河南
导 读
高功率光纤激光器单纤功率提升受限于热效应与非线性效应，光谱合束是突破功率上限的核心路径，而高线密度大口径光栅的量产工艺瓶颈长期制约产业落地。中科院上海光机所团队创新研发双层梯形结构的 1400 线 /mm 偏振无关宽带反射光栅，有效拓宽制造公差、化解加工形变难题，实测全波段衍射效率稳定突破 98%，打通了从理论设计到规模化制备的技术通路，为超高功率激光装备升级提供核心元器件支撑。
一、单纤功率遇天花板，光谱合束成高功率激光升级核心路径
高功率光纤激光器凭借光束质量优异、设备结构精简、运行稳定可靠等优势，已深度落地金属切割、工业焊接、精密打孔以及高能激光装备等诸多领域。但该类激光器功率提升存在天然壁垒，受热自聚焦、光学非线性效应、器件刻面损伤等因素约束，单台设备功率攀升至千瓦量级后，进一步扩容难度大幅提升。光谱合束技术是突破单纤功率上限、实现超高激光功率输出的核心路径，而多层介质光栅是光谱合束系统的核心元器件，高线密度、大口径光栅的制备难题，长期制约着大功率激光装备的工程落地。
二、高线密度光栅量产遇阻，工艺瓶颈成产业化关键卡点
当前高线密度多层介质光栅量产存在显著技术短板。光栅线密度提升后，光刻掩模边缘易出现结构解体，刻蚀工序也会引发图形形变，难以实现铬层均匀去除，制造容错空间极低。这一固有工艺瓶颈，导致满足大功率激光工况的大口径高线密度光栅难以规模化制备，成为高功率激光光谱合束技术产业化的关键卡点。
三、双层梯形结构创新设计，兼顾光学性能与制造容错性
针对行业现存痛点，中科院上海光机所高功率激光元件技术与工程部邵建达、晋云霞科研团队开展专项攻关，成功研发一款适配光谱合束系统、兼具工程制造优势、高效率偏振无关的 1400 lines/mm 宽带反射多层介质光栅，相关研究成果刊发于国际期刊《Optics Communications》。
为兼顾光学性能与量产可行性，团队依托反应离子束刻蚀（RIBE）成型特征，创新设计双层梯形光栅结构。研究人员同步对比双层矩形、单层梯形两种主流光栅构型，经过多轮仿真参数优化验证：双层梯形光栅在槽深、占空比两项核心制造参数上拥有更大工艺公差，同时覆盖更宽工作光谱带宽，大幅降低批量加工的工艺管控难度，具备突出工程适配性。
四、一体化工艺完成样品试制，核心性能指标达行业先进水平
在光栅实体制备环节，团队选用 NR7 负性光刻胶搭建光刻掩模，成功制备占空比高于 0.5 的高精度掩膜基底，搭配全息干涉曝光、反应离子束刻蚀一体化工艺流程，完成新型光栅样品试制。光学性能实测数据显示，该光栅工作光谱覆盖 1040–1076nm 区间，有效带宽达 37nm，全波段范围内偏振无关衍射效率稳定突破 98%，光学转换性能达到行业先进水平。
五、打通规模化制备技术通路，赋能多领域激光装备升级
此次研究打通了高线密度偏振无关光谱合束光栅从理论设计到可量产制备的技术通路。双层梯形结构方案有效化解高线密度光栅加工形变、铬层去除不均等行业痛点，更大的制造公差降低了大口径光栅规模化生产门槛。
该款新型光栅可直接赋能高功率光纤激光光谱合束系统，为工业超精密加工、高能激光装备等领域超高功率激光光源迭代升级提供核心元器件支撑，同时为后续更大口径、更高线密度多层介质光栅的工程化研发奠定完整理论与工艺基础。
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