nm,且d1=d,f1=f=0.5。由这些结构参数,计算了此种结构下的衍射效率和dp的关系;并与单纯地认为无光栅结构基底下,使用薄膜光学的理论公式计算了透射率和膜厚的关系的结果进行了对比,如图3所示。其一级衍射效率和膜厚的关系如图4所示。

从图3可以看出,峰值的位置基本上都是在72nm附近,再考虑到光栅还有其它的衍射级次,故零级衍射效率的值小于相应处的透射率,这时零级透射光的效率由96.1%上升到了99.5%。从图4也可以看出,在膜厚为72nm附近,一级衍射效率也取最大值,但是其整个的变化范围是比较小的,与没有镀膜时的衍射效率1.019&permil;相比,几乎可以认为没有什么大的变化。


图3 膜厚的变化对衍射效率和透射率的影响                      图4 一级衍射效率和仿形膜厚的关系

2.2 平面膜
对于平面膜情况,其结构参数中,d与f仍保持不变,d=12nm,f=0.5。仍然使用sol-gel膜,计算了此种结构下的零级衍射效率和dp的关系,如图5所示。其一级衍射效率和dp的关系如图6所示。


图5零级衍射效率和平面膜厚的关系                                图6 一级衍射效率和平面膜厚的关系

从图5可以看出,峰值的位置基本上也是在72nm附近,再考虑到光栅还有其它的衍射级次,故零级衍射效率的值必然是要小于1的,这时零级透射光的效率由96.1%上升到了99.8%,即在平面膜情况下,零级透射光的效率与仿形膜情况下是相似的。但从图6可以明显看出,在膜厚为72nm附近,一级衍射效率取最小值,与图4相比,正好相反;与没有镀膜时的衍射效率1.019&permil;相比,此时的一级衍射效率才是0.241&permil;。

以上的结论,对于取样光栅的使用是更加的有利。当镀上了光学厚度为1/4波长的减反膜后,能量的反射损失大大地减小了,对于透射零级光而言,它的光能是更加的强了,而对于透射一级衍射光,其衍射效率要低的很多。由此,在实际的制作中,对于浅槽的要求也可稍微放宽一点,即在离子刻蚀时,可以稍微刻蚀深一点。

3 结论
在实际的镀膜条件下,很难将光栅的结构重现在薄膜上,而且,这里的光栅的槽深本身就很浅。以及根据对二种镀膜模型的分析,我们认为平面膜在实际镀膜中是切实可行的,当镀上了光学厚度为1/4波长的减反膜(sol-gel)后,即膜厚为72nm附近时(d=12nm,dp=60nm左右),其能量的利用率更高(99.8%),而且相应的一级衍射效率更低,只有0.241&permil;。如果我们还要保证取样效率是1&permil;的话,由dp=60nm,可以解出d=25nm。此时的零级透射光的效率是99.5%。

综上所述,对取样光栅镀平面膜是一种可行的技术方案,它不仅能明显降低ICF 驱动器终端三倍频光(351nm)的损耗,而且还便于工艺实现。未镀膜取样光栅的透过率受到光栅表面菲涅尔反射的影响,最大透过率在96.1%左右,采用文中所述镀平面膜的方案,可以使光栅面反射几乎完全消除,在强激光传输应用中具有明显的比较优势。裸光栅的深度d是12nm时,膜厚dp为60nm,即光学厚度为1/4波长:d+dp=72nm。此时的取样效率为0.241&permil;。或者保证取样效率是1&permil;,则有dp=60nm, d=25nm。

致谢
感谢国家高技术研究计划(863计划)的资助;感谢苏州大学青年教师研究基金的资助。

参考文献
1 刘全,吴建宏,李朝明. 取样光栅的设计及衍射行为研究[J]. 激光技术,2005,29(4):398~400.
2 高福华,曾阳素,谢世伟等. 电子束直写制作低效取样光栅[J]. 中国激光,2003,30(2):134~136.
3 H. A.麦克劳德. 光学薄膜技术[M]. 北京: 国防工业出版社,1974:54~55
4 刘全,吴建宏. 光栅的标量衍射理论与耦合波理论的分析比较[J].激光杂志,2004,25(2):31~34.
5 M.G.Moharam,T.K.Gaylord. Rigorous coupled-wave analysis of planar-grating diffraction[J]. J.Opt.Soc.Am.,1981,71(7):811~818.
6 M.G.Moharam,T.K.Gaylord. Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings[J]. J.Opt.Soc.Am.,1982,72(10):1385~1392.
7 M.G.Moharam,Eric.B.Grann,Drew.A.Pommet,etal. Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings[J]. J.Opt.Soc.Am.,1995,A12(5):1068~1076.

作者简介:刘全(1978—),男,安徽滁州人,研究实习员,硕士。主要从事衍射光学和微细加工技术的研究。

 

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