CN114041072A - 抗高峰值能量超短脉冲光通量的反射衍射光栅及其制造方法 - Google Patents
抗高峰值能量超短脉冲光通量的反射衍射光栅及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114041072A CN114041072A CN202080044906.7A CN202080044906A CN114041072A CN 114041072 A CN114041072 A CN 114041072A CN 202080044906 A CN202080044906 A CN 202080044906A CN 114041072 A CN114041072 A CN 114041072A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- diffraction grating
- metal
- intermediate metal
- metal layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000004907 flux Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 9
- 238000007716 flux method Methods 0.000 title description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 148
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 148
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 32
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 159
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 28
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 27
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 15
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 10
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910000575 Ir alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 4
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 4
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 4
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001020 Au alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- BEHSQFZSTNVEGP-UHFFFAOYSA-N [Ag].[Ir] Chemical compound [Ag].[Ir] BEHSQFZSTNVEGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- UUJUSYZAINCIOV-UHFFFAOYSA-N [Ir].[Ag].[Cu].[Au] Chemical compound [Ir].[Ag].[Cu].[Au] UUJUSYZAINCIOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QFDAKVWOZSFGIB-UHFFFAOYSA-N [Ir].[Au].[Ag] Chemical compound [Ir].[Au].[Ag] QFDAKVWOZSFGIB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QRJOYPHTNNOAOJ-UHFFFAOYSA-N copper gold Chemical compound [Cu].[Au] QRJOYPHTNNOAOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000009501 film coating Methods 0.000 claims description 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims description 2
- MSNOMDLPLDYDME-UHFFFAOYSA-N gold nickel Chemical compound [Ni].[Au] MSNOMDLPLDYDME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000005294 BK7 Substances 0.000 description 1
- 241000961787 Josa Species 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003353 gold alloy Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000013017 mechanical damping Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1861—Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种反射衍射光栅，包括至少一个中间金属层(14)，该中间金属层布置在外反射层(13)与包括光栅线(11)的衬底的表面(10)之间，外反射层(13)由第一金属和金属合金形成，并且中间金属层(14)由另一金属形成，另一金属具有大于第一金属或金属合金的电子‑声子耦合系数的电子‑声子耦合系数，外反射层(13)具有在具有由第一金属的反射系数确定的下限和由第一金属的热扩散长度确定的上限的范围内的厚度，以及中间金属层(14)具有大于最小值的另一厚度，以增加反射衍射光栅对具有高峰值能量的超短脉冲光通量的抵抗力。
Description
技术领域
本发明总体涉及用于高能量激光器的衍射光栅领域，例如用于激光脉冲压缩。
更具体地，涉及一种高峰值能量超短脉冲激光耐通量反射衍射光栅。还涉及制造这种光栅的方法。
背景技术
特别是在核聚变、等离子体物理和基础物理领域的研究中，目前使用的超短脉冲激光(其脉冲持续时间小于～500fs)的能量越来越高，以达到接近或超过拍瓦(PW)的峰值能量。
目前，激光链光学部件的通量抵抗力限制了激光链光学部件的最大能量。光学部件的激光通量抵抗力特别依赖于每个表面单元和持续时间的脉冲能量密度。
CPA(啁啾脉冲放大)技术部分地解决了高能脉冲激光器中光学部件的损坏阈值问题。CPA的原理是对光脉冲进行时间拉伸，从而降低其峰值能量，对时间拉伸后的脉冲进行放大，然后在激光链的末端对放大后的脉冲进行时间再压缩，以获取高能量短脉冲。因此，放大期间的光能量可以降低几个数量级。然而，在执行脉冲压缩的阶段中，损坏光学部件的风险仍然存在，特别是基于衍射光栅的使用。这些部件中的某些确实暴露在能量放大和时间压缩的脉冲中，这些脉冲具有最高的峰值能量。因此，压缩器的衍射光栅是通量抵抗力方面的限制部件。
用于脉冲压缩的衍射光栅通常是传统的金属光栅。对于红外领域(800nm、1053nm或1550nm)中的脉冲压缩，不使用铝光栅，因为它们的衍射效率通常低于90％，是不够的。另一方面，银衍射光栅是可氧化的，因此很少使用。而是使用覆盖有一层金的光栅。金基光栅在很宽的光谱带宽上提供极好的衍射效率，并且由于金是不锈材料，不需要保护层。然而，金基光栅的难题在于在飞秒状态的有限的激光通量抵抗力。此外，金基衍射光栅的损坏阈值取决于许多参数，例如激光注量、脉冲持续时间和重复率。
另一种增加衍射效率和通量抵抗力的方法是在介电镜(MLD：多层介电)上制造衍射光栅。MLD光栅通常包括两个具有不同光学指数并且在厚度方向上交替的完全透明的介电材料的大量层的交替堆叠，以及在多层堆叠的表面处的最后一个薄层中形成的光栅。这些MLD光栅在许多文章中都有详细描述，例如：Shore等人的“Design of high-efficiencydielectric reflection grating(高效介电反射光栅的设计)”，JOSA A，14卷，第5期，第1124-1136页，Hehl等人的“High-Efficiency Dielectric Reflection Gratings:Design,Fabrication,and Analysis(高效介电反射光栅：设计、制造和分析)”，Applied Optics，38卷，第30期，第6257-6271页，Bonod等人的“Design of diffraction gratings formultipetawatt laser compressors(多拍瓦激光压缩器的衍射光栅的设计)”，Proc.SPIE，5962卷，59622M(2005)。这些出版物建议制造基于完全介电、透明和无吸收的材料的衍射光栅，包括大量的双层，以允许获取通量抵抗力比包括单层金的光栅高2至3倍的MLD光栅。理论上，MLD光栅也比金基光栅具有更高的衍射效率。根据应用，目前金基衍射光栅和MLD光栅之间存在竞争。
然而，MLD光栅比金属光栅更复杂，因此制造成本更高。此外，MLD光栅的光谱带宽(几十nm)过于有限，无法用于超短脉冲(<50fs)激光链上。实际上，激光脉冲的持续时间通过傅立叶变换链接到激光的光谱带宽，这意味着脉冲持续时间与光线的光谱带宽的乘积是常数。通过信息的方式，在如今常用的800nm的中心波长处，这个乘积约等于1000fs.nm，这意味着，要获取时间宽度小于10fs的脉冲，必须具有100nm以上的带宽。本文讨论的是在围绕感兴趣的中心波长的波长域上的非常高效率带宽(>90％)。MLD衍射光栅不能具有这种类型的带宽性能。MLD光栅在中心波长1053nm处的带宽通常小于50nm。
光学元件(材料、反射镜、衍射光栅)暴露在激光脉冲下的通量抵抗力仍然是一个广阔的研究领域，所有的现象都还没有得到解释。在纳秒到皮秒脉冲范围内，激光通量在材料中引起的损坏现在已经众所周知。在飞秒领域，出现了新的现象，并且损坏模式不同。
在皮秒和纳秒范围内，主要的现象是热性质的，并与吸收有关，特别是对于金属光栅。无论材料是什么，损坏阈值都遵循脉冲持续时间的平方根定律。以下文章描述了一定数量的反射镜和衍射光栅的激光损坏测量和模型：Stuart等人的“Optical ablation byhigh-power short-pulse lasers(高能量短脉冲激光的光学消融)”，JOSAB，卷13，第2期，第459-468页，Tien等人的“Short-pulse laser damage in transparent materials as afunction of pulse duration(作为脉冲持续时间函数的透明材料中的短脉冲激光损坏)”，《物理评论快报》，卷82，第19期，1999年5月10日，第3883-3886页。
对于飞秒脉冲持续时间，偏离了这一定律，光栅线局部尺度处的物理现象似乎与材料中电磁光波电场的平方有关。因此，以下文章表明了这一点：Britten等人的“Multilayer dielectric gratings for petawatt-class laser systems(拍瓦级激光***的多介电光栅)”，SPIE论文集，卷5273，第1-7页(2004)，Neauport等人的“Effect ofelectric field on laser induced damage threshold of multilayer dielectricgratings(电场对多层介电光栅的激光诱导损坏值的影响)”，光学快报，卷15，第19期，第12508-12522页，在飞秒领域(脉冲持续时间小于500fs)衍射光栅的损坏与构成衍射光栅线轮廓的材料中电场的平方值密切相关。
实际上，对于非常有效的衍射光栅，即，其衍射能量几乎完全集中在有用的衍射级(这种类型的光栅是-1级)，由于入射场与衍射场的干涉，会形成驻波，并且在材料附近或内部，电场的振幅可以是入射场的两倍。然后讨论了电场增强。
存在传统的金属衍射光栅，它们在TE或TM偏振下工作，并进行金属处理，通常为金。金属和金属-真空交界面处的电场在构成通量抵抗力薄弱区域的线轮廓的某些点处表现出电磁场显著增强的区域。
当然，激光通量抵抗力还取决于光栅的制造质量，特别是所用材料的纯度、密度、是否有杂质或缺陷(裂纹、夹杂物、气泡、粗糙度)。
专利文献WO2010/125308_A1描述了一种反射衍射光栅，包括形成由薄介电层覆盖的光栅线的金属表面。这种衍射光栅结构旨在将电场的干涉区域推出衍射光栅之外。这种金属-介电光栅在飞秒状态具有非常高的衍射效率和更好的光通量抵抗力。
然而，通常，希望仍然将旨在暴露于非常高能量、超短脉冲光流的衍射光栅的损坏阈值推回。
此外，希望提高具有改进的通量抵抗力的衍射光栅的光谱响应，即提高衍射效率和/或光谱带宽。
然而，对超短光脉冲范围的物理现象进行建模是非常困难的，并且在目前的知识状态下，无法预测任何衍射光栅对强激光通量的响应，更无法提出一种在宽光谱带宽上同时具有改进的通量抵抗力和高衍射效率的衍射光栅结构。
发明内容
为了弥补现有技术的上述缺点，本发明提出了一种高峰值能量超短脉冲耐光通量反射衍射光栅，该衍射光栅包括形成在衬底表面上的光栅线和外反射层。
更具体地，根据本发明，提出了一种衍射光栅，包括至少一个中间金属层，该金属层布置在外反射层和包括光栅线的衬底表面之间，外反射层具有与中间金属层的交界面，外反射层由第一金属构成，并且中间金属层由另一金属构成，另一金属具有比第一金属的电子-声子耦合系数高的电子-声子耦合系数，外反射层具有在具有由第一金属的反射系数确定的下限和由第一金属的热扩散长度确定的上限的范围内的厚度，以及中间金属层具有大于最小值的另一厚度，以增加反射衍射光栅的高峰值能量超短脉冲光通量抵抗力。
在本文件中，“第一金属”指的是由纯金属或金属合金构成的材料。
类似地，“另一金属”指的是由另一种纯金属或另一种金属合金构成的材料。
与具有金线的传统衍射光栅相比，这样获取的衍射光栅在宽的光谱带宽上工作，适于脉冲压缩，并保持衍射效率。对于持续时间小于20fs的超短脉冲，这样获取的衍射光栅的工作域在持续时间和注量上都得到了扩展，例如允许它在25fs的脉冲下抵抗超过100mJ.cm-2的注量。
根据本发明的衍射光栅的其他非限制性和有利的特征，单独地或根据所有技术上可能的组合，如下所示：
-第一金属选自金和银，或金和/或银的合金和/或其他材料，例如金-镍、金-铜、金-银、金-银-铱或金-铜-银-铱合金；
-优选地，第一金属是金或金合金；
-外反射层的厚度在100nm至500nm之间，并且优选地在100nm至150nm之间；
-其他金属选自镍、铜、钼、铬、银或银-铱合金；
-中间金属层的厚度在20nm至250nm之间，例如在50nm至150nm之间。
在特定和有利的实施例中，衍射光栅进一步包括布置在包括光栅线的衬底表面上的粘合层，该粘合层布置在衬底表面和中间金属层之间，粘合层的厚度小于25nm，优选地小于10nm。
有利地，粘合层由铬或钛制成。
有利地，衬底由二氧化硅、硅、微晶玻璃、耐热玻璃或硼硅酸盐(BK7)制成。
优选地，光栅线形成在衬底中。作为替代方案，光栅线由沉积在衬底上的光敏树脂形成。
有利地，衍射光栅进一步包括形成在外反射层的表面处的介电薄膜涂层。
在特定和有利的实施例中，衍射光栅进一步包括布置在衬底和中间金属层之间的至少另一中间金属层，中间金属层和另一中间金属层形成若干中间金属层的堆叠。
本发明还提出了一种制造反射衍射光栅的方法，包括以下步骤：在衬底的表面上形成衍射光栅线；沉积中间金属层，以及沉积外反射层，外反射层具有与中间金属层的交界面，外反射层由第一金属构成，并且中间金属层由另一金属构成，另一金属具有比第一金属的电子-声子耦合系数高的电子-声子耦合系数，外反射层具有在具有由第一金属的反射系数确定的下限和由第一金属的热扩散长度确定的上限的范围内的厚度，以及中间金属层具有大于最小值的另一厚度，以增加反射衍射光栅的高峰值能量超短脉冲光通量抵抗力。
根据特定和有利的实施例，该方法进一步包括在沉积中间金属层的步骤之前在光栅线上沉积粘合层的附加步骤。
当然，本发明的不同特征、替代方案和实施例可以根据各种组合彼此相关联，只要它们不是相互不兼容或互斥的。
附图说明
此外，本发明的各种其他特征将从参照示出本发明的非限制性实施例的附图所作的附加描述中变得显而易见，其中：
[图1]示意性地示出了根据现有技术的金属衍射光栅在横向于光栅线的方向的平面中的几条线的截面图；
[图2]示意性地示出了根据本发明的实施例的多金属衍射光栅的几条线的截面图；
[图3]示意性地示出了根据本发明的另一实施例的多金属衍射光栅的几条线的截面图。
应当注意的是，在这些图中，不同的替代实施例所共有的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记表示。
具体实施方式
本公开具体涉及一种用于增加经受超强和超短激光脉冲(脉冲持续时间<500fs)的金属反射衍射光栅的激光通量抵抗力的方法。
目前超短激光领域的工作光谱域位于近红外(700nm-1100nm)。超短脉冲主要在800nm的中心波长处产生，这是超短脉冲激光链中最常用的钛：蓝宝石晶体增益范围的中间。
现在将考虑衍射光栅的制造。
衬底1通常由二氧化硅、硅制成或由光学陶瓷基质(例如，微晶玻璃、耐热玻璃或BK7类型)形成。衬底1的表面10预先以这样的方式抛光，以使残余表面粗糙度小于所用波长的一部分。表面10可以是平的、凹的或凸的。通过本领域技术人员已知的方法，在衬底1的表面10上形成衍射光栅线11。已知的方法是基于衬底的表面的直接蚀刻以形成光栅线。另一种已知的方法是基于来自主光栅的全息技术和应用于沉积在衬底上的光敏树脂层的光刻技术。这些线在大致平行于衬底的表面的方向上延伸。在横向于线的方向的平面中的光栅线的轮廓相对于横向于包括光栅线的方向的衬底的表面10的平面可以是正方形、矩形、梯形或伪梯形、对称或非对称三角形，或者还可以是正弦或伪正弦形状。衍射光栅的间距P通常在大约800至2400线/mm之间。
有利地，还已知例如通过蒸发在包括衍射光栅的线11的表面上沉积薄粘合层2。薄粘合层2通常是厚度为几纳米(小于约25nm，优选小于10nm)的铬或钛薄层。在薄粘合层2上例如通过蒸发形成反射金属层3。作为替代，在没有粘合层的情况下，反射金属层3可以直接形成在衍射光栅线11的表面上。反射金属层3通常由金或铝制成，有时由银制成。反射层3的厚度通常在100nm与500nm之间。该厚度使得在限制光栅线的表面粗糙度的同时获取高反射系数并因此获取高衍射效率成为可能。
图1示出了现有技术的金属衍射光栅的示例，包括衬底1、例如通过光刻在光敏树脂层中形成在衬底的表面10上的衍射光栅线11、沉积在光栅线11上的薄粘合层2、沉积在薄粘合层2上的反射金属层3。
在本公开的范围内的一个发现是，在暴露于非常高能量、超短脉冲光通量之后，具有金层的传统金属衍射光栅的损坏导致由金层熔化现象导致的凹坑的形成。在金层和金-真空交界面处，光流对应于电场，该电场在光栅轮廓的某些点处显示场的显著增强区域，这些点构成了非常高能量、超短脉冲激光通量抵抗力的薄弱区域。
与旨在将电场最大值推出衍射光栅的金属-介电光栅相反，本公开提出用至少两个金属层的堆叠来取代传统光栅的反射金属层3，该金属层包括旨在暴露于入射光流的外反射层13和至少另一个下面的中间金属层14。外反射层13和中间金属层14由不同的金属构成，并且各自具有适于降低外反射层13中的温度的厚度。
然而，目前还没有考虑耦合到包括多金属薄层堆叠的衍射光栅上的超短脉冲电磁场分布的模拟模型。实际上，衍射光栅具有改变电磁场空间分布的二维结构。因此，对反射衍射光栅的建模比对平面反射镜的建模要复杂得多。
一方面，为外反射层选择在感兴趣的光谱范围内具有高反射系数和相对较小厚度的第一金属。另一方面，为中间金属层选择具有高电子-声子耦合系数、高耐热性和足够厚度的另一种金属。
在选择中间金属层材料时，电子-声子耦合常数是必不可少的。大多数金属材料的电子-声子耦合系数是已知的。在科学文献中可以找到不同金属在环境温度下的电子-声子耦合系数值。
[表1]表1表示不同金属的电子-声子耦合系数。
不受所涉及的物理现象的解释的束缚，添加与外反射层接触的具有高电子-声子耦合的金属中间层的目的是增加外反射层中的加热诱导电子和中间金属层的声子之间的热交换动力学。因此，外反射层13和中间金属层14的组合及其各自的厚度因此被选择为允许外反射层13中的温度局部降低。不同金属薄层的组合使得激光与物质相互作用所产生的热平衡点的位移和热能的集中成为可能，并优选地在中间金属层处。选择后者是因为它相对于外反射层具有更高的热能抵抗力。
优选地，选择由镍、钼、铜、铬、银或银-铱合金制成的中间金属层14。中间金属层14具有大于最小值的厚度(用d表示)，以允许来自外部金属层的热的吸收和扩散。然而，在实践中，中间金属层14的厚度d小于最大值，一方面是为了避免增加表面粗糙度，另一方面是为了保持光栅线轮廓的形状。例如，中间金属层14的厚度d在20nm至250nm之间，例如在50nm至150nm之间。
这里，沿着横向于支撑光栅线的表面10的方向测量中间金属层14的厚度d。然而，考虑到光栅线轮廓，中间金属层14在整个表面上不一定具有均匀的厚度。
中间金属层14是覆盖光栅线表面的连续的二维层。同样，外反射层13是覆盖下面的中间金属层14的连续二维层。
图3以截面图示出了根据本发明的实施例的具有伪正弦线轮廓的多金属衍射光栅的示例。光栅线11直接形成在衬底1中。在这些线上沉积厚度为d的中间金属层14，并且在中间金属层14上沉积外反射层13。外反射层13的厚度e和中间金属层14的厚度d小到足以保持光栅线的深度h。
在替代实施例中，使用布置在衬底和外反射层之间的若干中间金属层的堆叠。例如，使用由一层铬和一层金构成的周期性堆叠，该两层图案重复两次以形成由四个中间金属层构成的总堆叠。这样的堆叠允许更好的机械阻尼和金属增强。
外反射层13具有比由反射系数确定的下限高的厚度e，以这种方式，衍射光栅在围绕中心波长延伸超过100nm的光谱范围内具有高反射率。另一方面，外反射层13的厚度e小于由第一金属的热扩散长度确定的另一上限。此外，考虑到第一金属的成本，特别是当第一金属是金时，出于经济原因，可以限制外部金属层13的厚度e。
热扩散长度以Lth表示，由以下等式定义，其中D表示材料的扩散率：
并且特别适用于高斯光束，其中t表示激光脉冲的半高全宽。
[表2]表2表示不同金属的热扩散长度。
| 金属 | 热扩散长度(×10<sup>-6</sup>.m<sup>-2</sup>.s<sup>-1</sup>) |
| 金(Au) | 127.2 |
| 钼(Mo) | 53.9 |
| 镍(Ni) | 23 |
| 铱(Ir) | 50.2 |
| 银(Ag) | 173 |
| 铜(Cu) | 117 |
| 铬(Cr) | 29.9 |
这里，沿着横向于支撑光栅线的表面10的方向测量外反射层13的厚度。然而，考虑到光栅线轮廓，外反射层13在其整个表面上不一定具有均匀的厚度。
外反射层13的厚度e通常在约100nm至500nm之间，并且优选地在100nm至150nm之间。
使用测试方法优化中间金属层14和外反射层13的厚度。此外，还优化了中间金属层14的厚度(i)和外反射层13的厚度(r)之间的比率。优选地，该比率i/r在0和1之间。
通常，与单个金金属层相比，多金属层13、14的堆叠的总厚度的增加使得可以提高该堆叠的体积散热能力。
确定外反射层13的最小厚度e以获取高反射系数和最大厚度e以确保良好的通量抵抗力之间的折衷。
例如，选择由金制成的外反射层13和由镍制成的中间金属层14。为了在约800nm波长的大于100nm的光谱带中获取高反射系数，金外层选择100nm的最小厚度e。在示例性实施例中，为了增加衍射光栅的抵抗力，似乎感兴趣的是使用100nm厚的金层和50nm厚的镍层。
通过本领域技术人员已知的任何沉积技术沉积中间金属层14和外反射层13。作为非限制性示例，使用蒸发技术，可能辅以电子束、离子束溅射、阴极溅射和/或磁控管或原子层沉积。
这种多金属衍射光栅结构允许中间金属层14，例如由镍制成，泵送金层的一部分热能，并将该热能扩散到中间金属层14的体积中。这种能量转移可以用外反射层金属的电子热化和一部分热能扩散到下面的中间金属层的传输的机制来解释。这种多金属结构使得可以将外部金属层(例如由金制成)的熔化阈值推回，并将该热能的一部分分配到例如由镍制成的中间金属层14中。现在，镍的熔点比金的高。因此，基于多金属堆叠的衍射光栅比基于单个金属层的衍射光栅具有更高的抵抗力，并且比由覆盖有介电层堆叠的单个金属层构成的金属-介电衍射光栅具有更高的抵抗力。
这样获取的多金属反射衍射光栅以TM或TE偏振工作，类似于包括单个反射金属层的反射衍射光栅。
在替代方案中，衍射光栅包括由外反射层14和至少两个中间金属层构成的堆叠。
在图2所示的另一替代方案中，多金属衍射光栅进一步包括布置在包括光栅线11的衬底10的表面上的粘合层2，粘合层2布置在衬底表面和中间金属层之间，粘合层的厚度小于25nm，优选地小于10nm。粘合层2优选地由铬或钛制成。
在另一替代方案中，可能与前述替代方案中的一个和/或另一个组合，多金属衍射光栅进一步包括沉积在外反射层13上的薄介电层。例如，薄介电层由二氧化硅(SiO2)制成。优选地，薄介电层的厚度小于50nm。这种薄介电层对电磁场的空间分布有影响。多金属光栅和薄介电层的组合使反射衍射光栅的高能量、超短脉冲光通量抵抗力得到更大的抑制。
有利地，多金属衍射光栅以TM或TE偏振工作。
当然，可以在所附权利要求的框架内对本发明进行各种其他改变。
Claims (13)
1.一种高峰值能量超短脉冲耐光通量反射衍射光栅，所述衍射光栅包括形成在衬底(1)的表面(10)上的光栅线(11)和外反射层(13)，其特征在于，所述衍射光栅包括至少一个中间金属层(14)，所述中间金属层(14)布置在所述外反射层(13)与包括所述光栅线(11)的衬底表面(10)之间，所述外反射层(13)具有与所述中间金属层(14)的交界面，所述外反射层(13)由第一金属构成，并且所述中间金属层(14)由另一金属构成，所述另一金属具有比所述第一金属的电子-声子耦合系数高的电子-声子耦合系数，所述外反射层(13)具有在具有由所述第一金属的反射系数确定的下限和由所述第一金属的热扩散长度确定的上限的范围内的厚度，以及所述中间金属层(14)具有大于最小值的另一厚度，以增加所述反射衍射光栅的高峰值能量超短脉冲光通量抵抗力。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中，所述第一金属选自金和银、或金和/或银的合金、或金-镍、金-铜、金-银、金-银-铱或金-铜-银-铱合金。
3.根据权利要求2所述的衍射光栅，其中，所述外反射层(13)的厚度在100nm至500nm之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的衍射光栅，其中，其它金属选自镍、铜、钼、铬、银或银-铱合金。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的衍射光栅，其中，所述中间金属层(14)的厚度在20nm至250nm之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的衍射光栅，进一步包括粘合层(2)，所述粘合层(2)布置在包括所述光栅线(11)的所述衬底的表面上，所述粘合层(2)布置在衬底表面和所述中间金属层(14)之间，所述粘合层(2)具有小于25纳米的厚度。
7.根据权利要求6所述的衍射光栅，其中，所述粘合层(2)由铬或钛制成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的衍射光栅，其中，所述衬底由二氧化硅、硅、微晶玻璃、耐热玻璃或硼硅酸盐制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的衍射光栅，其中，所述光栅线(11)形成在所述衬底中，或者其中，所述光栅线(11)由沉积在所述衬底上的光敏树脂形成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的衍射光栅，进一步包括形成在所述外反射层(13)的表面处的介电薄膜涂层。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的衍射光栅，进一步包括布置在所述衬底和所述中间金属层(14)之间的至少另一中间金属层，所述中间金属层(14)和所述另一中间金属层形成若干中间金属层的堆叠。
12.一种用于反射衍射光栅的制造的方法，包括以下步骤：在衬底(1)的表面(10)上形成衍射光栅线(11)；沉积中间金属层(14)，以及沉积外反射层(13)，所述外反射层(13)具有与所述中间金属层(14)的交界面，所述外反射层由第一金属构成，并且所述中间金属层(14)由另一金属构成，所述另一金属具有比所述第一金属的电子-声子耦合系数高的电子-声子耦合系数，所述外反射层具有在具有由所述第一金属的反射系数确定的下限和由所述第一金属的热扩散长度确定的上限的范围内的厚度，所述中间金属层(14)具有大于最小值的另一厚度，以增加所述反射衍射光栅的高峰值能量超短脉冲光通量抵抗力。
13.根据权利要求12所述的制造的方法，进一步包括在沉积所述中间金属层(14)的步骤之前在光栅线上沉积粘合层(2)的附加步骤。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FRFR1904240 | 2019-04-19 | ||
| FR1904240A FR3095281B1 (fr) | 2019-04-19 | 2019-04-19 | Réseau de diffraction en réflexion résistant à un flux lumineux à impulsions ultra-courtes de forte puissance crête et son procédé de fabrication |
| PCT/EP2020/060822 WO2020212556A1 (fr) | 2019-04-19 | 2020-04-17 | Réseau de diffraction en réflexion résistant à un flux lumineux à impulsions ultra-courtes de forte puissance crête et son procédé de fabrication |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114041072A true CN114041072A (zh) | 2022-02-11 |
Family
ID=68072574
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202080044906.7A Pending CN114041072A (zh) | 2019-04-19 | 2020-04-17 | 抗高峰值能量超短脉冲光通量的反射衍射光栅及其制造方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220179137A1 (zh) |
| EP (1) | EP3956700A1 (zh) |
| JP (1) | JP2022530366A (zh) |
| CN (1) | CN114041072A (zh) |
| FR (1) | FR3095281B1 (zh) |
| IL (1) | IL287376A (zh) |
| WO (1) | WO2020212556A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115437053A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-06 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 脉冲压缩的琥珀金光栅及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040190141A1 (en) * | 2003-03-27 | 2004-09-30 | The Regents Of The University Of California | Durable silver thin film coating for diffraction gratings |
| US20060140538A1 (en) * | 2004-12-24 | 2006-06-29 | Taisuke Isano | Surface reflection type phase grating |
| US20120093191A1 (en) * | 2009-04-29 | 2012-04-19 | Horiba Jobin Yvon Sas | Metal diffraction grating with high reflection resistance to a femtosecond mode flow, system including such an grating, and method for improving the damage threshold of a metal diffraction grating |
| WO2018226539A1 (en) * | 2017-06-08 | 2018-12-13 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Metal-overcoated grating and method |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4846552A (en) * | 1986-04-16 | 1989-07-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Method of fabricating high efficiency binary planar optical elements |
| JP3342042B2 (ja) * | 1992-04-16 | 2002-11-05 | キヤノン株式会社 | 反射型色分解回折格子 |
| EP2953214B1 (en) * | 2013-01-31 | 2018-12-19 | Shimadzu Corporation | Diffraction grating for laser pulse compression and laser device |
| WO2017142745A1 (en) * | 2016-02-17 | 2017-08-24 | The Curators Of The University Of Missouri | Fabrication of multilayer nanograting structures |
-
2019
- 2019-04-19 FR FR1904240A patent/FR3095281B1/fr active Active
-
2020
- 2020-04-17 US US17/594,466 patent/US20220179137A1/en active Pending
- 2020-04-17 WO PCT/EP2020/060822 patent/WO2020212556A1/fr active Application Filing
- 2020-04-17 JP JP2021561903A patent/JP2022530366A/ja active Pending
- 2020-04-17 EP EP20720027.0A patent/EP3956700A1/fr active Pending
- 2020-04-17 CN CN202080044906.7A patent/CN114041072A/zh active Pending
-
2021
- 2021-10-19 IL IL287376A patent/IL287376A/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040190141A1 (en) * | 2003-03-27 | 2004-09-30 | The Regents Of The University Of California | Durable silver thin film coating for diffraction gratings |
| US20060140538A1 (en) * | 2004-12-24 | 2006-06-29 | Taisuke Isano | Surface reflection type phase grating |
| US20120093191A1 (en) * | 2009-04-29 | 2012-04-19 | Horiba Jobin Yvon Sas | Metal diffraction grating with high reflection resistance to a femtosecond mode flow, system including such an grating, and method for improving the damage threshold of a metal diffraction grating |
| WO2018226539A1 (en) * | 2017-06-08 | 2018-12-13 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Metal-overcoated grating and method |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115437053A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-06 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 脉冲压缩的琥珀金光栅及其制备方法 |
| WO2024065893A1 (zh) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 脉冲压缩的琥珀金光栅及其制备方法 |
| CN115437053B (zh) * | 2022-09-29 | 2024-04-12 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 脉冲压缩的琥珀金光栅及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022530366A (ja) | 2022-06-29 |
| US20220179137A1 (en) | 2022-06-09 |
| FR3095281A1 (fr) | 2020-10-23 |
| EP3956700A1 (fr) | 2022-02-23 |
| IL287376A (en) | 2021-12-01 |
| FR3095281B1 (fr) | 2021-08-27 |
| WO2020212556A1 (fr) | 2020-10-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8482855B2 (en) | Dielectric coated metal diffraction grating with high reflection resistance to a femtosecond mode flow | |
| US10605966B2 (en) | Enhanced performance metallic based optical mirror substrates | |
| US20170242162A1 (en) | A visible near-infrared ultra-broadband absorber and its preparation method | |
| CN114041072A (zh) | 抗高峰值能量超短脉冲光通量的反射衍射光栅及其制造方法 | |
| Taher et al. | Broadband absorption of nanostructured stainless steel surface fabricated by nanosecond laser irradiation | |
| JP2018040888A (ja) | 無機偏光板及びその製造方法 | |
| CN113589415B (zh) | 一种超宽带yag激光反射膜及其制备方法 | |
| US20130098437A1 (en) | Photovoltaic Cell Having a Structured Back Surface and Associated Manufacturing Method | |
| US9013794B2 (en) | Dispersive optical device with three-dimensional photonic crystal | |
| WO2018182013A1 (ja) | 加熱式光源 | |
| JP6636238B2 (ja) | プラズモン界面とその製造方法 | |
| JPWO2015194485A1 (ja) | 積層体 | |
| EP3076208B1 (en) | Multi-layer reflective diffraction grating and use thereof | |
| Patel et al. | Improvements in the laser damage behavior of Ta2O5/SiO2 interference coatings by modification of the top layer design | |
| Miyaji et al. | Reduced damping of surface plasmon polaritons on silicon with intense femtosecond laser pulse | |
| KR102471403B1 (ko) | 백금(Pt)을 적용한 비대칭 패브리-페롯 나노캐비티 박막 공진 구조 및 이를 기반으로 한 컬러필터, 컬러 프린팅 및 광대역 완전흡수체 | |
| CN109545179B (zh) | 一种基于耐火材料的超宽带近完美光吸收体 | |
| KR20240091098A (ko) | 열반사판 | |
| US11927780B2 (en) | Dielectric grating apparatus | |
| EP1826759B1 (en) | Optical multilayer storage medium using nanoparticles | |
| JPS62165601A (ja) | レ−ザビ−ム用反射鏡 | |
| CN1622401A (zh) | 锁模激光器的高破坏阈值半导体可饱和吸收镜 | |
| Yahiaoui et al. | Investigation of metamaterials for terahertz frequency range | |
| Mkhitaryan et al. | Tunable complete optical absorption in multilayer structures including 𝐆� 𝐞� 𝟐� 𝐒� 𝐛� 𝟐� 𝐓� 𝐞� 𝟓� without lithographic patterns | |
| Pawlewicz et al. | 1315 nm dielectric mirror fabrication by reactive sputtering |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |