周期介质膜压缩光栅中的导模共振效应

《周期介质膜压缩光栅中的导模共振效应》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第19卷第5期强激光与粒子束Vol.19，No.52007年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay，2007文章编号:1001一4322(2007)05一0785一05周期介质膜压缩光栅中的导模共振效应’杨春林，马平(成都精密光学工程研究中心，成都61O041)摘要:使用祸合波法以及特征矩阵法计算了周期膜堆结构以及介质压缩光栅的本征值，研究了介质型压缩光栅产生导模共振现象的条件，并计算了导模共振点附近光栅的衍射效率曲线。针对导模共振效应对光栅应用的影响，提出了一种避开该效应的方法。计算结果表明:当介质折射率呈周期变化时，取光栅周期为。.“7拌m，深度为0.6拌m

2、时，可以避开导模共振效应。关键词:压缩光栅;导模共振;介质膜;光栅周期中图分类号:0436.1文献标识码:A建立在激光脉冲惆秋放大(CPA)和压缩基础上的亚皮秒或皮秒超短脉冲激光器是目前激光惯性约束聚变(ICF)领域的重要研究方向田。CPA的核心元件之一就是压缩光栅。早期的压缩光栅的制备采用在金属薄膜上进行刻蚀，这种光栅可以得到很高的衍射效率，但是激光损伤阂值比较低。美国LLNL与法国JY公司等相关研究机构先后进行了大口径全介质型压缩光栅的研制工作[2j，并于1995年首次报道了利用ZnS和ThF‘交替镀制多层膜，并在顶端ZnS膜层上刻制成的介质膜反射型光栅[3j。相对金属膜光栅而言，介质膜光

3、栅具有更高的激光损伤阂值。由于介质性压缩光栅是在多层介质膜堆的顶端刻蚀光栅结构，光传输到光栅然后发生衍射的过程中，将要同时受到光栅自身结构与多层介质膜形成的平面光波导结构的作用。光栅内高级次传播波在参数上与光栅波导所支持的导模接近时，光能量重新分布，这就产生了导模共振效应。介质型压缩光栅的导模共振效应是不可避免的，因此在具体设计和使用前必须对该效应进行研究。1965年，Hessel和Oliner研究了共振型和Rayleigh型光栅中的导模共振现象，及其在波导藕合中的用途，并给出了一个数学模型闭。随后，基于平面波导光栅窄带滤波器的大量潜在用途也被相继提出[5j，如窄带滤波器、宽带反射器、极化光学

4、元件、激光选频元件等。然而，现有的文献通常只针对折射率渐变膜堆情况进行分析，本文则针对周期膜堆结构以及光栅进行了研究。1基本理论本文分析的多层周期膜堆光栅结构如图1所示，为了便于讨论图中对整个膜堆结构分层进行了编号，1从0到L+1。其中0层是人射区，即空气层，L十1层是基底，光栅刻在第一层(i=1)。在周期膜堆光栅中传输的光波，其x方向的波矢为月=k。n‘sin认，n‘是第1层膜的折射率，01是光人射到每一层膜上对应的人射角，k。是人射光在真空中的波矢，在导波光学中夕也被称为传播常数。根据电磁边界条件或者折射定律，在均匀介质中，所有各层的横向波矢月必须相等。由于光栅不.是均匀介质层，其中的光波

5、存二。1广’一2·‘L--I二L次次欢次欢饮饮欢次欢L+lsutrerucFig.lSketchmapofthecompressedgratingwithperiodic图1周期介质膜压缩光栅结构示意图收稿日期:2006一08一07，修订日期:2006一12一04基金项目:中国工程物理研究院基金资助课题(2o060318)作者简介:杨春林(1972一)，男，硕士，主要从事衍射光学方向的研究工作;yangchunlin@hotmail.com。强激光与粒子束第19卷在很多不同的x方向的波矢，对应光栅不同的衍射级。根据光栅方程，x方向上的波矢可以写为k。=k。nsina:=k。(就/A+n。sin

6、00)，:=0，士1，士2，⋯，对应着相应的衍射级，A是光栅周期。等效折射率特性矩阵法和藕合波方法都可以用来分析膜堆光栅的导模共振效应。文献〔6〕指出特性矩阵方法不及藕合波方法准确，因为必须对光栅层采用等效折射率近似。但是相对藕合波法而言，特性矩阵方法的分析过程更为简洁，所以本文重点介绍特性矩阵方法的公式。利用薄膜光学的公式，定义p‘=石了二万了瓜‘，则膜堆中任意一层的特性矩阵元素为〔7〕m，1，，=cos(k。2、P、)m12，‘=一isin(k。2沪，)/p，mZ，，‘=一jsin(k。2‘P‘)p‘m22.、=cos(k。2沪‘)(1)式中:j=、/=丁;k‘=神不不不汀是波矢在2方向上

7、的分量。全膜堆结构的ABCD特性矩阵是各层膜特性矩阵的乘积，该矩阵提供了关于膜层顶和膜层底的电磁场之间的联系，则L+，1层中透射电场Et以及。层中透射电场凡和人射场凡。在膜堆上下边界必须满足方程-l一1A+刀户L+1E。esP(2)C+刀户L+lJ当没有光人射时，即E。=0的时候，如果方程有非零解，则系数矩阵行列式的值必须等于零。这就是膜堆结构的本征方程A+刀户L+1=y=0(3)C+p户。1产生