多层介质膜光谱调制反射镜的反应离子束刻蚀误差容限

　　啁啾脉冲放大(CPA)系统中,增益窄化、增益饱和以及群延迟色散等效应均会严重影响输出激光脉冲的焦斑质量。因此,在神光Ⅱ千焦拍瓦高功率放大系统设计中,所关心的一个问题是如何有效地对激光脉冲的时空特性和光谱特性进行整形。光谱整形的目的是尽量消除放大过程中的增益窄化和增益饱和效应的影响,同时提高高功率激光输出脉冲的信噪比。

　　目前,常用的方法主要有[1-3]:(1)利用加入再生放大器中的可调谐空气隙标准具来调整光谱,但调节复杂,而且,在神光Ⅱ千焦拍瓦系统中已用光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)替代了再生放大器,因而该方法不适用;(2)使信号光源中心波长相对于增益介质中心波长蓝移,以直接调整光谱,但这种方法对功率超过TW级的系统也不适用;(3)采用长波长注入法,即利用增益窄化效应来补偿增益饱和效应的影响,但这将影响到系统的稳定性;(4)可编程声光色散滤波器(AOPDF)能提供较大的增益补偿能力和较大的色散补偿范围[4],但是AOPDF的色分辨率仅能用于像钛宝石这样的宽带啁啾脉冲放大系统,且其强烈的色散给啁啾脉冲的压缩带来很大干扰,其稳定性受声光调制器件的稳定性影响严重。同时液晶空间光调制,对于大能量高功率啁啾脉冲放大系统多级直接调制也不适合[5-6]。为了实现对神光Ⅱ千焦拍瓦高功率放大系统中激光脉冲光谱形状及色散相位差的有效控制,我们提出了一种光谱整形方法,先用光栅等色散元件将啁啾脉冲的光谱在空间上展开,再通过空间整形器件来实现光谱整形[7-10]。本文着重讨论用于这种光谱整形的多层介质膜反射镜的微纳超精细加工中的理论问题与设计。针对千焦拍瓦光谱整形设计要求,以加工反射率曲线呈现中心凹陷的调制反射镜为例,推导出反应离子束刻蚀误差容限表达式,并数值模拟分析了多层介质光谱调制反射镜的刻蚀误差的干扰效果。

　　1　设计原理

　　在实际工作中,为了补偿啁啾脉冲放大过程中产生的增益窄化和增益饱和效应,需要利用光谱整形装置使放大前的脉冲光谱分布在中心波长附近呈现一定形状的凹陷。我们提出的光谱整形新方法是利用具有特定结构的多层介质膜反射镜来实现对大能量高功率啁啾脉冲的光谱整形[11-16],并针对钕玻璃1 053 nm波长设计了多层介质膜光谱调制反射镜。在保证相位不变的条件下,其幅度调制超过60%,高反射带波长宽度为196 nm,在垂直入射传播方向的色分辨本领可以达0.1 nm,其结构如图1所示。在多层介质膜光谱调制反射镜的设计和加工过程中,需要根据反射率要求来合理设计反应离子束或离子束刻蚀误差容限。由于多层电介质反射膜可以有多种结构形式,甚至可以是变折射率电介质交替层结构,其模场分布应由严格模式理论求解[17]。因此,光谱整形介质膜结构反射镜的微纳超精细加工控制结构函数应该按照严格的膜系设计的干涉矩阵方程来设计。多层膜系的反射率和透射率分别为[18]