CN108008478A - 基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅，包括自内向外依次镀制的石英基底、金属层、匹配层和光栅刻蚀层，所述光栅刻蚀层包括自内向外依次镀制的第一低折射率膜层和第一高折射率膜层，所述匹配层包括自内向外依次镀制的第二低折射率膜层与第二高折射率膜层，所述光栅刻蚀层的周期为1200～1300纳米，占空比为0.2～0.4，第一低折射率膜层的厚度为100～160纳米，第一高折射率膜层的厚度为240～310纳米，第二高折射率层的厚度为90～150纳米；第二低折射率膜层的厚度为240～300纳米，所述的金属层的厚度大于50纳米。本发明具有宽光谱、宽角谱、高衍射效率等特点，且对不同偏振的入射光表现出完全不同的衍射特性。

Description

基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅
技术领域
本发明涉及反射光栅技术领域，具体涉及一种基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅。
背景技术
通常情况下，金属多层介质膜光栅在高功率激光系统中应用非常广泛，这是由于它不仅拥有很高的衍射效率同时还拥有高抗激光损伤阈值等特性。然而，金属多层介质膜光栅除了可以用作高功率超短脉冲激光系统的脉冲压缩光栅以外，还可以作为偏振选择光栅。传统的偏振选择光栅通常是由多层介质膜结构组成，这种偏振选择光栅具有的缺点是带宽比较窄，且对入射光的入射角度的变化非常敏感。因此，为了适应新型光学设备的需求，发明一种同时具有高衍射效率、足够宽的衍射带宽的偏振选择光栅是有强烈的应用需求的。
金属介质膜光栅的衍射理论，不能由标量光栅衍射方程来解析，而必须采用严格耦合波理论的算法【参见在先技术1：M. G.. Moharam et al., J. Opt. Soc. Am. A. 12,1077(1995)】精确地计算出结果。现有技术中没有针对1550纳米中心波段给出宽光谱，宽角谱、高衍射效率的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于1550纳米中心波长的具有高衍射效率的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅，包括自内向外依镀制次的石英基底、金属层、匹配层和光栅刻蚀层，所述光栅刻蚀层包括自内向外依次镀制的第一低折射率膜层和第一高折射率膜层，所述匹配层包括自内向外依次镀制的第二低折射率膜层与第二高折射率膜层，所述光栅刻蚀层的周期为1200～1300纳米，占空比为0.2～0.4，第一低折射率膜层的厚度为100～160纳米，第一高折射率膜层的厚度为240～310纳米，第二高折射率层的厚度为90～150纳米；第二低折射率膜层的厚度为240～300纳米，所述的金属层的厚度大于50纳米。
本发明由基底、金属层、多层介质膜和表面浮雕结构组成，基底为石英基底，匹配层为多层介质膜，是由高低折射率材料交替组成的膜堆，利用多层介质膜的干涉原理可以对特定波长、特定角度和特定的偏振态进行设计得到高反射率。一方面由于金属的宽光谱特性，另一方面减少介质膜的层数来降低膜堆内的机械应力，在石英基底与匹配层之间进行镀金属层。表面浮雕结构为光栅刻蚀层，也为高低折射率材料交替组成。光栅上方为空气，折射率等于1，一束入射光从空气进入到光栅，然后经过匹配层，进入到高反金属层，到达金属层之后被反射，再次经过匹配层和光栅刻蚀层，最后出射到空气。由此可见，入射光在进入金属介质膜偏振选择性光栅再被反射这个过程中，光被光栅、膜层共同调制，其中TE偏振光集中在-1级反射，产生了宽波长范围下高衍射效率的效果；而TM偏振光则被均匀地反射在-1级和0级之间，此外-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下也高。通过对所述基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅深度、形状、周期、膜层层数以及厚度优化设计，该光栅对TE入射偏振光可以实现宽波长范围内-1级衍射效率高于98%；此外，该光栅可以实现将TM偏振入射光均匀地反射到-1级和0级之间，并且-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下高于98%。达到高衍射效率的同时表明发明有较宽的衍射光谱，衍射角谱以及较好的工艺容差。
进一步地，第一高折射率膜层与第二高折射率膜层的材料为Si，TiO2，HfO2或Ta2O5，所述第一低折射率膜层与第二低折射率膜层的材料为SiO2。
进一步地，所述的金属层的材料为金、银或铝。
本发明的有益效果在于通过对所述基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅深度、形状、周期、膜层层数以及厚度优化设计，该光栅对TE入射偏振光可以实现宽波长范围内-1级衍射效率高于98%；此外，该光栅可以实现将TM偏振入射光均匀地反射到-1级和0级之间，并且-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下高于98%。该发明具有宽光谱、宽角谱、高衍射效率并且对不同偏振的入射光表现出完全不同的衍射特性。对于制造新型光学器件具有重要的实用意义。
附图说明
图1是本发明多层金属介质膜偏振选择性反射光栅的结构示意图。
图2是本发明实施例1的入射角度和衍射效率关系图。
图3是本发明实施例1的入射波长和衍射效率关系图。
图4是本发明实施例2的入射角度和衍射效率关系图。
图5是本发明实施例2的入射波长和衍射效率关系图。
图6是本发明实施例2的入射角度和刻蚀深度对TE偏振光衍射效率关系图。
图7是本发明实施例2的入射角度和刻蚀深度对TM偏振光衍射效率关系图。
图8是本发明实施例3的入射角度和占空比对TE偏振光衍射效率关系图。
图9是本发明实施例3的入射角度和占空比对TM偏振光衍射效率关系图。
图中包括：石英基底1、金属层2、匹配层3、第二低折射率膜层31、第二高折射率膜层32、光栅刻蚀层4、第一低折射率膜层41、第一高折射率膜层42、入射角θi、光栅周期Λ、占空比f。
具体实施方式
图1所示为本发明基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅的结构示意图。包括自内向外依次镀制的石英基底1、金属层2、匹配层3和光栅刻蚀层4，所述光栅刻蚀层4包括自内向外依次镀制的第一低折射率膜层41和第一高折射率膜层42，所述匹配层3包括自内向外依次镀制的第二低折射率膜层31与第二高折射率膜层32，所述光栅刻蚀层4的周期为1200～1300纳米，占空比为0.2～0.4，第一低折射率膜层41的厚度为100～160纳米，第一高折射率膜层42的厚度为240～310纳米，第二高折射率膜层32的厚度为90～150纳米；第二低折射率膜层31的厚度为240～300纳米，所述的金属层2的厚度大于50纳米。本发明由基底、金属层2、多层介质膜和表面浮雕结构组成，基底为石英基底1，匹配层3为多层介质膜，是由高低折射率材料交替组成的膜堆，利用多层介质膜的干涉原理可以对特定波长、特定角度和特定的偏振态进行设计得到高反射率。一方面由于金属的宽光谱特性，另一方面减少介质膜的层数来降低膜堆内的机械应力，在石英基底1与匹配层3之间进行镀金属层2。表面浮雕结构为光栅刻蚀层4，也为高低折射率材料交替组成。第一高折射率膜层与第二高折射率膜层的材料优选为Si，TiO2，HfO2或Ta2O5，第一低折射率膜层与第二低折射率膜层的材料为SiO2。金属层的材料优选为金、银或铝。
由图1可见，光栅上方为空气（折射率为n=1），入射光从空气进入到光栅，然后经过匹配层3，进入到高反金属层2，到达金属层2之后被反射，再次经过匹配层3和光栅刻蚀层4，最后出射到空气。由此可见，入射光在进入金属介质膜偏振选择性光栅再被反射这个过程中，光被光栅、膜层共同调制，其中TE偏振光集中在-1级反射，产生了宽波长范围下高衍射效率的效果；而TM偏振光则被均匀地反射在-1级和0级之间，此外-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下高于98%。
在图1所示结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅对TE和TM偏振光的反射带、角谱以及衍射效率，我们得到结论：通过对所述基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅深度、形状、周期、膜层层数以及厚度优化设计，该光栅对TE入射偏振光可以实现宽波长范围内-1级衍射效率高于98%；此外，该光栅可以实现将TM偏振入射光均匀地反射到-1级和0级之间，并且-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下高于98%。该发明具有宽光谱、宽角谱、高衍射效率并且对不同偏振的入射光表现出完全不同的衍射特性。
本发明依据理论计算得到基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅的参数优化结果，该光栅的周期为1200～1300纳米；占空比为0.2～0.4。光栅刻蚀层4的内层为第一低折射率膜层41，外层为第一高折射率膜层42，材料为Si；匹配层3外层为第二高折射率膜层32，材料为Si，厚度90～150纳米，内层为第二低折射率膜层31，材料为SiO2，厚度240～300纳米；金层厚度大于50纳米。本发明基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅在入射角度38.5°，在1500～1600纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于98%，此时TM偏振的0级和-1级反射衍射效率分别在44%～55%以及55%～43%范围内；光栅在1550纳米入射波长下，入射角度为30°～48°，TE偏振的-1级反射衍射效率大于95%，此时TM偏振的0级和-1级反射衍射效率分别在53%～49%以及45%～49%范围内。
实施例1：
用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅，包括自内向外依次镀制的石英基底1、金属层2、匹配层3和光栅刻蚀层4。所述光栅刻蚀层4的周期为1243.62纳米，占空比为0.23，处于光栅刻蚀层4内层的第一低折射率膜层41材料为SiO2，厚度为142.23纳米；处于外层的第一高折射率膜层42材料为Si，厚度为280.53纳米。处于匹配层3内层的第二低折射率膜层31材料为SiO2，厚度为273.1纳米；外层的第二高折射率膜层32材料为Si，厚度为121.13纳米，所述的金属层2的厚度为200纳米。如图2所示，在1550纳米入射波长下，入射角度为30°～48°，TE偏振光的-1级反射衍射效率大于95%，此时TM偏振的0级和-1级反射衍射效率分别在53%～49%以及45%～49%范围内。如图3在入射角度为38.5°时，在1500～1600纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率大于98%，此时TM偏振的0级和-1级反射衍射效率分别在44%～55%以及55%～43%范围内。特别地，在1550纳米波长，入射角度为38.5°时，TE偏振光的-1级反射衍射效率可达到99%，TM偏振的0级和-1级反射衍射效率分别在49%、49%。
实施例2：
用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅，包括自内向外依次镀制的石英基底1、金属层2、匹配层3和光栅刻蚀层4。该光栅刻蚀层4的周期为1243.62纳米，占空比为0.23，其内层为第一低折射率膜层41，材料为SiO2，厚度142.23纳米，外层为第一高折射率膜层42，材料为Si，厚度280.53纳米；所述的匹配层3内层为第二低折射率膜层31，材料为SiO2，厚度为273.1纳米；外层为第二高折射率膜层32，材料为Si，厚度为121.13纳米，所述的金属层2的厚度200纳米。如图4所示，在1550纳米入射波长下，入射角度为28°～55°，TE和TM偏振光在-1级和0级的衍射效率之和均高于98%。如图5在入射角度为38.5°时，在1450～1650纳米波段，TE和TM偏振光在-1级和0级的衍射效率之和均高于98%。
实施例3：
用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅，包括自内向外依次镀制的石英基底1、金属层2、匹配层3和光栅刻蚀层4。该光栅刻蚀层4的周期为1243.62纳米，占空比为0.23，其内层为第一低折射率膜层41，材料为SiO2，厚度142.23纳米，外层为第一高折射率膜层42，材料为Si，厚度280.53纳米；所述的匹配层3内层为第二低折射率膜层31，材料为SiO2，厚度为273.1纳米；外层为第二高折射率膜层32，材料为Si，厚度为121.13纳米，所述的金属层2的厚度200纳米。此外，分别定义参数Re=TE-1/TE0 , Rm=TM-1/TM0 ,以更直观地展示该光栅对TE和TM偏振光分别在-1级和0级的衍射效率。如图6在1550纳米入射波长下, 入射角度为34°～43°, 光栅刻蚀层4深度为270～290nm，参数Re超过50。如图7在1550纳米入射波长下, 入射角度为30°～48°, 光栅刻蚀层4为270～320nm，参数Rm 在0.8～1.2之间。如图8在1550纳米入射波长下, 入射角度为35°～43°,占空比为0.2235～0.2335，参数Re超过50。如图9在1550纳米入射波长下, 入射角度为35°～43°, 光栅刻蚀层4深度为0.2235～0.2387，参数Rm在0.8～1.2之间。说明本发明装置拥有很好的偏振选择性以及很高的衍射效率。此外还拥有较宽的衍射光谱，衍射角谱以及较好的工艺容差。
通过对所述基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅深度、形状、周期、膜层层数以及厚度优化设计，该光栅对TE入射偏振光可以实现宽波长范围内-1级衍射效率高于98%；此外，该光栅可以实现将TM偏振入射光均匀地反射到-1级和0级之间，并且-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下高于98%。该发明具有宽光谱、宽角谱、高衍射效率并且对不同偏振的入射光表现出完全不同的衍射特性。对于制造新型光学器件具有重要的实用意义，该光栅不仅可以用作1550纳米中心波长的偏振选择反射光栅，它具有很宽的带宽和角宽，而且最外层为SiO2，具有较高的激光损伤阈值，可以用于高功率激光系统，起到很好的脉冲压缩效果，同时可用作高功率超短脉冲激光系统的脉冲压缩光栅。

Claims (3)

1.一种用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅，其特征在于，包括自内向外依次镀制的石英基底（1）、金属层（2）、匹配层（3）和光栅刻蚀层（4），所述光栅刻蚀层（4）包括自内向外依次镀制的第一低折射率膜层（41）和第一高折射率膜层（42），所述匹配层（3）包括自内向外依次镀制的第二低折射率膜层（31）与第二高折射率膜层（32），所述光栅刻蚀层（4）的周期为1200～1300纳米，占空比为0.2～0.4，第一低折射率膜层（41）的厚度为100～160纳米，第一高折射率膜层（42）的厚度为240～310纳米，第二高折射率层（31）的厚度为90～150纳米；第二低折射率膜层（32）的厚度为240～300纳米，所述的金属层（2）的厚度大于50纳米。
2.根据权利要求1所述的基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅，其特点在于，所述的第一高折射率膜层（42）与第二高折射率膜层（32）的材料为Si，TiO2，HfO2或Ta2O5，所述第一低折射率膜层（41）与第二低折射率膜层（31）的材料为SiO2。
3.根据权利要求1所述的多层金属介质膜偏振选择性反射光栅，其特点在于，所述的金属层（2）的材料为金、银或铝。
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