CN103675969B - 高效率斜双层光栅 - Google Patents

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Abstract

一种用于1064纳米波长的TE偏振的垂直入射的-1级高效率斜双层光栅，该光栅的第一层材料是石英，第二层材料是Ta2O5,基底是石英，两层光栅的深度相同。该光栅的光栅周期为950～954纳米，脊宽为441～445纳米，倾斜角68～69度，光栅总深度为2046～2050纳米，当TE偏振光垂直入射时，其透射光-1级衍射效率可高于91%。本发明TE偏振的垂直入射的石英-1级高效率斜双层光栅由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

高效率斜双层光栅
技术领域
本发明涉及透射光栅，特别是一种用于1064纳米波长的TE偏振的垂直入射的-1级高效率斜双层光栅。
背景技术
光偏转器是光学系统中的基本元件，在光学系统中有着重要的应用。在光通信、光信息处理、光计算、全息等等系统中有着不可替代的作用。传统的光偏转器，由于工艺复杂，成本昂贵，而且激光破坏阈值不高。今年来兴起的电光晶体作为光偏转，也同样存在着成本高，制造困难等缺点。熔融石英和Ta2O5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，并且设计制作的高效率光栅，结构简单，工艺流程简单。因此，刻蚀高密度深刻蚀光栅作为新型的光偏转器件具有广泛的应用前景。对于高密度光栅，一种较为常见的光入射方式是垂直入射，即入射角是零度。
AnduoHu等人设计了一种布拉格角入射下的高效率反射式石英-1级高效率衍射光栅【在先技术1：AnduoHuetal.,J.Opt.14,055705(2012)】。以上光栅是基于在布拉格角入射的矩形反射式光栅，当光垂直的照在斜双层光栅上，由于斜双层光栅在结构上存在不对称的特性，透射光能量会存在不对称分布，同时斜双层光栅具有更多的设计自由度，可以实现-1级高效率的透射。
斜双层光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有倾斜槽形的光栅。高密度倾斜光栅的衍射理论，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.Moharametal.,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1064纳米波长实现垂直入射-1级高效率透射的设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于1064纳米波长的TE偏振的垂直入射的-1级高效率斜双层光栅。当TE偏振光垂直入射时，该光栅可以使入射光能量主要分布在-1级透射光上，-1级透射光的最高效率大于98%。因此，该光栅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1064纳米波长的TE偏振垂直入射-1级高效率斜双层光栅，其特征在于光栅的光栅周期为950～954纳米，脊宽为441～445纳米，倾斜角68～69度，光栅总深度为2046～2050纳米。
最佳的光栅的周期为952纳米，光栅倾斜角为68.75度，脊宽为443纳米，光栅总深度为2048纳米。
本发明的技术效果如下：
特别是当光栅的光栅周期为952纳米，光栅倾斜角为68.75度，脊宽为443纳米，光栅总深度为2048纳米。-1级透射光的衍射效率最大值大于98%。本发明具有使用灵活方便、均匀性较好、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，具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明1064纳米波长的TE偏振的垂直入射的-1级高效率斜双层光栅的几何结构。
图中，1代表入射光，2代表出射光，3代表折射率为n1=1的均匀区域，4代表第一层光栅区域（折射率为nr1），5代表第二层光栅区域（折射率为nr2），6代表折射率为n2=1.45的均匀区域。d为光栅周期，b为脊宽，h为光栅深度，θ为光栅倾斜角。
图2是本发明要求范围内-1级高效率斜双层光栅（石英的折射率为1.45，Ta2O5的折射率为2）光栅周期为952纳米，光栅总深度为2048纳米，脊宽为443纳米，倾斜角为68.75度，衍射效率随波长变化的曲线。
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，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明1064纳米波长的TE偏振的垂直入射的-1级高效率斜双层光栅的几何结构。图中，1代表入射光，2代表出射光，3代表折射率为n1=1的均匀区域，4代表第一层光栅区域（折射率为nr1），5代表第二层光栅区域（折射率为nr2），6代表折射率为n2的均匀区域。d为光栅周期，b为脊宽，h为光栅深度，θ为光栅倾斜角。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，其垂直入射到光栅。由图可见，本发明用于波长为1064纳米波段的TE偏振垂直入射-1级高效率斜双层光栅，该光栅的光栅周期为950～954纳米，脊宽为441～445纳米，倾斜角68～69度，光栅总深度为2046～2050纳米。
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】计算倾斜石英光栅在1064纳米波段的衍射效率。我们利用严格耦合波理论【在先技术2】得到光栅初始结构，并采用模拟退火法则【在先技术3：W.Goffeetal.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，从而得到这种-1级高效率石英透射光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，表中d为光栅周期，b为脊宽，h为光栅深度，λ为入射波长，□为光栅倾斜角，□为衍射效率。在制作本发明用于1064纳米波长的TE偏振垂直入射-1级高效率斜双层光栅的过程中，适当选择光栅周期、脊宽，倾斜角和刻蚀深度就可以在一定的带宽内得到高衍射效率。
图2是本发明-1级透射光衍射效率随波长变化的曲线。
本发明的TE偏振垂直入射-1级高效率出射石英透射光栅，具有使用灵活方便、均匀性较好、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，具有重要的实用前景。
表1垂直入射时不同波长的TE偏振光在-1级衍射效率□，脊宽为b，h为光栅深度，d为光栅周期，□为光栅倾斜角

Claims (2)

1.一种用于1064纳米波长的TE偏振的垂直入射的-1级高效率斜双层光栅，该光栅的第一层材料是石英，第二层材料是Ta2O5,基底是石英，两层光栅的深度相同，其特征在于光栅的光栅周期为950～954纳米，脊宽为441～445纳米，倾斜角68～69度，光栅总深度为2046～2050纳米。
2.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于所述的光栅周期为952纳米，光栅倾斜角为68.75度，脊宽为443纳米，光栅总深度为2048纳米。
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