镀金脉宽压缩光栅的研制工艺和单脉冲飞秒激光损伤机理研究

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镀金脉宽压缩光栅由于明显的带宽优势,在数十飞秒领域的脉宽压缩占据了主导地位。随着拍瓦高功率激光装置的发展,对镀金光栅的抗激光损伤能力提出了更高要求,因而提升镀金光栅的飞秒损伤阈值以及明确镀金光栅的飞秒损伤机理,具有非常重要的科学及实际意义。本文系统研究了高性能镀金脉宽压缩光栅的掩膜制备及镀金工艺,并对不同镀金工艺制备的镀金光栅的光谱性能、力学性能及抗飞秒激光损伤能力进行了表征,重点探讨了不同镀金工艺对光栅单脉冲飞秒损伤行为和损伤机理的影响,提出了理论模型,作出了合理的解释。  具体包括如下三个方面的工作:  1)通过透射式双光路干涉曝光系统成功实现了正弦形光栅掩膜的制备,并研究了条纹对比度、曝光量以及显影条件等对掩膜槽形的影响;通过磁控溅射和电子束蒸发两种镀金工艺实现了金光栅的制备,并通过工艺实验确定了最佳衍射效率光谱所对应的槽形参数和工艺参数,建立了包含镀膜工艺参数、槽形结构、金膜厚度以及衍射效率等的统计数据关系。  2)对两种工艺制备的镀金脉宽压缩光栅在衍射光谱、金膜与基底结合强度以及抗飞秒激光损伤能力等方面进行了表征。结果表明,在衍射光谱满足使用的前提下,磁控溅射工艺制备的金光栅具有更强的金膜与掩膜基底结合强度以及更高的损伤阈值。  3)对两种镀金工艺制备的金光栅的单脉冲飞秒激光损伤行为和机理进行了研究。磁控溅射工艺制备的金光栅表现为典型的熔融性损伤,而电子柬蒸发工艺制备的金光栅则表现为典型的应力性损伤。对这两种镀金光栅在损伤阈值和形貌上存在的较大差异,通过双温方程以及热力耦合方程,提出了热、力相结合的损伤机制,给出了合理的解释;指出金膜和光栅掩膜基底的结合强度是决定不同工艺镀金脉宽压缩光栅损伤行为的主要原因,得出镀金脉宽压缩光栅的损伤阈值可以通过增强金膜和光刻胶掩膜基底的结合力来提高的结论。
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