【摘 要】
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衍射光栅作为脉冲压缩、光谱合束、光谱分析仪器等高能激光技术领域或应用系统中的核心元件,其衍射效率、带宽、色散能力等重要技术指标直接影响甚至制约了系统的性能,因而受到人们的普遍关注。本文围绕高效率、大带宽、大色散这三个性能指标,开展多参量约束条件下介质型透射式光栅衍射行为研究。基于严格耦合波理论,开展多目标要求下介质型光栅结构的设计;计算并分析不同光栅结构参数及介质材料的光学参数下非偏介质型光栅的衍
【基金项目】
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中国科院战略性先导科技专项（A类），任务编号XDA25020314”；
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衍射光栅作为脉冲压缩、光谱合束、光谱分析仪器等高能激光技术领域或应用系统中的核心元件,其衍射效率、带宽、色散能力等重要技术指标直接影响甚至制约了系统的性能,因而受到人们的普遍关注。本文围绕高效率、大带宽、大色散这三个性能指标,开展多参量约束条件下介质型透射式光栅衍射行为研究。基于严格耦合波理论,开展多目标要求下介质型光栅结构的设计;计算并分析不同光栅结构参数及介质材料的光学参数下非偏介质型光栅的衍射效率及其变化规律,尝试建立多参量约束条件下介质光栅优化设计原则和性能评价指标,为开展实现多目标光栅优化设计提供新的思路和依据。主要工作及研究结果如下:1、基于严格耦合波理论,利用MATLAB软件自行编写TE、TM偏振下光栅衍射效率数值计算及光栅结构设计优化程序。2、提出带效积（WDI）概念,尝试作为高效率、大带宽、大色散光栅设计的一种评价函数,以期在同时需要获得大带宽和高衍射效率之间进行平衡优化设计。3、以1624 line/mm、中心波长900 nm为设计出发点,分别从单一介质和两种介质组合入手优化设计获得大带宽、高衍射效率透射介质光栅的结构,分别给出了两种结构下相应的工艺容差;分析了 TE、TM两个偏振下光栅衍射效率随波长和光入射角的变化特征,指出单一介质光栅实现大带宽、高效率的局限性。4、在六种高空频下,分析双层介质光栅的膜层折射率对衍射效率高于90%带宽的影响。不考虑材料种类,通过在数值2.0～2.4范围改变双层结构中的高折射率层的折射率大小,并依次对SiO2与各折射率组合下的结构进行优化设计。发现在折射率越小时,优化获得的结构在满足高效率时会兼顾更大的带宽。建立数学模型,以1624 line/mm为例分析带宽积分平均衍射效率（PIDE）和WDI两种评价函数的适用情境。5、实验制备了 1624线大色散的双层透射光栅。膜层材料为SiO2和TiO2。采用全息干涉曝光技术制作光刻胶掩模,通过反应离子刻蚀原理制作出槽形。最后表征制作出的光栅的性能和形貌,对比发现与理论值基本相符。
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