全内反射式衍射光栅近场光学特性

　　高衍射效率的光栅在现代光学系统中发挥着重要的作用,包括光通信、光谱测量、传感和成像等。高效率光栅也是激光系统中不可缺少的元件,特别是作为啁啾脉冲放大(CPA)系统中的脉冲展宽/压缩器[1]。用于CPA系统中的衍射光栅不仅要有高的衍射效率,而且用于压缩超短脉冲的光栅也需要较高的损伤阈值,以保证整个激光系统的稳定运行。由于存在较大的吸收,金属光栅的损伤阈值较低,也限制了衍射效率的进一步提高[2]。相比之下,全介质光栅具有很低的吸收,制作材料可具有高于金属膜数十倍的损伤阈值,衍射效率也接近100%,从而减少了能量损耗。因此,发展高效率的全介质光栅是提高脉冲激光功率的必由之路。

　　近年来提出的多层介质膜光栅(MDG)被广泛用于CPA系统[3]。MDG由多层介质高反射膜和位于其顶层的浮雕光栅组成,在自准直角使用条件下,MDG的-1级衍射效率可高于99%,损伤阈值目前已提高到4.5J/cm2(10 ps,1 053 nm)[4]。然而,MDG不仅需要设计顶层光栅结构,还要考虑底层高反射膜的特性,随着光栅面积的增大,多层膜的均匀性和清洁度的控制也给工艺过程带来挑战[5]。因此,直接在体材料上制作光栅成为获得这种高衍射效率光栅的另外一种选择,体材料的损伤阈值也要比薄膜材料高得多[6]。最近,Maciante等人提出了一种基于全内反射(TIR)原理的光栅[7],该光栅直接制作在熔石英材料上,在全内反射和自准直使用条件下,-1级衍射效率仍可高于99%。在不同使用波长处,通过优化TIR光栅结构可以获得高效、低插入损耗的各种应用器件[8]。然而,对于应用于高功率激光系统的光栅,近场光分布特性对其抗激光损伤特性有重要的影响。这主要是由于高峰值电场强度是光栅材料发生雪崩离化导致破坏的主导因素[9-10]。目前,对于满足高效率的TIR光栅,其峰值电场随光栅结构的变化规律报道还很少。因此,理论分析和优化TIR光栅的近场光分布对其在高功率激光系统中的应用有重要意义。

　　本文利用傅里叶模式理论分析了TIR光栅近场光分布,分别讨论了TE波和TM波入射时,具有高效率的TIR光栅的近场光分布特点,分析了峰值电场随光栅槽深、占宽比以及周期的变化规律,最后讨论了入射角度变化对峰值电场的影响。

    1　理论模型

　　图1为TIR光栅结构示意图,具有矩形结构的浮雕光栅位于石英体材料上。当入射光以自准直角θi从石英入射到光栅,并且光栅周期满足(1)式时,入射光全部被反射回石英体内式中:n1和n2分别为石英和空气的折射率

式中:n1和n2分别为石英和空气的折射率;λ为入射波长;T为光栅周期。