CN108680978A - 基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅 - Google Patents

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Abstract

一种基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅，该光栅是由两个一维单脊光栅上下排列一体构成，且上层光栅的光栅周期方向与下层光栅的光栅周期方向互相垂直，所述的光栅周期均为1.309微米，上层光栅占空比为0.576～0.611，刻蚀深度为1.008～1.072微米，下层光栅占空比为0.5，刻蚀深度为0.873～0.897微米。当TM偏振光垂直入射时，将产生5×5的点阵，总的衍射角度为80°×80°，总的衍射效率大于93％，并且其均匀性优于8％。本发明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，能批量生产，具有重要的实用前景。

Description

基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅
技术领域
本发明涉及点阵衍射元件，尤其是一种用于633纳米波长的TM偏振的基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅。
背景技术
衍射光栅是光学系统的基本元件，在光学系统中有着重要的应用，可以用作光谱仪分光元件、分束器、波长选择器等，在光通信、光信息处理、光计算、全息等系统中有着不可替代的作用。衍射光栅作为点阵衍射元件最常用的是达曼光栅，达曼光栅是基于标量衍射理论设计的，其衍射角小，其余衍射级次多，总衍射效率不高。达曼光栅分束器可作为1×3分束器，最高理论衍射效率仅有68.74％【在先技术1：C,Zhou,and L.Liu,Appl.Opt.34,5961-5969(1995)】。而高密度深刻蚀光栅用于设计制作大衍射角，高效率，均匀性好的点阵衍射元件是非常合适的。
通常情况下，根据传统的标量衍射理论，一维单脊光栅不能产生1×5的点阵，当光栅周期稍大于入射波长的两倍的时候，我们可以根据矢量衍射理论设计出合适的光栅结构。在同一个维度上刻蚀的二维光栅在制作上和设计上难度较大，同时分束均匀性和衍射效率不能保证，因此我们提出了基于两个单脊光栅的点阵衍射光栅，制作简单并且衍射效率高，分束均匀性好。据我们所知，到目前为止，还没有人针对633纳米波长给出基于矢量衍射理论的高密度深刻蚀5×5点阵衍射光栅设计。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于633纳米波长的TM偏振的基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅。当633纳米波长、TM偏振的光垂直入射时，该光栅可以将入射光分成25束近似等强度的透射光，透射总效率可以达到93％以上，分束均匀性优于8％。因此该点阵衍射光栅可以实现TM偏振下5×5透射分束。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于633纳米波长的基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅，其特点在于该光栅是由两个一维单脊光栅上下排列一体构成，且上层光栅的光栅周期方向与下层光栅的光栅周期方向互相垂直，所述的光栅周期均为1.309微米，上层光栅占空比为0.576～0.611，刻蚀深度为1.008～1.072微米，下层光栅占空比为0.5，刻蚀深度为0.873～0.897微米。
最佳的点阵衍射光栅的光栅周期为1.309微米，上层光栅占空比为0.591，刻蚀深度为1.056微米，下层光栅占空比为0.5，刻蚀深度为0.884微米。
本发明的技术效果如下：
当点阵衍射光栅的光栅周期为1.309微米，上层光栅占空比为0.591，刻蚀深度为1.056微米，下层光栅占空比为0.5，刻蚀深度为0.884微米，633纳米波长的TM偏振光垂直入射到本光栅面时，产生的5×5点阵总的衍射角为80°×80°，总衍射效率高于93％，并且分束均匀性优于8％。
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。本发明具有使用灵活方便，衍射角大，衍射效率高，均匀性好等优点，是一种非常理想的衍射光学元件。
附图说明
图1是本发明633纳米波长的TM偏振下基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅的几何结构示意图。
图2是本发明TM偏振的5×5点阵衍射光栅(BK-7玻璃的折射率取1.5007)的下层光栅的分束均匀性随光栅刻蚀深度的变化曲线。
图3是本发明TM偏振的5×5点阵衍射光栅(BK-7玻璃的折射率取1.5007)的上层光栅在不同的光栅占空比和刻蚀深度下的分束均匀性。
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633纳米波长的TM偏振垂直入射基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅的几何结构。图中，d代表两光栅的周期，hTM，cTM，gTM分别代表上层光栅的刻蚀深度，光栅凸起的宽度(上层光栅占空比为cTM/d)以及槽的宽度；hTE，cTE，gTE分别代表下层光栅的刻蚀深度，光栅凸起的宽度和光栅槽的宽度。区域1、2、3都是均匀的，1为空气(折射率n1＝1)，2、3均为BK-7玻璃(折射率n2＝1.5007)，4代表入射光，5代表衍射阵列。由图可见，本发明用于波长为633纳米波长的TM偏振垂直入射5×5点阵衍射光栅，该光栅的周期为1.309微米，上层光栅占空比为0.576～0.611，刻蚀深度为1.008～1.072微米，下层光栅占空比为0.5，刻蚀深度为0.873～0.897微米。
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:M.G.Moharam et al.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】计算基于两正交单脊光栅的点阵衍射光栅在633纳米波长TM偏振入射下的分束均匀性。我们利用严格耦合波理论【在先技术2】得到光栅的初始结构，并采用模拟退火法【在先技术3：W.Goffe et al.,J.Econometrics60,65-99(1994)】进行优化，如图2所示，下层光栅的刻蚀深度取值范围为0.873～0.897微米时，分束均匀性优于10％；如图3所示，上层光栅的占空比为0.576～0.611，刻蚀深度为1.008～1.072微米时，分束均匀性优于10％，从而得到这种5×5点阵衍射光栅的数值优化结果。
表1给出了本发明一系列实施例，表中fTM为上层光栅占空比，hTM为上层光栅刻蚀深度，hTE为下层光栅刻蚀深度，η为衍射效率，Uniformity为分束均匀性。在制作本发明用于633纳米波长TM偏振垂直入射基于两正交单脊光栅的5×5点阵衍射光栅的过程中，适当选择上层光栅的占空比和刻蚀深度以及下层光栅的刻蚀深度就可以在一定带宽内得到高衍射效率和均匀性较好的5×5点阵。
本发明的TM偏振垂直入射5×5点阵衍射光栅，具有使用灵活方便、衍射角大、均匀性好、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。原则上，根据本发明的构思，对任意波长都有相应的结构能实现其高效率和均匀性较好的5×5分束。
表1：TM偏振入射下633纳米波长时的分束均匀性和衍射效率
fTM hTM(um) hTE(um) Uniformity(％) η(％)
0.576 1.008 0.873 9.7 90.8
0.591 1.056 0.884 7.3 93.3
0.611 1.072 0.897 9.5 91.2

Claims (2)

1.一种用于633纳米波长的基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅，其特征在于该光栅是由两个一维单脊光栅上下排列一体构成，且上层光栅的光栅周期方向与下层光栅的光栅周期方向互相垂直，所述的光栅周期均为1.309微米，上层光栅占空比为0.576～0.611，刻蚀深度为1.008～1.072微米，下层光栅占空比为0.5，刻蚀深度为0.873～0.897微米。
2.根据权利要求1所述的基于两个单脊光栅的5×5点阵衍射光栅，其特征在于所述的点阵衍射光栅的上层光栅占空比为0.591，刻蚀深度为1.056微米，下层光栅刻蚀深度为0.884微米。
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