雷射合束用偏振無關光柵的製作方法

《雷射合束用偏振無關光柵的製作方法》是依託清華大學，由李立峰擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雷射合束用偏振無關光柵的製作方法
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：李立峰
• 項目類別：面上項目

項目摘要

利用光柵實現光譜合束是目前被最為廣泛研究的獲得更高功率光纖雷射輸出的技術之一。光纖雷射隨著輸出功率的增加其偏振特性會明顯退化，為避免合束效率的下降和由此導致的光柵損傷，需要合束光柵對不同的偏振態均有儘可能高的衍射效率。這種光柵被稱為偏振無關光柵。該光柵的製作容差要求非常苛刻，目前尚未見製作方法的詳細報導。偏振無關光柵的占寬比和槽深是兩個關鍵參數，分別由顯影過程和離子束刻蝕過程控制。在占寬比控制方面，提出在顯影過程中監測TE和TM衍射效率及兩者之比來精確控制光柵掩模的占寬比，儘可能排除光刻膠厚度不同或者曝光量不同給占寬比控制帶來的影響；在槽深控制方面，提出在刻蝕過程中監測TE和TM衍射效率變化來精確控制光柵的刻蝕深度，儘可能排除刻蝕速率比測量不準導致的槽深誤差。最終製作出滿足設計要求的偏振無關光柵，並在光譜合束實驗中使用。

結題摘要

高功率雷射系統在國防和工業等領域有非常重要的套用，在單束雷射功率一定的前提下，將多束雷射合束輸出，將有助於提高總的雷射輸出功率。光譜合束是目前套用最廣的合束方法。光譜合束系統中，合束光柵是關鍵的合束元件。針對光纖雷射合束，需要使用非偏光柵，由於要求對TE和TM偏振同時有高衍射效率，設計和製作難度都非常大。本項目研究非偏光柵的製作工藝，特別關注製作過程中對槽形的精確控制，以及對高反膜上光刻膠掩模槽形的精確無損檢測。考慮到光柵是一種各向異性元件，用同一衍射級次TM偏振和TE偏振衍射效率之比，來控制或者反演掩模槽形，有助於抑制共模噪聲。基於這一思路，我們提出實時控制光刻膠掩模占寬比，和離線測量掩模槽形的方法。在光柵槽形控制方面，提出通過顯影監測同一衍射級次的TM偏振光衍射效率和TE偏振光衍射效率的比值，來更準確的控制掩模占寬比的方法。其特點是通過最佳化尋找強烈依賴於占寬比，而不是槽深的測量條件，抑制測量系統中的多種共模噪聲，提高掩模占寬比控制精度。在光柵槽形無損檢測方面，提出一種測量多層介質膜上的光刻膠掩模槽形的方法。該方法的特點是同時考慮鍍膜誤差以及測量條件的正交性，通過在槽形可能的取值範圍內最佳化測量條件，可大幅降低由鍍膜誤差導致的槽形反演誤差。我們通過顯影監測和刻蝕監測，分別精確控制光刻膠掩模占寬比和刻蝕深度。最終製作的非偏光柵周期達到769.2 nm，在1050 nm - 1080 nm波段內，TE和TM兩種偏振態衍射效率均高於96.5%，最高達到98.5%；TE和TM偏振態平均衍射效率均高於97%，最高達到98%。