CN106054400B - 用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，镂空的周期排列的矩形硅条纹构成的硅光栅，硅光栅的硅条纹宽度和周期的比值为0.27，光栅的周期为204.6‑219.4微米，硅片厚度为47.6‑51.4微米。此硅光栅对垂直入射的1THz光波，没有高阶衍射存在，仅有零阶的透射与反射波，光栅的消光比大于100。该透射反射式偏振分束光栅具有宽工作角度带宽、结构简单、成本低、高分束效率、高消光比等优点，在太赫兹成像和波谱测量领域中具有重要的实用价值。硅光栅可由飞秒微加工或微光学技术加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

Description

用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅
技术领域
本发明涉及一种光栅偏振分束器，特别涉及一种用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅。
背景技术
太赫兹波是频率范围在0.1～10THz，波长范围在0.03～3毫米，介于微波与红外之间的电磁波。太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且是一种非接触测量技术，能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。太赫兹波可携带丰富的物理化学信息，其光子能量在毫电子伏量级，不会对所作用的物体产生电离损伤，具有安全性。因而，太赫兹波在通信、生物医学、无损探测、环境检测等方面有着非常重要的应用前景。
硅是一种优良的红外导波材料，取材方便，成本低廉，可用作1550纳米波段的偏振分束器【在先技术1：周常河等，1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，专利CN101109831】。硅也是一种很好的太赫兹导体，可用作太赫兹聚焦透镜。基于硅材料的二维菲涅尔波带片【在先技术2：S.Wang,et al.,Opt.Lett.27,1183(2002)】也可实现类似的太赫兹聚焦功能，但由于硅材料的高折射率(在0.5-1.5THz波段，折射率为3.42)，对太赫兹波具有很强的反射，限制了其实际应用。太赫兹波偏振分束器是一类重要的太赫兹功能器件，现有的太赫兹波偏振分束器多基于金属或有机聚合物材料，大都存在着结构复杂、传输损耗高、消光比低等缺点。因而，利用成本低的硅基材料制作结构简单、损耗低、消光比高的太赫兹波偏振分束器具有广泛的应用前景。
矩形光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有矩形槽形的光栅。高密度矩形光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，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3：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。但据我们所知，目前为止，还没有人针对1Tz波段给出在硅基片上制作的透射反射式光栅偏振分束器的设计参数。
发明内容
本发明是针对1Tz波段透射反射式光栅偏振分束器空白的问题，提出了一种用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，该硅光栅可以使1THz光波在-2.6°至2.6°的角度入射情况下，实现TE波大于99％的反射效率，TM波几乎100％的透射效率，偏振消光比大于100。这里的偏振消光比，定义为反射TE波与反射TM波、透射TM波与透射TE波的效率比值的最小值。
本发明的技术方案为：一种用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，镂空的周期排列的矩形硅条纹构成的硅光栅，硅光栅的硅条纹宽度和周期的比值为0.27，光栅的周期为204.6-219.4微米，硅片厚度为47.6-51.4微米。
所述硅光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，实现TM偏振光全透射和TE偏振光全反射。
所述硅光栅由飞秒微加工或微光学技术加工而成。
本发明的有益效果在于：本发明用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，该透射反射式偏振分束光栅具有宽工作角度带宽、结构简单、成本低、高分束效率、高消光比等优点，在太赫兹成像和波谱测量领域中具有重要的实用价值。硅光栅可由飞秒微加工或微光学技术加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。
附图说明
图1为本发明太赫兹偏振分束硅光栅的横截面示意图；
图2为本发明太赫兹偏振分束硅光栅俯视图；
图3为本发明硅矩形光栅占空比为0.27，在1THz光波垂直入射情况下，分束器消光比的对数随光栅周期与槽深变化的等高线图；
图4为本发明硅光栅的消光比随入射角的变化曲线图；
图5为本发明硅光栅对TM、TE太赫兹波的透射、反射效率随入射角的变化曲线图；
图6为本发明硅光栅飞秒微加工光路图。
具体实施方式
如图1所示太赫兹偏振分束硅光栅的横截面示意图，区域1、3是空气层，折射率为1.0，区域2是硅光栅太赫兹偏振分束器，折射率为3.42，如图2所示太赫兹偏振分束硅光栅俯视图，为矩形光栅。4代表入射太赫兹波，5代表透射TM太赫兹波，6代表反射TE太赫兹波(横电波)。太赫兹波4垂直入射到矩形光栅表面，TE偏振波(横磁波)对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振波对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。
在如图2所示的光栅结构下，该光栅由镂空的矩形硅条纹构成，可将不同偏振态的光通过高效率的透射和反射完全分开，实现高消光比偏振分束。如图3所示矩形光栅(占空比为0.27，即硅条纹宽度和周期的比值)的消光比的对数随光栅周期与槽深变化的等高线图。在光栅周期小于300微米时，对垂直入射的1THz光波，没有高阶衍射存在，仅有零阶的透射与反射波。在光栅的周期为204.6-219.4微米、硅片厚度为47.6-51.4微米时，可实现大于100的消光比。在光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，可实现1.7×105的消光比，此时，TM偏振光可实现几乎100％的透射、5.9×10-6反射；TE偏振光可实现几乎100％的反射、3.2×10-9透射。
如图4所示硅光栅的消光比随入射角的变化曲线图，占空比为0.27，光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，1THz光波的入射所述太赫兹偏振分束硅光栅，入射角在-2.6°至2.6°之间，可实现大于100的偏振消光比。
如图5所示硅光栅对TM、TE太赫兹波的透射、反射效率随入射角的变化曲线图，占空比为0.27，光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，1THz光波的入射所述太赫兹偏振分束硅光栅，入射角在-2.6°至2.6°之间，TE太赫兹波可实现大于99％的反射效率、小于1％的透射率；TM太赫兹波可实现几乎100％的透射效率、小于6×10-6反射率。
利用飞秒微加工技术制造硅偏振分束光栅(见图6)，首先利用轴棱锥透镜12结合二元相位板11,将平行入射的飞秒激光高斯光束17整形为旁瓣被压缩的飞秒激光贝塞尔光束18；再将所得到的贝塞尔光束18通过望远系统缩小光斑尺寸，使其具有足够高的能量进行样品的加工；将干燥、清洁的硅片15置于三维移动的平移台16上，并将光束聚焦在硅片15表面；控制平移台16的移动，快速加工大面积高深径比的硅光栅，图6中置于同一光轴上的透镜3和物镜4组成望远系统。
利用微光学技术制造硅偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的硅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)。然后掩模板光刻的方式记录光栅，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，将硅片完全刻透，把光栅转移到硅基片上，最后再用去铬液将剩余的铬膜剥离，就得到所需要的硅光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，数据为对垂直入射的1THz光波，硅光栅占空比为0.27时，不同光栅周期与硅片厚度所对应的TE、TM偏振波的反射、透射效率以及消光比，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期、硅片厚度，就可以得到不同消光比的高效率太赫兹偏振分束光栅。由表1可知，该光栅的在光栅的周期为204.6-219.4微米、槽深为47.6-51.4微米时，可实现大于100的消光比。
表1

Claims (3)

1.一种用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，其特征在于，镂空的周期排列的矩形硅条纹构成的硅光栅，硅光栅的硅条纹宽度和周期的比值为0.27，硅光栅的周期为204.6-219.4微米，硅片厚度为47.6-51.4微米。
2.根据权利要求1所述用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，其特征在于，所述硅光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，实现TM偏振光全透射和TE偏振光全反射。
3.根据权利要求1或2所述用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，其特征在于，所述硅光栅由飞秒微加工或微光学技术加工而成。
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