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超强激光科学卓越创新简报

(第七百九十七期)

2026年7月16日

上海光机所在“可工程化的高线密度偏振无关光谱合束光栅”的研究中取得重要进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部邵建达、晋云霞研究团队在关于可工程化的高线密度偏振无关光谱合束光栅的研究中取得进展。相关成果以“Engineerable high-line-density polarization-independent spectral beam combining grating”为题，发表于Optics Communications。

高功率光纤激光器由于具有光束衍射受限、系统结构紧凑、可靠性高等优点，在材料切割、焊接、打孔、激光武器等领域得到了广泛的应用。然而，由于受到热自聚焦、非线性效应和刻面损伤的限制，一旦功率超过千瓦级别，就很难进一步提高光纤激光器的功率。为了不断提高激光器的输出功率，人们研究了不同的光束合成技术。然而，目前实现的高线密度、大口径光栅存在技术限制。尤其是对于更高线密度的情况，由于掩模边缘的解体和抵抗在提升阶段期间的图案变形，实现均匀的铬层去除变得越来越困难。这些固有的制造瓶颈直接阻碍了实际应用中实现大功率情况时所需的大口径、高线密度多层介质光栅（MDG）的发展。

针对上述挑战，研究团队设计了一种可用于光谱合束（SBC）系统的可工程化的高效率、与偏振无关的1400 lines/mm宽带反射多层介质光栅。为了便于工程制造，基于反应离子束刻蚀（RIBE）形成的形态设计了典型的双层梯形结构光栅。优化结果表明，与采用相同方法设计的双层矩形和单层梯形结构光栅相比，所设计的双层梯形结构光栅在占空比和槽深方面具有最大的制造公差和最宽的带宽。此外，在使用全息干涉和RIBE制造这种双层梯形光栅的过程中，研究团队采用了负性光刻胶NR7来获得占空比超过0.5的光刻胶掩模。测量结果表明，所制备的光栅在1040-1076nm的37nm带宽内实现了超过98%的偏振无关衍射效率。

图1 反射式多层介质光栅结构示意图

图2 三种光栅的一阶衍射效率分布图。效率值为1040 -1090 nm波长范围内的最小值

(a) 双层矩形；(b) 双层梯形； (c) 单层梯形； (d) 三种光栅在最优参数下的衍射效率曲线。

图3 (a) 制造光栅的测量衍射效率、扫描电子显微镜图像及光学照片。 (b) 将组合光栅的光束的线密度和带宽与以前研究中报告的光栅的线密度和带宽进行统计比较。

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