高功率偏振无关光谱合束光栅的研究

Diffraction grating based spectral beam combining is an attractive technique used to greatly scaling the laser output power while maintain the beam quality of the laser, and the diffraction gratings is the key element of the technique. Here, we will investigate a kind of novel multilayer-dielectric reflective spectral beam combining gratings that can exhibit wideband, ultra-low-loss, and polarization-independent properties. Theoretically, a simplified modal method analysis of such polarization-independent multilayer dielectric gratings is presented, and the reasons for the broadband and polarization-independent diffraction properties are also revealed. So, such analysis can function as a guideline for the design of the gratings. The relationship between grating surface temperature rise aroused from CW laser irradiation and grating material, structure and internal electric field distribution was investigated, and the root of the surface temperature rise of the gratings was also revealed, which provides a theoretical basis for the improvement of damage threshold of the grating. In addition, the thermal control model for microchannel was constructed, and the optimized microchannel parameters and the thermal control parameters were explored to improve the damage threshold of the designed grating, and meet the requirement of high damage threshold spectral beam combining grating for future ultra-high power SBC Technology.

基于衍射光栅的光谱合束技术（spectral beam combining, SBC）是一种极具吸引力的激光器功率合成技术，此技术可以在大幅提高激光器输出功率的同时保持光束质量不变。衍射光栅是该技术方案中的核心关键元器件。本项目拟研究一种宽光谱、超低损耗、偏振无关高衍射效率的多层介质膜反射式光谱合束光栅。在光栅设计方面，基于简化模式理论建立一套较为完善的分析偏振无关多层介质膜光栅的方法，揭示其获得宽光谱、偏振无关衍射的物理本质，并给出相应的光栅设计的基本指导原则。在光栅损伤特性方面，研究CW激光辐照下光栅表面温升与光栅材料、结构以及内部电场分布之间关系，探明光栅表面温升的根源为接下来的损伤阈值提升研究提供理论依据。此外，通过建立微通道热控制模型，探索出合理的微通道参数和温控参数用以对合束光栅进行温度场控制提升其损伤阈值，满足未来超高功率SBC技术对高损伤阈值合束光栅的需求。

基于衍射光栅的光谱合束技术是实现激光输出功率数量级提升的最有效方案之一。合束光栅是该技术方案的核心元件，负责将不同波长、不同角度入射的子束激光衍射合成一束高功率激光输出。由于其位于系统的末端承载着全系统能量的输出，因此其衍射效率、光谱带宽、温升畸变等性能成为限制光谱合成激光系统输出能力的瓶颈。本项目面向高功率光谱合束技术对合束光栅的迫切需求，开展了反射式偏振无关多层介质膜合束光栅的研究工作并取得了一系列进展。在光栅设计方面，以简化模式理论为指导分析了不同线密度对光谱合束光栅偏振态、光谱带宽以及衍射效率相互之间的影响，为不同光谱合成方案中光谱合束光栅线密度的选择提供了依据，从模式角度研究发现采用双层材料梯形结构可以将光栅占宽比的容差范围提高3倍，解决了偏振无关合束光栅工程可实现性差的 “痛点”问题；在光栅损伤研究方面，在comsol仿真环境下建立了合束光栅温升/畸变综合仿真模型，理论和实验研究表明在连续激光辐照下，随着光栅表面温度的升高，高折射率层(HfO2)中的热应力逐渐增大，当膜层中的热应力大于膜层之间的结合力时，HfO2层将与相邻膜层之间出现断裂、鼓包的现象，介质膜出现裂痕后，膜层的吸收率急剧增加，光栅在高功率激光照射下温度会急剧升高进一步烧蚀表面；而在脉冲激光作用下，光栅内部的节瘤缺陷、入射激光的重复频率、入射激光偏振态、光栅组成材料等是影响光栅损伤阈值的核心因素；在光栅热控制方面，建立了基于微通道的合束光栅热控制仿真模型，理论和实验研究发现采用高热导光栅基底材料并结合微通道散热结构可以大幅降低合束光栅表面的温升，抑制在高功率激光作用下合束光栅表面的热畸变，实验制备的碳化硅基底高效主动换热合束光栅样品在20℃水冷情况下在100kW/cm2功率密度辐照下的表面温度在26.3℃。.总之，本项目取得的研究成果为偏振无关光谱合束光栅的研制奠定了基础，对于推动我国高能光谱合束激光在国防及工业制造领域的应用具有重要意义。