CN101887140A - 宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法，宽带全介质多层膜反射衍射光栅，包括基底，由高折射率材料和低折射率材料周期***替的高反膜层和光栅层，其特征是：在所述的高反膜层和光栅层之间还有匹配层和剩余膜层，所述的匹配层的材料折射率与所述的高反膜层中的低折率材料相同，所述的光栅层和刻蚀剩余膜层的材料折射率低于所述的高折射率材料的折射率，所述的光栅层的周期、占空比、刻蚀深度、剩余膜层的厚度、匹配层的厚度和用于高反膜层制备的控制波长的取值是关联的并通过多参数优化设计来确定。本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅在TE偏振光入射时在反射衍射-1级方向超过100nm宽光谱带宽内衍射效率高于97.5％。

Description

宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法

技术领域

本发明涉及光栅，特别是一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法。

背景技术

基于啁啾脉冲放大技术的高功率超短脉冲激光器在激光加工和研究光与物质相互作用等领域有着广泛的应用需求。全介质多层膜光栅作为啁啾脉冲放大技术的核心元件，具有高衍射效率、高抗激光破坏能力的优点，这对于提高脉冲激光***的输出功率，延长激光***使用寿命都非常有利。随着激光脉冲宽度的不断变窄，光谱宽度就随之拓宽，比如脉宽达到飞秒级别，对应的光谱宽度可超过100nm，那么，也就要求用于脉冲压缩和展开的光栅能在这么宽的入射波长范围内提供高的衍射效率。

然而，已报道的关于全介质多层膜光栅设计与制备的研究基本上是针对应用于纳秒级脉冲激光器，通常只关注该类光栅对中心波长的衍射效率。这些全介质多层膜光栅衍射光谱带宽都不是很宽，一般不超过40nm，那么，发明宽带全介质多层膜光栅是有强烈的应用需求的。

多层介质膜光栅的基本结构是在介质基底上镀制由高低折射率材料交替组成的多层介质膜堆，在膜堆的最顶层膜层上刻蚀了周期性的光栅结构。根据多层介质膜光栅的工作原理，其结构可以看成如下两个部分：基底之上的多层介质高反膜(不包括最顶层)和顶层周期性光栅结构。顶层膜在被刻蚀成光栅结构时一般有一定的剩余厚度。

通常设计用于脉冲宽度在纳秒级的全介质膜光栅，因为对其衍射带宽没有要求，所以可以采用局域优化设计方法设计中心波长的反射衍射-1级具有接近100％衍射效率的结果。其具体设计方法是选择两个光栅参数，如光栅占空比和顶层刻蚀深度，计算他们的变化对中心波长的反射衍射-1级效率的影响，然后通过比较几对光栅参数对衍射效率的影响，便可以获得中心波长在反射衍射-1级具有最高衍射效率的光栅参数了。但是，局域优化设计方法并不能给出光栅衍射谱的信息，而且得到的参数往往不能获得光栅的宽衍射光谱特性。

另外，有研究单位采用金属膜结合介质膜实现在宽光谱范围内具有较高衍射效率的脉冲压缩光栅。但由于金属材料的引入，金属材料固有的吸收特性将一定程度限制了该类光栅的抗激光破坏能力。而且，长期使用后会因为金属材料吸收光能发生热形变，从而可能破坏光束的波前。

通过以上分析，一种在宽光谱范围内具有高衍射效率的全介质多层膜光栅具有实际需求，并且，提供一种新的设计方法来设计该光栅也是很有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅及其设计方法，该宽带全介质多层膜光栅具有超过100nm光谱带宽内TE偏振光入射时在反射衍射-1级方向上具有衍射效率超过97.5％的全介质多层膜光栅，其工作中心波长为800nm。

为了实现这一目的，本发明的技术将解决方案如下：

一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅，包括基底，由高折射率材料和低折射率材料周期交替的高反膜层和光栅层，其特点是：在所述的基底之上依次是由高折射率材料和低折射率材料周期***替的高反膜层和光栅层之间还有匹配层和剩余膜层，所述的匹配层的材料折射率与所述的高反膜层中的低折率材料相同，所述的光栅层和刻蚀剩余膜层的材料折射率低于所述的高折射率材料的折射率，所述的光栅层的周期、占空比、刻蚀深度、剩余膜层的厚度、匹配层的厚度和用于高反膜层制备的控制波长的取值是关联的并通过多参数优化设计来确定。

所述的高反膜层的高折射率膜层材料为TiO₂或Ta₂O₅，低折射率膜层材料为SiO₂，每一膜层的光学厚度为四分之一参考波长，所述的匹配层的材料为SiO₂。

所述的光栅层和刻蚀剩余膜层的材料为HfO₂。

所述的高反膜层中高折射率膜层和低折射率膜层的交替重复次数不小于9次。

一种宽光谱全介质多层膜光栅的设计方法，其特征在于包括下列步骤：

①选定高反膜中高折射率膜层、低折射率膜层和匹配层的折射率，光栅层以及剩余膜层的材料折射率，设定光栅的使用角度，并设定优化的波长范围和波长间隔；

②选择参与优化的光栅参数包括光栅的周期、占空比、光栅层厚度、顶层剩余厚度、匹配层厚度和用于控制高反膜中膜层厚度的参考波长，并设定每个参与优化的光栅参数的初始值，最小取值和最大取值；

③采用傅立叶模式理论中光栅衍射效率，确定评价函数为所需设计波长带宽内选出的每个波长的反射衍射的-1级衍射效率与目标衍射效率的均方差值，评价函数为：

$\mathrm{MF}={\left\{\frac{1}{N}\underset{\mathrm{\λi}}{\mathrm{\Σ}}{[100\%-{\mathrm{\η}}_{-1}^R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)]}^2\right\}}^{1/2}$

其中：其中：

是每一组光栅参数对应入射波长λ_i的反射衍射的-1级衍射效率，优化目标衍射效率设定为100％，N为选择计算的入射波长数量；

④计算每组光栅参数的评价函数值；

⑤判断评价函数值是否满足要求，如果满足要求，停止优化设计；

⑥如果没有满足要求，改变参与优化的光栅参数的数值，重复步骤④和⑤；

⑦直到评价函数满足要求。

以往的多层介质膜光栅结构只包括两种折射率不同的材料。本发明中采用了三种不同折射率的材料，由折射率最大的高折射率材料和低折射率材料组成光栅底部的高反膜，而用于刻蚀光栅结构的顶部膜层采用了折射率相对较低的高折射率材料。

对于高反膜来说，要求为光栅提供超过200nm带宽内反射率超过99％，这可以通过扩大不同材料的折射率差值，获得了更宽的反射带宽。本发明中高反膜的高折射率材料可以选择TiO₂、Ta₂O₅等，低折射率材料为SiO₂，各膜层的光学厚度为四分之一参考波长。

对于顶层用于刻蚀光栅的膜层，该层采用了折射率相对较低的高折射率材料HfO₂。材料HfO₂的使用有利于减弱对入射光的调制，使得在宽光谱范围内光栅的反射衍射-1级高衍射效率的条件得到满足，从而实现宽的衍射带宽；另外，由于HfO₂的电子能级带宽比TiO₂、Ta₂O₅等材料的电子能级带宽大，这对提高光栅的抗激光破坏能力是有利的。顶层用于刻蚀光栅的膜层在刻蚀一定厚度光栅结构后需要有一定厚度的剩余，这样可以保护匹配层不被刻蚀。

在高反膜的顶层和用于刻蚀光栅结构的膜层之间引入了一层匹配层，其材料为SiO₂，该层厚度需要根据参照其它光栅参数而确定。在优化时设定的匹配层厚度取值范围为10nm到400nm。匹配层的引入确保光栅的反射衍射-1级高衍射效率的条件能在宽光谱范围内得到满足。

本发明提出了一种多参数优化设计方法，通过选择多个光栅参数，设定各个参数的初始值，最小值和最大值，计算各组参数下光栅各波长的衍射效率，然后计算优化评价函数，根据评价函数值确定继续优化或优化完成。当评价函数值满足要求时，得到的光栅参数为所需的设计结果。

根据上述光栅结构模型，具体参与优化的光栅参数及其选择依据如下：

1、顶层刻蚀的光栅起伏结构中，光栅的周期、占空比、光栅层厚度和顶层剩余厚度对光栅的衍射效率和带宽都是有影响的。所以优化时包含了这四个变量。

2、多层介质膜光栅底部的高反膜需要将入射在光栅表面的透射衍射0级和-1级方向光束能量全部反射回光栅表面，而且需要有一定的反射带宽，该反射带宽的中心波长与光栅最终的衍射带宽中心波长接近。为了便于多层膜的制备，本发明的多层介质高反膜采用了规整的高低折射率材料的周期***替结构，基础膜系的重复次数为9到12次。本发明中通过改变控制膜层厚度的参考波长来实现光栅所需的反射效率和带宽，所以在优化过程中包含了参考波长这个变量。

3、在本发明中，在多层介质膜光栅底部的高反膜和顶部用于刻蚀光栅的膜层之间引入了一层匹配层。由于高反膜的最上面一层和用于刻蚀光栅结构的膜层都是由高折射率材料构成，所以匹配层选用了低折射率材料。匹配层的引入可以使得光栅的-1级高衍射效率条件在更宽的光谱范围内得到满足。

综合以上分析，本发明采用的多参量优化设计方法中，包含了光栅的周期、占空比、刻蚀深度、顶层剩余厚度、匹配层厚度和高反膜的控制波长六个变量。

根据光栅使用条件或者光栅的制备工艺条件，各参数的取值范围如下：

1、光栅周期的取值范围的选择需要确保光束在工作角度入射时，其-1级衍射角小于入射角，同时确保只能有0级和-1级两个衍射级次。光栅周期具体取值范围需考虑实际使用条件，根据光栅方程来确定。

2、根据现成熟的光栅制备工艺，占空比取值的上下限分别为0.5和0.25。

3、光栅层厚度取值越大，对应的设计结果制备难度越大，所以光栅层厚度最大值不超过500nm，其最小值需要大于0。

4、顶层剩余厚度和光栅层厚度之和为顶层膜层总厚度。由于单层膜厚度越厚，在膜层制备及其内部应力控制上困难越大，所以顶层剩余厚度的取值上限不宜太大，一般不超过300nm。顶层剩余厚度的最小值一定要大于0，这样刻蚀过程中对匹配层有保护作用。

5、匹配层的最大取值不超过300nm，最小值必须大于0。

6、高反膜各层厚度的控制波长取值范围的选取也是根据具体基础膜系和使用条件来确定的，选定的取值范围内需确保能优化出在使用条件下能提供大于99％的反射率的高反膜。

上述光栅参数的初始值为对应各参数最大值和最小值之间的任意一个值。

本发明采用傅立叶模式理论光栅衍射效率。根据文献[1](参见L.Li，″Multilayer modal method for diffraction gratings of arbitrary profile，depth，and permittivity，″J.Opt.Soc.Am.A 10，2581-2591(1993)]中对傅立叶模式理论计算算法的阐述，在每一分层结构中，电磁场满足麦克斯韦方程组。光栅结构具有周期性，结合本发明中光栅实际使用情况，每一层的电场E和磁磁场H的基本场用傅立叶模级数展开为：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\σE}\\ H\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{E}_{\mathrm{xm}}& E_{\mathrm{ym}}& E_{\mathrm{zm}}\\ H_{\mathrm{xm}}& H_{\mathrm{ym}}& H_{\mathrm{zm}}\end{array}\right]\·\exp \{i\·k_0[{\mathrm{\α}}_{m}x+\mathrm{\γh}\left]\right\}---\left(1\right)$

其中：m代表傅立叶模级数的级次，也对应了光栅的衍射级次，取值m＝0、±1、±2…；σ＝ε＝n²，n是材料折射率；α_m＝α₀+mλ/Λ，λ是入射波长，Λ是光栅的周期，α₀＝sinθ，θ是入射角度；k₀＝2π/λ，表示入射波数；h是该层的厚度；i是虚数单位；γ为待求的电磁场方程的本征值。

对于光栅周期性结构层，光栅脊和光栅槽的材料折射率不一样，在两种材料边界处介电常数张量元是不连续的，直接展开会引起数值计算的不收敛，需要对其进行傅立叶逆变换。介电常数张量元的傅立叶逆变换计算公式为：

${\left[\mathrm{\ϵ}\right]}_{\mathrm{pq}}=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}({\mathrm{\ϵ}}_r\·\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}(p-q)\·f]+{\mathrm{\ϵ}}_g\·\exp [-i\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}(p-q)\·(\mathrm{\Λ}-f)\left]\right)---\left(2\right)$

其中p、q表示计算结果在张量中对应的行和列，ε_r、εg分别光栅脊和光栅槽材料介电常数，数值等于各自材料折射率的平方；f为光栅脊的宽度。

通过公式(1)结合公式(2)就可以对光栅各层的电磁场进行傅立叶展开，得到了各层电磁场联立的本征方程：

$A\left[\begin{array}{c}E\\ H\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}E\\ H\end{array}\right]\mathrm{\γ}---\left(3\right)$

其中：A表示本征方程的系数矩阵，其包含的每一个量都可以通过公式(1)结合公式(2)得出。计算本征方程(3)可以求出本征值γ和本征矢矩阵W_o根据本征值γ和本征矢矩阵W就可以完全确定各层的电场强度和磁场强度：

$\left[\begin{array}{c}E\\ H\end{array}\right]=W\left[\begin{array}{c}\exp \{i\·k_0[a_{m}x+\mathrm{\γh}\left]\right\}\·u\\ \exp \{i\·k_0[a_{m}x-\mathrm{\γh}\left]\right\}\·d\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，u和d分别为反射波和透射波的振幅，其数值是根据电磁场在边界处连续条件而确定的。最低一层反射波振幅为0，采用反射透射系数阵递推算法推出各个级次的反射衍射电场强度和磁场强度

以及透射衍射电场强度

和磁场强度

从而求出各级的反射衍射效率和透射衍射效率：

${\mathrm{\η}}_m^R=\frac{\mathrm{Re}[E_m^R\·{\left(H_m^R\right)}^{*}]}{\cos \mathrm{\θ}}$

(5)

${\mathrm{\η}}_m^T=\frac{\mathrm{Re}[E_m^T\·{\left(H_m^T\right)}^{*}]}{\cos \mathrm{\θ}}$

其中，Re表示取实部，*表示取共轭。本发明中关注的是-1级反射衍射效率，即

${\mathrm{\η}}_{-1}^R=\frac{\mathrm{Re}[E_{-1}^R\·{\left(H_{-1}^R\right)}^{*}]}{\cos \mathrm{\θ}}.$

可以看出计算光栅衍射效率时，涉及到入射介质折射率，光栅脊、光栅槽、顶层刻蚀剩余厚度层、匹配层、高反膜中各膜层的厚度和材料折射率，基底折射率，光栅层中光栅结构的周期和光栅脊的宽度，另外，还包括光栅的使用波长和使用角度。以上参数中，各个材料的折射率是根据材料的选定而确定的，使用波长和使用角度是由实际应用需求确定的，在具体光栅设计时，这些参量是固定的，不参与优化。那么剩下参量就是我们之前选定光栅参数，或者能用选定的参数表示。

通过以上分析，可以看出光栅衍射效率与选定参与优化的六个变量密切相关，也就是随着这六个变量取值的变化，光栅的衍射效率也不同。本发明的多参数优化设计方法就是计算了六个变量取不同值时的光栅衍射效率，再评价具有该光栅参数的光栅的衍射特性是否能满足要求，如果满足就完成了设计；如果不满足则优化各参数的值，再计算光栅衍射效率，评价其特性，直到满足要求完成设计。

优化设计的评价函数MF是一个均方根函数：

$\mathrm{MF}={\left\{\frac{1}{N}\underset{{\mathrm{\λ}}_i}{\mathrm{\Σ}}{[100\%-{\mathrm{\η}}_{-1}^R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)]}^2\right\}}^{1/2}---\left(6\right)$

其中：

是每一组光栅参数对应入射波长λ_i的反射衍射-1级效率。优化目标衍射效率设定为100％。N为选择计算的入射波长数量，比如设计一个750nm到850nm波长范围内具有高衍射效率的全介质膜光栅，选择波长间隔为5nm，那么N就等于21。评价函数MF的数值越小，参与计算所有波长的衍射效率越接近100％，具体判断评价函数的标准需根据设计的衍射带宽来确定。根据评价函数MF的数值不断进化各个光栅参数的数值，直到MF的值满足要求。

各个光栅参数取值的优化是采用进化算法来完成的，具体的进化算法包括模拟退火算法，粒子群优化算法，遗传算法等等。实际操作时可以运用matlab优化算法工具箱，首先设定各个参数取值上下限和初始值，评价函数就是调用公式(6)给出的评价函数程序，考察评价函数值以确定优化是否完成。

多参数优化的设计步骤如下：

1、设定各材料的折射率(包括入射介质和基底材料)；

2、根据光栅使用条件设定使用角度，并设定参与优化的波长范围和波长间隔；

3、设定参数优化计算的光栅参数(光栅的周期、占空比、刻蚀深度、顶层剩余厚度、匹配层厚度和高反膜的控制波长)的上下限；并设定各参数的初始值；

4、采用傅立叶模式理论计算初始值条件下光栅的衍射效率；

5、根据光栅衍射效率计算评价函数值；

6、判断评价函数值，如果满足要求，完成设计；如果不满足要求，采用进化算法更新各参数的取值；

7、计算各参数新取值条件下光栅衍射特性，评价函数值，判定评价函数，直到满足要求，完成设计。

本发明提供的宽光谱全介质多层膜光栅设计的流程图如图6所示。

基于本发明提出的宽带全介质多层膜反射衍射光栅结构模型和多参数优化设计方法，得到的宽带全介质多层膜反射衍射光栅相比已报道的同类光栅，其带宽得到了拓宽。该光栅可应用于更短的脉冲激光***中。另外相比基于金属结合介质膜实现的宽光谱光栅，本发明中的光栅采用了全介质材料，将能提供更高的抗激光破坏能力。

附图说明

图1为本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅结构的剖面图。

图2为宽带全介质多层膜反射衍射光栅反射衍射示意图。

图3为本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅用多层介质高反膜的反射光谱。

图4为本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅的反射衍射-1级衍射光谱，在750nm到850nm波长范围内光栅的平均衍射效率超过97.5％。

图5为本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅的反射衍射-1级衍射光谱，在750nm到850nm波长范围内光栅的平均衍射效率超过98％。

图6为本发明宽光谱全介质多层膜光栅设计的流程图。

图中：

1-光栅层  2-刻蚀剩余膜层  3-匹配层  4-高反膜中的高射率材料膜层5-高反膜中的低射率材料膜层  6-由高折射率材料4和低折射率材料5周期交替组成的高反膜层  θ_i-入射角度  θ_diff-衍射角度  L_in-入射光束L_-1--1级衍射光束  λ₁、λ₂、λ₃-不同波长光束  Λ-光栅周期  f-光栅脊的宽度

具体实施方式

本发明提出的多层介质膜光栅结构模型的剖面结构如图1所示。底部的高反膜6部分是由折射率相对更高的高折射率材料膜层4和低折射率材料膜层5交替而成组合，其上是匹配层3，匹配层制上是顶层剩余膜层2和光栅层1。

图2是光栅的反射衍射示意图。首先多层介质膜光栅的底部有多层高反膜，这确保了入射光束(L_in)的能量不会透射到基底背面，也就是说入射光束能量只能通过反射衍射形式出射。另外，在脉冲压缩用的光栅设计中，为了确保反射衍射-1级的能量能达到接近100％，一般采用光栅周期小于入射波长的光栅结构，这样反射衍射级次只有0级和-1级。此时，只要抑制反射衍射0级方向出射的能量，便可获得反射衍射-1级方向的最大能量输出。图2所示所有波长的反射衍射-1级衍射角都小于入射角度，这是啁啾脉冲放大***中光栅的实际使用需求。

下面结合中心波长800nm的飞秒脉冲激光用的脉冲压缩光栅的设计实例详细说明本发明的具体优化过程。

设计实例一：

光栅使用角度为57度。本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅用的多层介质膜结构为：S(HL)⁹ H M R G A。H和L分别为四分之一参考波长厚度的高折射率材料膜层和低折射率材料膜层，HL基本膜系重复9次；M为匹配层，G和R分别为顶层刻蚀光栅结构层和顶层刻蚀剩余膜层。S为K9基底，A为入射空气层。每层的材料和相应的折射率率如下：

本实例中光栅周期取值为480nm到510nm。占空比取值范围为0.25到0.5。光栅刻蚀厚度、顶层剩余厚度和匹配层厚度取值的上下限分别为300nm、300nm、300nm和10nm、10nm、10nm。用于控制高反膜中各膜层厚度的参考波长取值范围为800nm到880nm。

优化设计时计算了750nm到850nm波长范围内的衍射效率，步长为5nm。计算各组光栅参数对应的评价函数MF值。光栅各组参数的进化是采用了模拟退火算算法优化获得的。评价函数越小越好，经过多次优化得到了最小的评价函数值为2.4518，对应的光栅周期为510nm，占空比为0.25。光栅刻蚀厚度、顶层剩余厚度和匹配层厚度分别为193nm，10nm，39nm。参考波长为856nm。

图3为多层介质高反膜在参考波长为856nm时的反射谱。对应的高折射率率材料Ta₂O₅膜层厚度为100.9nm，低折射率材料SiO₂膜层厚度为146.6nm。图中实线为所有波长以相同入射角度57度入射到高反膜的反射谱，该反射带是高反膜为光栅0级衍射提供的反射谱。图中虚线为各个波长以衍射-1级角度入射时高反膜的反射谱，该谱线带宽确定光栅最终衍射带宽。各波长的-1级衍射角可以根据光栅衍射方程计算得出：

Λ(sinθ_i+sinθ_diff)＝-λ                          (2)

其中Λ为光栅周期，在本实例中取510nm；λ为入射波长；θ_i和θ_diff分别为入射角和衍射角。

图4为宽带全介质多层膜反射衍射光栅的宽带衍射谱。衍射效率超过97.5％的带宽超过100nm，其中心波长为800nm。这证明了本发明提出了设计方法是有效可行的。另外可以看出该衍射带宽与多层高反膜为光栅的-1级衍射提供的反射带宽(图3中虚线表示)接近，这也说明本发明中的多参数优化设计方法充分应用了多层反射膜的带宽。

设计实例二：

光栅结构和使用条件与设计实例一相同，将设计实例一中的Ta₂O₅替换成TiO₂(折射率为2.31)，其它材料不变。优化设计时各参数取值范围、优化步骤也和设计实例一一致。经过多次优化设计，得到了最小评级函数值为1.4358，对应的光栅周期为510nm，占空比为0.25。光栅刻蚀厚度、顶层剩余厚度和匹配层厚度分别为210nm，11nm，18nm。参考波长为834nm。

图4为本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅的宽带衍射谱。以800nm为中心波长，光栅的衍射效率超过98％的带宽超过100nm。

通过比较两个设计实例，还可以看出提高高反膜中高折射率材料的折射率，有利于提高光栅的衍射带宽和衍射效率。

综合以上的详细分析和实例论证，本发明提出了宽带全介质多层膜反射衍射光栅结构和设计方法，有效的设计了宽光谱全介质膜光栅，实验表明本发明宽带全介质多层膜反射衍射光栅在TE偏振光入射时在反射衍射-1级方向超过100nm宽光谱带宽内衍射效率高于97.5％。

Claims (5)

1.一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅，包括基底，由高折射率材料(4)和低折射率材料(5)周期交替的高反膜层(6)和光栅层(1)，其特征是：在所述的高反膜层(6)和光栅层(1)之间还有匹配层(3)和剩余膜层(2)，所述的匹配层(3)的材料折射率与所述的高反膜层(6)中的低折率材料相同，所述的光栅层(1)和刻蚀剩余膜层(2)的材料折射率低于所述的高折射率材料(4)的折射率，所述的光栅层(1)的周期、占空比、刻蚀深度、剩余膜层(2)的厚度、匹配层的厚度和用于高反膜层(6)制备的控制波长的取值是关联的并通过多参数优化设计来确定。

2.如权利要求1所述的宽带全介质多层膜反射衍射光栅，其特征在于所述的高反膜层(6)的高折射率膜层(4)材料为TiO₂或Ta₂O₅，低折射率膜层(5)材料为SiO₂，每一膜层的光学厚度为四分之一参考波长，所述的匹配层(3)的材料为SiO₂。

3.如权利要求2所述的宽带全介质多层膜反射衍射光栅，其特征在于所述的光栅层(1)和刻蚀剩余膜层(2)的材料为HfO₂。

4.如权利要求1所述的宽带全介质多层膜反射衍射光栅，其特征在于所述的高反膜层(6)中高折射率膜层(4)和低折射率膜层(5)的交替重复次数不小于9次。

5.一种宽带全介质多层膜反射衍射光栅的设计方法，其特征在于包括下列步骤：

①选定高反膜(6)中高折射率膜层(4)和低折射率膜层(5)，匹配层(3)的折射率，光栅层(1)以及剩余膜层(2)的材料折射率，设定光栅的使用角度，并设定优化的波长范围和波长间隔；

②选择参与优化的光栅参数包括光栅的周期(Λ)、占空比(f/Λ)、光栅层厚度、顶层剩余厚度、匹配层厚度和用于控制高反膜中膜层厚度的参考波长，并设定每个参与优化的光栅参数的初始值，最小取值和最大取值；

③采用傅立叶模式理论中光栅衍射效率，确定评价函数为所需设计波长带宽内选出的每个波长的反射衍射的-1级衍射效率与目标衍射效率的均方差值，评价函数为：

$\mathrm{MF}={\left\{\frac{1}{N}\underset{\mathrm{\λi}}{\mathrm{\Σ}}{[100\%-{\mathrm{\η}}_{-1}^R\left({\mathrm{\λ}}_i\right)]}^2\right\}}^{1/2}$

其中：其中：是每一组光栅参数对应入射波长λ_i的反射衍射的-1级衍射效率，优化目标衍射效率设定为100％，N为选择计算的入射波长数量；

④计算每组光栅参数的评价函数值；

⑤判断评价函数值是否满足要求，如果满足要求，停止优化设计；

⑥如果没有满足要求，改变参与优化的光栅参数的数值，重复步骤④和⑤；

⑦直到评价函数满足要求。

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