简述脉冲压缩光栅的Littrow结构, 利特罗结构和设计原理

如今，许多高精密和高功率飞秒激光器被广泛应用于焊接和切割等领域。由于啁啾脉冲放大技术(CPA)和带宽高增益介质的出现，激光峰值功率提升了6-7个数量级，因此，CPA技术中的一个核心重要部件便是脉冲压缩光栅，可用于激光脉冲压缩和激光调谐。刻线衍射光栅分为透射式光栅和反射式光栅，其中光栅中配有利特罗结构，以获得高衍射效率。

Littrow角是指光栅衍射中，入射光与衍射光满足“路径可逆”时的特定入射角——当入射光以该角度入射到光栅表面时，目标衍射级次会沿入射光的逆方向反射（或透射），即衍射角与入射角大小相等、方向相反。光栅通过Littrow角匹配中心波长，获得高衍射效率，优化槽形参数，实现宽波段-1级衍射效率的均衡。在利特罗结构，既保障高效率，还是色散补偿的关键，因此，在激光脉冲压缩光栅和激光调谐光栅系统中可常见Littrow结构。本文简单介绍透射式脉冲压缩光栅的设计和其Littrow结构。

Littrow结构的介绍：

Littrow结构是一种衍射光栅的特定几何配置，目前，很多反射和透射激光调谐光栅系统中常用此配置，其中光栅的刻槽或刻面结构被定向，使得特定衍射级次的光束沿‌入射光束的原始方向返回‌，即衍射角等于入射角。‌

利特罗结构的在光栅中的核心是让光栅入射角与衍射角相等以实现高效衍射，脉冲压缩光栅则基于色散补偿原理，通过特定结构设计实现超短脉冲压缩。当光栅的入射角（γ）与衍射角（θ）相等时，该角度即为Littrow角（β），此时光栅-1级衍射效率可达到极大值。由光栅方程sinθ+sinγ=λ/d（λ为波长，d为光栅周期），当θ=γ时，推导得sinβ=λ/(2d)。

设计脉冲压缩光栅时，通常选择中心波长以Littrow角入射，既保证脉冲能量集中区域的高衍射效率，也是系统色散补偿的关键条件。

脉冲压缩光栅的设计：

飞秒激光脉冲的波长带宽较宽，光束在入射时很难使每个波长处都满足Littrow角入射。这时候，要找到中心波长，在中心波长处，入射角等于衍射角，同时也满足Littrow角入射，还是色散补偿的关键，实现高衍射效率。

在Littrow角入射条件下，光栅的能量能最大程度集中于目标衍射级次，通过合理优化光栅槽形参数（周期d、槽深h、占空比等），可使衍射效率接近100%。

图1：透射光栅的结构示意图

实验(以1250lp/mm光栅为例，800nm波长的Littrow为30°)：

如下图所示，光栅在不同的波长和槽深，占空比(占空比=x/d)下，衍射效率是有所差异的。槽深1.37um，占空比0.5，在波长为700nm时，衍射效率81%，在波长为800nm，衍射效率＞98%，在波长为900nm，衍射效率＞91%。

图2：1250lp/mm矩形刻线衍射光栅，700nm，800nm和900nm波长的衍射效率分布

图3：透射光栅在700nm~900nm的-1级衍射效率曲线

新型复合式熔融石英刻线衍射光栅实验测量结果表明，TE偏振下，入射角30°，透射光栅的-1级透射衍射效率如下表所示。

参考文献：

[1]新型透射式脉冲压缩光栅的设计与制作. 李朝明;陈新荣;李林;李晓阳;查杭;虞健;胡祖元;邹文龙;吴建宏;Zenghu Chang. 强激光材料与元器件学术研讨会暨激光破坏学术研讨会论文集,2016

[2]基于透射光栅的激光脉冲压缩器设计与制备研究（学位论文）苏州大学2015.