CN100340875C - 800纳米波段的石英透射偏振分束光栅 - Google Patents

800纳米波段的石英透射偏振分束光栅 Download PDF

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Abstract

一种用于800纳米波段的石英透射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为598-622纳米、刻蚀深度为2.40-2.50微米，光栅的占空比为1/2。该偏振分束光栅的消光比大于100，TE偏振光的0级透射衍射效率和TM偏振光的1级透射衍射效率分别高于95.61%和96.41%。特别是光栅周期为609纳米，刻蚀深度为2.45微米时，本发明偏振分束光栅的消光比达到1.04×104，TE偏振光0级透射衍射效率为97.23%，TM偏振光1级透射衍射效率为98.25%；本发明石英透射偏振分束光栅由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，可以低成本大批量生产。

Description

800纳米波段的石英透射偏振分束光栅
技术领域
本发明涉及800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲的偏振分束光栅器件，特别是一种800纳米波段的石英透射偏振分束光栅。
背景技术
半导体激光器由于体积小，重量轻，能量转换效率高等优点，其应用覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，其中800纳米波段的半导体激光器是最常用的激光器。飞秒激光器的特点是超高速和超强电场。飞秒激光不仅在高能物理、核物理领域有重大应用，而且在通信、医疗、环境和测量等领域也发挥着重要作用。目前飞秒激光主要由钛宝石激光器产生，中心波长也在800纳米左右。在许多光学信息处理系统中，偏振分束器是一种关键元件，它可以将光分成两束偏振模式相互垂直的偏振光。因此，针对以800纳米为中心的偏振分束光栅具有重要的应用价值。
大多数应用中，人们往往需要高消光比、高透射率或反射率、较宽的可操作波长范围和角度带宽、体积小的偏振分束器。传统的偏振分束器是基于一些晶体的自然双折射效应(例如Thomson棱镜、Nicol棱镜和Wollaston棱镜)或者多层介质膜的偏振选择性。但是，利用双折射晶体所制成的偏振分束器体积大、价格昂贵；而薄膜偏振分束器一般工作带宽较小，薄膜层数达到几十层，对均匀性和对称性要求较严，加工较难，高消光比元件的成本很高。随着微制造技术的快速发展，亚波长光栅所表现出来的特有的光学效应越来越受到人们的广泛关注。近来，一些研究工作报道了表面浮雕型光栅作为偏振分束器。与其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光栅结构紧凑，易于小型化和集成化，并且插入损耗小，是一种无源器件。尤其是深刻蚀熔融石英光栅，损伤阈值很高，热膨胀系数小，能够在高强度激光和对稳定性要求严格的环境中工作。偏振分束光栅的制造可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能够大量生产，具有重要的实用前景。
矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具有高效率的体光栅布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀的平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术1：M.G.Moharamet al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，没有人针对800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲给出深刻蚀高密度石英透射偏振分束光栅的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲提供一种800纳米波段的石英透射偏振分束光栅，该光栅应可以将TE、TM两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向，实现0级和1级衍射光消光比大于100，TE偏振光的0级透射衍射效率和TM偏振光的1级透射衍射效率分别高于95.61％和96.41％。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲的800纳米波段的石英透射偏振分束光栅，该光栅的周期为598-622纳米、刻蚀深度2.40-2.50微米，光栅的占空比为1/2。
所述的高密度矩形深刻蚀石英光栅的周期为609纳米，光栅的刻蚀深度为2.45微米。
本发明的依据如下：
图1显示了高密度矩形深刻蚀石英光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n1＝1)和石英(折射率n2＝1.45332)。光栅矢量K位于入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。一线性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*Λ))入射(定义为Littrow条件，即衍射光沿原入射光的方向返回)，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。该偏振分束光栅的消光比定义为0级透射衍射光中TE、TM偏振模式效率之比和1级透射衍射光中TM、TE偏振模式效率之比中较小的一值。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了深刻蚀熔融石英光栅(占空比为1/2)在800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲处的消光比和衍射效率。如图2、3所示，依据理论计算得到高消光比、高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，即当光栅的周期为598-622纳米、刻蚀深度为2.40-2.50微米时，偏振分束光栅的消光比大于100，TE偏振光的0级透射衍射效率和TM偏振光的1级透射衍射效率分别高于95.61％和96.41％。特别是光栅周期为609纳米，刻蚀深度为2.45微米时，可以使偏振分束光栅的消光比达到1.04×104，TE偏振光0级透射衍射效率为97.23％，TM偏振光1级透射衍射效率为98.25％。
如图4所示，光栅的周期为609纳米，深度为2.45微米，若考虑800纳米附近两种偏振模式的入射光各自以对应的Littrow角度入射到光栅时，该偏振分束光栅在784-815纳米波长范围内所有波长的消光比均可以达到100以上，即对应于31纳米的谱宽范围，TE偏振光的0级透射衍射效率和TM偏振光的1级透射衍射效率分别高于95.63％和96.50％。
如图5所示，TE/TM偏振模式的入射光以41.06°角度(对应于λ＝800纳米)附近入射到光栅时，光栅的周期为609纳米，深度为2.45微米，该偏振分束光栅在40.14°-42.06°角度范围内所有入射角的消光比均可以达到100以上，即对应于1.92°的角度带宽，TE偏振光的0级透射衍射效率和TM偏振光的1级透射衍射效率分别高于97.20％和96.99％。
附图说明
图1是本发明800纳米波段的石英透射偏振分束光栅的几何结构。在图中，1代表光栅，2代表区域1(折射率为n1)，3代表区域2(折射率为n2)，4代表入射光，5代表TE模式下的0级衍射光，6代表TM模式下的1级衍射光。
图2是本发明800纳米波段的石英透射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45332，光栅占空比为1/2)在不同光栅周期和刻蚀深度下的消光比(10的次幂)。
图3是本发明800纳米波段的石英透射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45332，光栅占空比为1/2)在优化光栅周期下(Λ＝609nm)，消光比随着刻蚀深度的变化曲线。
图4是本发明800纳米波段的石英透射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为609纳米、光栅深度2.45微米，占空比为1/2，在800纳米波段附近使用，各个波长以相应的Littrow角度入射到光栅时，TE/TM模式下的透射衍射效率。
图5是本发明800纳米波段的石英透射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为609纳米、光栅深度2.45微米，占空比为1/2，入射光以41.06°角度(对应于λ＝800纳米)附近入射到光栅时，TE/TM模式下的透射衍射效率。
图6是全息光栅的记录光路。在图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表分束镜，10、11、12、13代表反射镜，14、15代表扩束镜，16、17代表透镜，18代表基片。
具体实施方式
利用微光学技术制造高密度矩形偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的熔融石英基片上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅(见图6)，采用He-Cd激光器7(波长为0.441μm)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述消光比和效率图设计)，记录高密度光栅。接着，显影后，用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到石英基片上，再用去铬液将铬膜去除，就得到高密度表面浮雕结构的石英光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的矩形石英偏振分束光栅。由表1并结合图2、3可知，该光栅的周期为598-622纳米、刻蚀深度为2.40-2.50微米时，偏振分束光栅的消光比大于100，TE偏振光的0级透射衍射效率和TM偏振光的1级透射衍射效率分别高于95.61％和96.41％，实现了将两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向。特别是光栅周期为609纳米，刻蚀深度为2.45微米时，本发明可以使偏振分束光栅的消光比达到1.04×104，TE偏振光0级透射衍射效率为97.23％，TM偏振光1级透射衍射效率为98.25％。
本发明的高密度石英透射光栅作为偏振分束器，具有很高的消光比和透射效率，不必镀金属膜或介质膜，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是偏振分束器的一种重要的实现技术。
表1  800纳米波长入射下，0级、+1级布拉格透射衍射效率η和消光比，d为光栅深度，Λ为光栅周期
  d(μm)   Λ(nm)                        η(％)              消光比
           TE                 TM
  0级   1级   0级   1级   0级   1级
2.43   605   97.16   0.02   0.14   97.75   6.94×102   3.94×103
  607   97.19   0.04   0.07   97.87   1.36×103   2.35×103
  609   97.21   0.06   0.03   97.95   3.68×103   1.53×103
  611   97.21   0.09   4.59×10-3   98.01   2.12×104   1.07×103
  613   97.20   0.12   0.01   98.05   1.94×104   7.85×102
  615   97.17   0.16   0.03   98.06   3.61×103   6.01×102
2.45   605   97.22   0.02   0.06   98.12   1.63×103   4.21×103
  607   97.23   0.01   0.02   98.20   5.17×103   7.32×103
  609   97.23   0.01   2.01×10-3   98.25   4.83×104   1.04×104
  611   97.22   0.01   0.01   98.27   1.17×104   8.66×103
  613   97.19   0.02   0.04   98.27   2.64×103   5.22×103
  615   97.15   0.03   0.09   98.24   1.12×103   3.10×103
2.47   605   96.94   0.14   0.01   98.43   7.14×103   7.10×102
  607   96.94   0.10   8.83×10-4   98.47   1.10×105   9.69×102
  609   96.93   0.07   0.01   98.48   8.00×103   1.38×103
  611   96.90   0.05   0.05   98.47   2.09×103   2.10×103
  613   96.86   0.03   0.10   98.43   9.42×102   3.44×103
  615   96.82   0.02   0.18   98.36   5.36×102   6.12×103

Claims (2)

1、一种800纳米波段的石英透射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为598-622纳米，刻蚀深度为2.40-2.50微米，占空比为1/2。
2、根据权利要求1所述的800纳米波段的石英透射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为609纳米，刻蚀深度为2.45微米。
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