超短激光脉冲对宽带光学物质的微加工

通过讨论超快飞秒激光脉冲和长脉冲宽度的激光脉冲紧导致宽能隙透明电介质的损伤机理和比较超短激光脉冲与长激光脉冲对宽能隙透明电介质的损伤程度，得出超短激光脉冲是一种可对透明宽带电介质进行加工的有效工具的结论。当波长为800nm，脉冲宽度为150fs的激光脉冲紧聚焦到不同的宽能隙透明电介质（K9玻璃和ZK6玻璃）体内时，可制作不同光栅常数的光栅，并在波长为635nm的He-Ne连续激光的垂直照射下，对光栅的远场相对衍射效率和光栅的衍射效率进行了测量。     

超短脉冲激光光束被局域体全息光栅衍射的性质分析

利用二维耦合波理论,分析了超短脉冲激光光束被完全重叠型的局域体全息光栅衍射的时空变化性质,给出了衍射和透射脉冲激光光束沿光栅出射边界的强度时空分布。以LiNbO3晶体为例,数值研究了衍射光脉冲强度沿光栅出射边界的分布和脉冲波形的变化及光栅的总衍射效率受光栅二维尺寸、入射角度、光栅折射率调制度及入射脉冲的脉冲时域半峰全宽等条件的影响而变化的情况。与一维体全息光栅对超短脉冲激光光束衍射的性质,及此光栅对连续光衍射的性质作比较,给出了合理选择光栅参量及入射条件以在光栅出射边界上得到总衍射效率较大且分布较均匀的衍射光脉冲的方法。     

镍金属表面双光束激光干涉直写研究

利用波长为351 nm的半导体抽运全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对金属镍板表面直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过改变激光功率和激光脉冲数等实验参量,研究其对制备的微光栅结构槽形和一级衍射效率的影响.利用扫描电镜和原子力显微镜测量光栅槽形,测得光栅周期为1.25 μm,光栅槽深为10～280 nm,并测量了相应的衍射效率.发现当采用激光单脉冲能量为1.2 mJ,采用10个脉冲加工时,测得槽深为280 nm,一级衍射效率最高（18%）的微光栅结构.利用光栅的衍射理论对衍射效率变化进行了分析.该研究拓展了纳秒激光在加工微结构方面的应用,为在金属材料表面制作纳米压印模版提供了一种新方法.     

体光栅能量振荡与脉冲分裂的研究

基于修正的Kogelnik耦合波方程,研究了飞秒脉冲通过正弦型体光栅衍射后的动态衍射特性—能量振荡和脉冲分裂现象随光栅参数和读出脉冲参数的变化。结果发现,体光栅的折射率调制度和读出脉冲的中心波长对能量振荡的周期有影响,而体光栅的周期对能量振荡周期没有影响,但会影响脉冲波包中心连线与时间轴的夹角。通过双光束干涉、群速度和群时延对出现的现象进行了解释。在衍射后期,衍射脉冲分裂为双脉冲,双脉冲间隔与体光栅的厚度和折射率调制度有关,但与体光栅周期无关,通过光场传播的局域化特性对其进行了解释。     

基于低散射和高增益全息液晶/聚合物光栅的分布反馈式激光器

利用低官能度的丙烯酸酯单体进行全息液晶/聚合物光栅的制备, 获得了具有聚合物支撑形貌的光栅结构. 由于这种光栅内部不存在液晶微滴, 当作为分布反馈式激光器的谐振腔时, 可以有效降低光栅内部的散射损失(<4%), 降低激光腔损耗. 此外, 选用的高折射率单体提升了光栅的折射率调制量, 增强了光栅的反馈增益. 在以上两种因素的共同作用下, 采用染料DCM为激光工作物质, 以532 nm的Nd:YAG脉冲激光器作为抽运光源, 最终获得了中心波长为635 nm, 转化效率为1.2%的高性能激光, 在以阈值能量0.8 μJ/pulse抽运下获得激光线宽0.3 nm, 较之国内外同类激光器的报道, 在阈值、线宽、转化效率三方面均有不同程度提升.     

拼接光栅缝隙对激光脉冲光强分布的影响

以拼接光栅作为色散元件的激光脉冲压缩器中,要求脉冲压缩光栅表面光强分布均匀、能量输出效率高。利用菲涅耳-基尔霍夫衍射原理对脉冲压缩光栅表面光强和远场光强分布进行了研究。计算了拼接光栅缝隙宽度对光栅表面光强变化量和远场光强极大值的影响。在利特罗角附近入射时发现激光脉冲光强分布与拼接光栅缝隙宽度相关,得出了光栅拼接缝隙宽度应控制在0.5 mm以内。适当提高缝隙衍射效率能够改善光强分布均匀性和提高光能量输出,提出了对拼接缝隙采用两次重复曝光以提高其衍射效率的方法。     

纳秒激光刻蚀玻璃基质铬薄膜直写微光栅结构

利用波长为351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对蒸镀在石英玻璃衬底上的铬薄膜直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过实验,分析了激光能量和脉冲数与微光栅结构槽形和一级衍射效率之间的关系.利用光学显微镜和原子力显微镜检测分析光栅槽形,测得槽深为253 nm的最佳微光栅结构,并测得其在波长为532 nm的激光的一级衍射效率为6.5%.结果表明:在激光能量为1 150 μJ时,适当增加曝光脉冲数有利于提高制备光栅的槽深和一级衍射效率.     

纳秒激光刻蚀玻璃基质铬薄膜直写微光栅结构

利用波长为351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对蒸镀在石英玻璃衬底上的铬薄膜直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过实验,分析了激光能量和脉冲数与微光栅结构槽形和一级衍射效率之间的关系.利用光学显微镜和原子力显微镜检测分析光栅槽形,测得槽深为253 nm的最佳微光栅结构,并测得其在波长为532 nm的激光的一级衍射效率为6.5%.结果表明：在激光能量为1 150 μJ时,适当增加曝光脉冲数有利于提高制备光栅的槽深和一级衍射效率.     

利用光衍射效应探测周期极化微结构晶体

以光栅衍射理论为基础，从理论上分析研究了微结构晶体衍射效率与占空比和折射率的关系.采用波长为532nm，最大功率为80mW 的连续激光为光源，分别对周期极化掺镁铌酸锂微结构晶体和周期极化同成分铌酸锂微结构晶体的占空比及极化反转引起的折射率变化进行了测试.测试结果表明，掺镁铌酸锂晶体周期极化反转所引起的折射率改变量大于同成分铌酸锂晶体极化反转所引起的折射率变化. 关键词： 光栅衍射 占空比 折射率变化     

单次飞秒激光脉冲在玻璃内部产生多次微爆的研究

在入射能量不同的情况下，用近红外飞秒激光脉冲在重钡火石玻璃（ZBaF15）内部产生了色心和微爆，在熔融石英的内部产生了多次微爆现象.实验表明：入射能量较高时，色心的中间会产生微爆；在松聚焦条件下，一个飞秒激光脉冲在透明介质内会激发多次微爆.基于飞秒激光脉冲在透明介质内的自聚焦效应和自由电子等离子体的自散焦效应，理论分析了多次微爆产生的原因；也讨论了飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率改变的机理.     

Optimizing and characterizing grating efficiency for a soft X‐ray emission spectrometer

The efficiency of soft X‐ray diffraction gratings is studied using measurements and calculations based on the differential method with the S‐matrix propagation algorithm. New open‐source software is introduced for efficiency modelling that accounts for arbitrary groove profiles, such as those based on atomic force microscopy (AFM) measurements; the software also exploits multi‐core processors and high‐performance computing resources for faster calculations. Insights from these calculations, including a new principle of optimal incidence angle, are used to design a soft X‐ray emission spectrometer with high efficiency and high resolution for the REIXS beamline at the Canadian Light Source: a theoretical grating efficiency above 10% and resolving power E/ΔE > 2500 over the energy range from 100 eV to 1000 eV are achieved. The design also exploits an efficiency peak in the third diffraction order to provide a high‐resolution mode offering E/ΔE > 14000 at 280 eV, and E/ΔE > 10000 at 710 eV, with theoretical grating efficiencies from 2% to 5%. The manufactured gratings are characterized using AFM measurements of the grooves and diffractometer measurements of the efficiency as a function of wavelength. The measured and theoretical efficiency spectra are compared, and the discrepancies are explained by accounting for real‐world effects: groove geometry errors, oxidation and surface roughness. A curve‐fitting process is used to invert the calculations to predict grating parameters that match the calculated and measured efficiency spectra; the predicted blaze angles are found to agree closely with the AFM estimates, and a method of characterizing grating parameters that are difficult or impossible to measure directly is suggested.     

掺Yb光纤激光器阵列谱合成系统的光束传输模型及光束特性分析

建立了由掺Yb光纤激光器阵列、变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的光束谱合成系统的光束传输模型.在考虑光栅角色散、光栅刻槽倾角误差和光栅衍射效率情况下,利用光线追迹法、衍射积分方法、光束非相干叠加原理和强度二阶矩方法,推导出高斯光束非平行倾斜入射到闪耀光栅的相位变化公式以及谱合成光束的光强分布解析表达式.分析了高斯光束非平行倾斜入射到光栅后,光栅角色散、光栅衍射效率和光栅刻槽倾角误差对掺Yb光纤激光器谱合成系统输出光束特性的影响.研究结果表明,谱合成光束具有与单根光纤激光器几乎相同的光束质量;光栅角色散对合成光束特性的影响可忽略;随着光栅刻槽倾角误差的增大,谱合成光束的光束质量明显变差;当光栅刻槽倾角误差较大时,必须考虑光栅衍射效率对合成光束特性的影响. 关键词： 掺Yb光纤激光器 非平行倾斜入射 光束谱合成 光束质量     

紫外刻划光栅母版及二代版衍射特性的模拟与分析

运用微分理论对刻线密度为1200 lp/mm的紫外刻划光栅母版及其二代复制版的衍射特性做了模拟,指出了二者之间存在的差异,并与测试结果做了对照。数值模拟表明,紫外刻划光栅二代复制版的衍射特性与其母版略有不同,原因是光栅槽形发生了改变,分别给出了采用多项式拟合槽形函数和傅里叶级数拟合槽形函数的方法。此理论分析方法为澄清光栅复制工艺中的争议完善翻版技术以及寻找提高紫外光栅衍射效率的途径提供了很好的理论参考依据。     

Self-assembled volume vortex grating induced by femtosecond laser pulses in glass

We presented a microfabrication process for optical volume vortex grating inside glass by femtosecond laser pulses. The self-trapped filament of femtosecond laser pulses can induce hundreds μm-long region refractive-index changes in glass. We realized the restructured optical vortex beams using a collimated He–Ne laser beam. The maximum first-order diffraction efficiency was about 19.6%. The volume vortex grating structure fabricated in glass is polarization dependent.     

软X射线位相型金透射光栅的设计与制作

根据衍射光栅的标量理论,计算并讨论了金透射光栅在软X波段衍射效率对光栅厚度和占宽比的依赖关系.结果表明,选择合适的光栅槽深和占宽比,高达 21.9%的衍射效率可能被获得,远高于振幅型光栅的+1级衍射效率10.14%.通过全息光刻与电镀转移技术制作的位相型金透射光栅由300nm的聚酰亚胺薄膜支撑,光栅槽深200nm,占宽比为0.55,周期为1μm,面积为20mm×5mm.在国家同步辐射装置上,测得其+1级透射衍射效率在波长λ=7.425nm时获得最大值,约为16%. 关键词： 透射位相光栅 全息光刻 电镀     

对称面形光栅TE模的衍射特性

本文采用耦合波方法计算了对称面形光栅的衍射效率,分析了光栅截面面形为正弦、三角形、矩形、梯形光栅衍射效率与光栅周期、沟槽深度的关系,计算了光栅的峰值衍射效率。理论计算表明:合理地选择光栅周期、沟槽深度,对称面形光栅都可以达到很高衍射效率,接近100%;光栅的峰值衍射效率基本出现在Bragg衍射且光栅的周期等于衍射波长时。     

变栅距光栅实现啁啾脉冲光谱整形

为了充分利用放大介质的增益带宽,获得脉宽更短,功率更高的输出脉冲,需要将输入到主放大链的种子脉冲进行光谱整形来补偿放大过程中的增益窄化效应。提出了利用变栅距反射光栅实现中心波长1053nm,谱宽6nm啁啾脉冲的光谱整形。运用严格的光栅衍射耦合波理论分析光栅的衍射特性,发现该方案不会引入相位畸变。分别计算和分析了刻槽深度、入射角大小、光栅周期以及入射光波长的变化对衍射效率的影响,通过选取适当的光栅参量可获得0.5%~84%的光谱调制深度。     

Generation of double pulses in-line by using reflective Dammann gratings

Doubled femtosecond laser pulses in-line are needed in the collinear pump-probe technique, collinear second harmonic generation frequency-resolved optical gating (SHG FROG) and the spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction (SPIDER), etc. Normally, it is generated by using a Michelson's structure. In this paper, we proposed a novel structure with two-layered reflective Dammann gratings and the reflective mirrors to generate doubled femtosecond laser pulses in line without transmission optical elements. Angular dispersion and spectral spatial walk-off are both compensated. In addition, this structure can also compress the positive chirped pulse, which cannot be realized with a Michelson's structure. By adopting triangular grating and blazed gratings, the efficiency of the system would in principle be increased as the Michelson's scheme. Experiments demonstrated that this method should be an alternative approach for generation of the double compressed pulses of femtosecond laser for practical applications.     

基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法

作为对光栅刻划工艺的理论指导，提出了一种基于槽形函数拟合的机械刻划光栅衍射特性分析方法，解决了高刻线密度光栅衍射效率测量值与理论值偏差较大的问题.以刻线密度为1200l/mm的紫外光栅为例，对光栅主截面上的实际槽形纵横坐标扫描取值，进而拟合出槽形函数，经理论计算找到了导致衍射效率偏低的原因，并通过改进工艺，使光栅衍射效率提高了约20%. 关键词： 刻划光栅 槽形函数拟合 衍射特性 分析方法     

聚二甲基硅氧烷光栅薄膜制备及光栅常量测量

利用模板技术复制光盘沟槽结构,制备了聚二甲基硅氧烷光栅薄膜,并采用激光光栅衍射方法测量了光盘及复制薄膜的光栅常量.结果表明制备的聚二甲基硅氧烷薄膜光栅衍射现象显著,与光盘的光栅常量一致.