CN101661126A - 偏振无关宽带高效率石英透射光栅 - Google Patents

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周常河
曹红超
冯吉军
贾伟
武腾飞
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Abstract

一种用于中心波长为800纳米波段的偏振无关宽带高效率石英透射光栅，该光栅的光栅周期为700－800纳米，光栅的刻蚀深度为1.5～2.5微米，占空比为0.55－0.75时，该熔融石英光栅对TE和TM偏振光的－1级的透射衍射效率可在740－880纳米波长范围内大于90％。本发明偏振无关宽带高效率石英透射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，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

Description

偏振无关宽带高效率石英透射光栅
技术领域
本发明涉及针对800纳米波长的石英透射光栅，特别是一种偏振无关宽带高效率石英透射光栅。
背景技术
在飞秒激光领域，尤其是在啁啾脉冲放大技术中，人们往往需要高衍射效率、较大的角度色散、较宽波长范围和角度带宽的衍射光栅。最近，Wei Jia等人在熔石英上制作了高衍射效率的透射式光栅，其-1级的衍射效率理论上可达98％。而且，这种透射式光栅对光脉冲压缩器的尺寸非常小(通常只有几个毫米)从而大大的减小了整个激光器系统的尺寸【在先技术1：W.Jia et al.，Appl.Opt.47，6058(2008)】。但是，Wei Jia等人制作的这种透射式石英光栅属于窄带偏振相关器件，即它只在较窄的波长带宽内对一个偏振态(TE偏振)可以实现高效率，不能满足偏振无关和宽带的需求。
熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量：稳定的性能、高损伤阈值和从深紫外到远红外的宽透射谱。因此，刻蚀高密度深刻蚀熔融石英光栅作为新型的偏振无关宽带器件具有广泛的应用前景。
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【在先技术2：M.G.Moharam etal.，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800纳米波长给出在熔融石英基片上制作偏振无关宽带透射式光栅的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对常用800纳米波长的激光器提供一种偏振无关宽带高效率石英透射光栅。该光栅可以使TE和TM偏振光在1级布拉格入射角的情况下的-1级衍射效率在140纳米(740-880纳米)波长带宽内均高于90％。因此，在具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于800纳米波段的偏振无关宽带石英透射光栅，其特点在于该光栅的周期为700～800纳米、刻蚀深度1.5～2.5微米，光栅的占空比为0.55～0.75。
所述的偏振无关宽带石英透射光栅的周期为750纳米，光栅的刻蚀深度为1.95微米。
本发明的依据如下：
图1显示了偏振无关宽带高效率石英透射光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n1＝1)和熔融石英(折射率n2＝1.45)。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。线性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*Λ*n1))入射(定义为1级Bragg条件)，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。
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】计算了矩形熔融石英光栅在800纳米波段衍射效率。我们利用模式理论【在先技术3：J.Zheng et al.，J.Opt.Soc.Am.A.25，1075(2008)】设计这种偏振无关宽带高效率透射石英光栅，并采用严格耦合波理论【在先技术2】优化所得光栅结构。图2给出了依据理论计算得到高衍射效率矩形光栅的数值优化结果。从图中可以看出，当光栅的占空比为0.55～0.75、刻蚀深度为1.5～2.5微米时，光栅在-1级的衍射效率大于90％。
特别是当光栅的周期为750纳米，深度为1.95微米，若考虑800纳米附近TE和TM偏振模式的入射光以对应的1级Bragg角度入射到光栅时，该光栅在700～900纳米波长范围内所有波长的-1级衍射效率均可以达到80％以上，在740～880纳米波长范围内所有波长的-1级衍射效率均可以达到90％以上。
附图说明
图1是本发明800纳米波长的偏振无关宽带高效率石英透射光栅的几何结构。
图2是本发明偏振无关宽带石英透射光栅(熔融石英的折射率取1.45332，光栅周期750纳米)在不同占空比和刻蚀深度下TE和TM之间最小值的衍射效率密度曲线。
图3是本发明偏振无关宽带石英透射光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为750纳米、光栅深度1.95微米，占空比为0.67，衍射效率随入射波长的变化曲线。
图4是全息光栅记录光路。
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4)，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。
表1、表2给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期、刻蚀深度及占空比，就可以在不同的带宽内得到高衍射效率的透射光栅。
表1对800纳米波长为利特罗角入射时不同波长的TE偏振光在-1级衍射效率η，h为光栅深度，f为占空比，Λ为光栅周期
Figure G2009101959058D00041
表2对800纳米波长为利特罗角入射时不同波长的TM偏振光在-1级衍射效率η，h为光栅深度，f为占空比，Λ为光栅周期
本发明的偏振无关宽带高效率石英透射光栅，具有使用灵活方便、带宽较宽、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件，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，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，可应用于偏振无关宽带脉冲压缩器中，具有重要的实用前景。

Claims (2)

1、一种用于800纳米波段的偏振无关宽带高效率石英透射光栅，其特征在于该光栅的周期为700～800纳米，光栅的刻蚀深度为1.5～2.5微米，光栅的占空比为0.55～0.75。
2、根据权利要求1所述的偏振无关宽带高效率石英透射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为750纳米，占空比为0.67，光栅的刻蚀深度为1.95微米。
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