CN104777537A - 1×2高效率反射式光栅 - Google Patents

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Abstract

一种中心波长为1064纳米TE偏振的1×2高效率反射式光栅，其结构为熔融石英基底上依次镀上铬膜、金膜和熔融石英膜，在熔融石英膜层上刻蚀矩形槽光栅，未被刻蚀的熔融石英膜层为连接层，光栅周期为2304～2308纳米，占空比为0.34～0.36，光栅深度为570～590纳米，连接层厚度133～143纳米。本发明在TE偏振光垂直入射时，可以实现中心波长1064纳米消零级且±1级衍射效率高于96％。本发明可以由多光束激光并行直写装置结合自感应耦合等离子深刻蚀工艺以及镀膜技术加工而成，取材方便，加工简单，具有重要的实用前景。

Description

1×2高效率反射式光栅
技术领域
本发明涉及反射式光栅，特别是一种中心波长为1064纳米TE偏振的1×2高效率反射式光栅。
背景技术
分束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。高效率反射式光栅在脉冲压缩技术、飞秒脉冲分束技术中都需要。由于传统的反射分束光栅存在衍射效率较低、损耗大、加工难度大等不足，限制了反射光栅的应用。熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量，由熔融石英加工金属介电光栅，可以实现很高的衍射效率。上海光机所胡安铎等人设计了一种TE偏振光在利特罗角入射的情况下宽带金属介电反射光栅，其TE波在800纳米波段的衍射效率大于90％【在先技术1，申请号：201110297954.x】。以上反射光栅的衍射效率较小，以利特罗角入射，不用于分束。
高密度光栅的衍射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 et 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。利用、结合严格耦合波分析及模拟退火算法，优化设计反射光栅。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用1064纳米波长给出制作的金属膜介电光栅的TE偏振1×2分束的高效率反射式光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种中心波长为1064纳米TE偏振的1×2高效率反射式光栅。当TE偏振光垂直入射时，该光栅可以使入射光分成两束等强度的反射光，实现消零级和反射光的总衍射效率大于96％。因此，该反射光栅具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种一种中心波长为1064纳米TE偏振的1×2高效率反射式光栅，特点在于其结构为熔融石英基底上依次分别镀上铬膜、金膜和熔融石英膜，在该熔融石英层刻蚀矩形槽光栅，未被刻蚀的熔融石英膜层为连接层,该反射光栅的光栅周期为2304～2308纳米，占空比为0.34～0.36，光栅深度为570～590纳米，连接层厚度为133～143纳米。
本发明的技术效果如下：
本发明光栅，特别是该光栅的周期为2306纳米，光栅深度为580纳米，占空比为0.35，连接层厚度为138纳米，该光栅反射光的总效率大于97％，0级衍射效率小于0.25％，实现消零级反射。利用多光束激光并行直写装置，可以大批量、低成本地生产。刻蚀深度较小，易加工，光栅性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。本发明具有使用灵活方便、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件。
附图说明
图1是本发明1064纳米波长的TE偏振1×2高效率反射式光栅的几何结构示意图。
图中，1代表熔融石英区域(折射率为n1)，2代表金膜区域(折射率为n2)，3代表铬膜区域(折射率为n3)，4代表熔融石英基底区域(折射率n1)，5代表TE偏振模式下垂直入射光，6、7分别代表TE模式下的±1级衍射光。d代表光栅周期，b代表光栅脊宽，h1代表光栅刻蚀深度，h2代表连接层厚度，hg代表金膜厚度，hc代表铬膜厚度。
图2是本发明1×2高效率反射式光栅的周期为2306纳米，占空比为0.35，刻蚀深度为580纳米，连接层厚度为138纳米，金膜厚度为122纳米，铬膜厚度20纳米，TE偏振光垂直入射时，±1级衍射效率随波长变化的曲线。
图3是1×2高效率反射式光栅的周期为2306纳米，占空比为0.35，刻蚀深度为580纳米，连接层厚度为138纳米，金膜厚度为122纳米，铬膜厚度20纳米，TE偏振光垂直入射时，0级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。
实施例1
本发明中心波长为1064纳米TE偏振的1×2高效率反射式光栅，其结构为熔融石英基底4上依次镀上20纳米铬膜3、122纳米金膜2和熔融石英层1，在熔融石英层1刻蚀矩形槽光栅，未被刻蚀的熔融石英膜层为连接层，该光栅周期为2304～2308纳米，占空比为0.34～0.36，刻蚀深度为570～590纳米，连接层厚度为133～143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】计算了1×2高效率反射式光栅在1064纳米波段的衍射效率。
表1给出了本发明一系列实施例，表中d为光栅周期，f为光栅占空比，h1为光栅深度，h2为光栅连接层厚度，λ为入射波波长，η±1为±1级衍射效率，η0为0级衍射效率。在制作本发明中心波长为1064纳米TE偏振的1×2高效率反射式光栅的过程中，由表1可知，当光栅的周期为2304～2308纳米，占空比为0.34～0.36，刻蚀深度为570～590纳米，连接层厚度为133～143纳米时，可以实现消零级且±1级衍射效率高于96％。
本发明1064纳米波长的TE偏振石英的1×2高效率反射式光栅，具有使用灵活方便、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件，多光束激光并行直写装置结合自感应耦合等离子深刻蚀工艺以及镀膜技术加工而成，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 TE偏振光垂直入射时±1级衍射效率。

Claims (2)

1.一种中心波长1064纳米波段的1×2高效率反射式光栅，特征在于其结构为熔融石英基底(4)上依次分别镀20纳米铬膜(3)、122纳米金膜(2)和熔融石英膜(1)，在熔融石英膜(1)上刻蚀矩形槽光栅，未被刻蚀的熔融石英膜层为连接层，光栅周期2304～2308纳米，占空比为0.34～0.36，光栅深度为570～590纳米，连接层厚度为133～143纳米。
2.根据权利要求1所述的1×2高效率反射式光栅，其特征在于所述的光栅的周期为2306纳米，占空比为0.35，光栅的刻蚀深度为580纳米，连接铬层厚度为138纳米。
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