CN101339264B - 用于785纳米波段熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅 - Google Patents

用于785纳米波段熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅 Download PDF

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Abstract

一种用于785纳米波段的熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，该光栅的周期为1064-1072纳米、刻蚀深度为2.580-2.602微米，光栅的占空比为0.5。本发明可以使TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.47％和32.51％，TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.95％和32.97％，总衍射效率均高于97％，对TE和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率1×3分束。

Description

用于785纳米波段熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅
技术领域
本发明涉及1×3偏振无关分束器件，特别是一种用于785纳米波段的高效率熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅。
背景技术
分束器广泛应用于各种光学系统中，它能把一束入射光分成几束能量相等的出射光。传统的基于多层介质膜的分束器能量损失较大，制造过程复杂，成本高。近年来兴起的光子晶体作为分束器，也同样存在着成本高，制造困难等缺点。一些文献报道了高密度相位光栅作为分束器，但主要是用作1×2分束器件，且是偏振相关的。而传统的可用作1×3分束器件的达曼光栅分束器，最高理论衍射效率仅有68.74％【在先技术1：C.Zhou，and L.Liu，Appl.Opt.34，5961-5969(1995)】。而熔融石英是一种非常好的光学材料，它具有从深紫外到远红外的宽透射谱，有很高的光学质量，温度稳定性好，激光破坏阈值高。以熔融石英为材料，已经设计和制造了低偏振相关损耗、高衍射效率光栅和偏振分束光栅。因此，若用熔融石英来制作1×3偏振无关分束光栅，将是非常合适的。
高密度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，具有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。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【参见在先技术2：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，目前为止，还没有人针对常用的785纳米波段给出高密度深刻蚀熔融石英高效率透射1×3偏振无关分束光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于785纳米波段的熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅，在785纳米波段入射光垂直入射到光栅面上时，该光栅可以对TE偏振光和TM偏振光同时实现0级衍射和±1级衍射等效率透射，衍射效率差小于2％，总衍射效率高于97％。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于785纳米波段的熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.5，该光栅的周期的取值范围为1064-1072纳米、刻蚀深度范围为2.580-2.602微米。
所述光栅的周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微米的技术效果最好。
本发明的技术效果：
本发明用于785纳米波段的熔融石英透射1×3偏振无关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，工艺成熟，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。
实验表明：在785纳米波段入射光垂直入射到本发明光栅面上时，可以使TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.47％和32.51％，TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.95％和32.97％，总衍射效率均高于97％，对TE和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率1×3分束。
附图说明
图1是本发明785纳米波长的高效率熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅的几何结构。
图2是本发明1×3偏振无关分束光栅在不同光栅周期和刻蚀深度下TE偏振光垂直入射的0级衍射和±1级衍射的效率差密度曲线。
图3是本发明1×3偏振无关分束光栅在不同光栅周期和刻蚀深度下TM偏振光垂直入射的0级衍射和±1级衍射的效率差密度曲线。
图4是本发明1×3偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.453596)光栅周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微米，占空比为0.5，在785纳米波段附近使用，各波长垂直入射到光栅时，TE/TM模式下的0级衍射效率和±1级衍射效率随入射波长的变化曲线。
图5是全息光栅记录光路。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
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明的依据如下：
图1显示了高密度矩形深刻蚀石英分束光栅的几何结构。图中，1代表区域1(折射率为n1)，2代表区域2(折射率为n2)，3代表光栅，4代表入射光，5代表0级衍射光，6代表-1级衍射光，7代表1级衍射光，Λ代表光栅空间周期，h代表光栅槽深，b代表光栅凸起的宽度(占空比f＝b/Λ)。
区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n1＝1)和熔融石英(折射率n2＝1.453596)。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。入射光垂直入射到光栅面上时，该光栅可以对TE偏振光和TM偏振光，同时实现1×3等效率分束。
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2】计算了高密度深刻蚀熔融石英光栅(占空比为0.5)在红光785纳米波段的0衍射和±1级衍射的效率差。依据理论计算得到矩形光栅的数值优化结果，如图2所示，该光栅的周期的取值范围为1064-1072纳米、刻蚀深度为2.580-2.602微米时，TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率差小于2％；如图3所示，该光栅的周期为979-1107纳米、刻蚀深度为2.576-2.606微米时，TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率差小于2％；即当光栅的周期为1064-1072纳米、刻蚀深度为2.580-2.602微米时，TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率差和TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率差同时小于2％。特别是光栅周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微米时，可以使TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.47％和32.51％，TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.95％和32.97％，总衍射效率均高于97％，对TE和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率1×3分束。
如图4所示，光栅的周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微米，若考虑785纳米波段附近两种偏振模式的入射光垂直入射到光栅时，该偏振无关分束光栅在780-790纳米波长范围内，即对应于10纳米的谱宽范围，TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率差和TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率差同时小于2％。
利用微光学技术制造高密度深刻蚀矩形1×3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5)，采用He-Cd激光器7(波长为441纳米)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(周期值可以由上述衍射效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，接着再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，把光栅转移到熔融石英基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去除，就得到高密度深刻蚀表面浮雕结构的熔融石英光栅。
由图2和图3，根据TE偏振光在0和±1级的衍射效率差和TM偏振光在0和±1级的衍射效率差同时小于2％的要求选择光栅刻蚀深度及周期，得到本发明一系列实施例，如表1所示，按上述方法制作光栅，得到高衍射效率的熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅。测试结果表明与理论预期相符。由表1并结合图2和图3可知，该光栅的周期为1064-1072纳米、刻蚀深度为2.580-2.602微米时，TE偏振光在0和±1级的衍射效率差和TM偏振光在0和±1级的衍射效率差同时小于2％，实现了将两种偏振模式相互垂直的光同时等效率分束。特别是光栅周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微米时，本发明可以使TE偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.47％和32.51％，TM偏振光0级衍射和±1级衍射的效率分别为32.95％和32.97％，总衍射效率均高于97％，对TE和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率1×3分束。
本发明的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅作为1×3偏振无关分束器，具有均匀的光强分布和高的衍射效率，是一种非常理想的1×3分束器件，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，可大批量、低成本生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是分束器的一种重要的实现技术，具有重要的实用前景。
表1785纳米波长入射下，0级衍射和±1级衍射的效率η，h为光栅深度，Λ为光栅周期
Figure G2008100416420D00051

Claims (2)

1.一种用于785纳米波段的熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.5，其特征在于该光栅的周期的取值范围为1064-1072纳米、刻蚀深度范围为2.580-2.602微米。
2.根据权利要求1所述的熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅，其特征在于所述光栅的周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微米。
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