CN109491001B - 基于覆盖折射率匹配层的偏振无关光栅及其制备方法 - Google Patents

基于覆盖折射率匹配层的偏振无关光栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中心波长在近红外波段的高刻线密度、基于覆盖折射率匹配层的宽带偏振无关反射式介质光栅及其制备方法，涉及光学领域。所述光栅在熔石英衬底(1)上依次镀制有反射膜(2)和光栅功能层(3)。本发明提供的光栅结构针对TE模式和TM模式在利特罗角入射条件下在1050～1080nm带宽范围内的衍射效率高于98.5％，最高衍射效率超过99.5％，且具有比普通光栅更高的制备容差，可以实现偏振无关入射光的高效率衍射；另外可以利用全息曝光结合反应离子刻蚀的方法进行制备，利用原子层沉积所制备的折射率匹配层可以对光栅结构起到保护作用，提升光栅在高温高湿、激光辐照等特种工作环境条件下的稳定性，制备方法简单高效，在高功率激光领域中具有重要的应用前景。

Description

基于覆盖折射率匹配层的偏振无关光栅及其制备方法
所属技术领域
本发明涉及光学领域，尤其是一种中心波长在近红外波段的高刻线密度、基于覆盖折射率匹配层的宽带偏振无关反射式介质光栅及其制备方法。
背景技术
目前高功率激光系统中，单路激光的输出功率会受到非线性效应，热损伤等因素的限制，很难实现高功率激光输出。利用光谱合成组束技术，能够有效提升单位面积内的功率密度，是提升激光系统输出功率的有效技术途径。实现高效率光谱合成的常用技术路径是利用反射式介质光栅的色散特性实现对一定入射条件下不同波长子光束的共孔径合成。待合束的单路激光器的所发出的光为非偏振光，即包含TE偏振成分又包含TM偏振成分，要实现高效率的光谱合成，反射式介质光栅需要对这两种偏振成分都实现较高的衍射效率。另外，在啁啾脉冲放大技术中，同样需要具有宽光谱高衍射效率的反射光栅，光栅针对 TE偏振成分和TM偏振成分也需要实现高的衍射效率。
对于应用于光谱合成和啁啾脉冲放大的反射介质膜光栅，一般需要具有比较高的刻线密度，这种条件下反射介质膜光栅周期为亚波长量级，使光栅衍射特性表现出了很强的偏振相关性，在一定带宽范围内实现高衍射效率的偏振无关光栅的设计具有较大难度。而且，在特殊的使用条件下(比如高温、高湿、强激光辐射等)，光栅的稳定性也会受到巨大的挑战，需要利用有效地方法对其工作稳定性进行提升。
发明内容
本发明提供一种针对1064nm中心波长的基于覆盖折射率匹配层的宽带偏振无关反射式介质光栅，主要基于折射率匹配层技术对光栅膜层和槽型结构进行优化，使TE、TM两种偏振态的入射光在利特罗角入射条件下，-1级的衍射效率在1050～1080nm带宽范围内高于98.5％，最高衍射效率达到99％。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅，所述光栅包括熔石英衬底(1)，在熔石英衬底(1)上依次镀制有反射膜(2)和光栅功能层(3)；所述光栅功能层(3)包括氧化物介质膜连接层(3-1)、单层氧化物介质膜光栅层(3-2)和折射率匹配层(3-3)，且单层氧化物介质膜光栅层(3-2)被刻蚀成光栅槽结构；
所述反射膜(2)为折射率调控多层介质薄膜，周期数为14，其从下至上依次包括高折射率材料薄膜(2-1)和低折射率材料薄膜(2-2)。
进一步的，所述高折射率材料薄膜(2-1)的高折射率材料为Ta2O5或HfO2，折射率为1.91，厚度为133.2nm；所述低折射率材料薄膜(2-2)的低折射率材料为SiO2，折射率1.39，厚度为219.6nm。
进一步的，所述单层氧化物介质膜光栅层(3-2)为SiO2光栅层，由离子束溅射或者电子束蒸发的方法镀制得到，厚度小于1μm；其上由全息曝光或电子束曝光的方法制备光栅掩模，由反应离子束刻蚀的方法进行光栅槽型刻蚀，刻蚀的光栅槽型结构为矩形槽或梯形槽，刻蚀完成后槽型底部占空比f不大于0.2，周期p为769nm。
进一步的，所述折射率匹配层(3-3)为利用原子层沉积在刻蚀完成后的单层氧化物介质膜光栅层(3-2)上镀制的HfO2折射率匹配层，所述折射率匹配层 (3-3)的折射率为2.01，厚度小于200nm。
进一步的，所述氧化物介质膜连接层(3-1)为相位调节层，其材料为Ta2O5或HfO2，厚度为48.9nm；所述光栅槽型为梯形槽结构，侧壁陡度为85°，单层光栅层刻蚀完成后底部占空比f＝0.2，所述单层氧化物介质膜光栅层(3-2)厚度为708.5nm；所述折射率匹配层(3-3)厚度为152nm。
另一方面，本发明还提供了一种基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1，在熔石英衬底(1)上依次镀制反射膜(2)、氧化物介质膜连接层(3-1)、单层氧化物介质膜光栅层(3-2)；
S2，在单层氧化物介质膜光栅层(3-2)上利用全息曝光或电子束曝光的方法制备光栅掩模，利用反应离子刻蚀的方法进行光栅槽型刻蚀；
所述光栅槽型结构为矩形槽或梯形槽，刻蚀完成后槽型底部占空比f不大于0.2，周期p为769nm；
S3，完成光栅槽型结构刻蚀后在器件表面利用原子层沉积技术镀制折射率匹配层(3-3)。
所述高折射率材料薄膜(2-1)的高折射率材料为Ta2O5或HfO2，折射率为 1.91，厚度为133.2nm；所述低折射率材料薄膜(2-2)的低折射率材料为SiO2，折射率1.39，厚度为219.6nm。
所述单层氧化物介质膜光栅层(3-2)为SiO2光栅层，由离子束溅射或者电子束蒸发的方法镀制得到，厚度小于1μm。
所述折射率匹配层(3-3)为利用原子层沉积在刻蚀完成后的单层氧化物介质膜光栅层(3-2)上镀制的HfO2折射率匹配层，所述折射率匹配层(3-3)的折射率为2.01，厚度小于200nm。
所述氧化物介质膜连接层(3-1)为相位调节层，其材料为Ta2O5或HfO2，厚度为48.9nm；所述光栅槽型为梯形槽结构，侧壁陡度为85°，单层光栅层刻蚀完成后底部占空比f＝0.2；所述单层氧化物介质膜光栅层(3-2)厚度为708.5nm；所述折射率匹配层(3-3)厚度为152nm。
本发明的有益技术效果如下：
1、本发明提供的基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅结构，针对TE模式和TM模式在利特罗角入射条件下在1050～1080nm带宽范围内的衍射效率高于98.5％，最高衍射效率超过99.5％，且具有比普通光栅更高的制备容差，可以实现偏振无关入射光的高效率衍射。
2、本发明提供的基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅结构的制备方法，可以利用全息曝光结合反应离子刻蚀的方法进行制备，制备方法简单高效，在高功率激光领域中具有重要的应用前景。
3、本发明提供的基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅结构及制备方法，利用原子层沉积所制备的折射率匹配层可以对光栅结构起到保护作用，提升光栅在高温高湿、激光辐照等特种工作环境条件下的稳定性。
附图说明
图1是本发明提供的覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅结构示意图。
图2是本发明实施例中光栅基膜镀制后结构示意图。
图3是本发明实施例中光栅槽型刻蚀后结构示意图。
图4是本发明实施例中覆盖折射率匹配层的宽带偏振无关反射式介质光栅在1050～1080nm波段的-1级衍射效率曲线。
附图中各标记含义为：1熔石英衬底,2反射膜，2-1高折射率材料薄膜，2-2 低折射率材料薄膜，3光栅功能层，3-1化物介质膜连接层，3-2单层氧化物介质膜光栅层，3-3折射率匹配层。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1所示，为一种针对1064nm中心波长的覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅，该光栅基于折射率匹配层技术对光栅膜层和槽型结构进行优化，使TE、TM两种偏振态的入射光在利特罗角入射条件下，-1级的衍射效率在 1050～1080nm带宽范围内高于98.5％。
所述光栅包括熔石英衬底1，在熔石英衬底1上依次镀制有反射膜2和光栅功能层3；所述光栅功能层3包括氧化物介质膜连接层3-1、单层氧化物介质膜光栅层3-2和折射率匹配层3-3，且单层氧化物介质膜光栅层3-2被刻蚀成光栅槽结构。
所述反射膜2为折射率调控多层介质薄膜，周期数为14，其从下至上依次包括高折射率材料薄膜2-1和低折射率材料薄膜2-2。所述高折射率材料薄膜 2-1的高折射率材料为Ta2O5或HfO2，折射率为1.91，厚度为133.2nm；所述低折射率材料薄膜2-2的低折射率材料为SiO2，折射率1.39，厚度为219.6nm。
所述氧化物介质膜连接层3-1为相位调节层，其材料为Ta2O5或HfO2，厚度为48.9nm；
所述单层氧化物介质膜光栅层3-2为SiO2光栅层，由离子束溅射或者电子束蒸发的方法镀制得到，厚度小于1μm；其上由全息曝光或电子束曝光的方法制备光栅掩模，由反应离子束刻蚀的方法进行光栅槽型刻蚀，刻蚀的光栅槽型结构为矩形槽或梯形槽，刻蚀完成后槽型底部占空比f不大于0.2，周期p为769nm；
在一个实施例中槽型为梯形槽结构，侧壁陡度为85°，单层光栅层刻蚀完成后底部占空比f＝0.2，单层氧化物介质膜光栅层厚度为708.5nm。
所述折射率匹配层3-3为利用原子层沉积在刻蚀完成后的单层氧化物介质膜光栅层3-2上镀制的HfO2折射率匹配层，其折射率为2.01，匹配层厚度小于 200nm，在一个实施例中匹配层厚度为152nm。
实施例2
本实施例用于对前述任一实施例中的覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅的制备方法进行详细说明。
所述制备方法包括如下步骤：
S1，在熔石英衬底1上依次镀制反射膜2、和氧化物介质膜连接层3-1、单层氧化物介质膜光栅层3-2，如图2所示；
所述单层氧化物介质膜光栅层3-2由离子束溅射或者电子束蒸发的方法制备得到，其材料为SiO2；
S2，在单层氧化物介质膜光栅层3-2上利用全息曝光或电子束曝光的方法制备光栅掩模，利用反应离子刻蚀的方法进行光栅槽型刻蚀，如图3所示；
所述光栅槽型结构为矩形槽或梯形槽，刻蚀完成后槽型底部占空比f不大于0.2，周期p为769nm；在一个实施例中槽型为梯形槽结构，侧壁陡度为85°，单层光栅层刻蚀完成后底部占空比f＝0.2，单层氧化物介质膜光栅层厚度为 708.5nm。
S3，完成光栅槽型结构刻蚀后在器件表面利用原子层沉积技术镀制折射率匹配层，匹配层厚度为152nm，最终得到所需光栅如图1所示。
基于前述实施例中描述的如图1所示结构的覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅在1050～1080nm波段、入射角为43度的条件下，TE偏振模式和TM偏振模式的-1级衍射效率曲线如图4所示。可以看出，所设计光栅在 1050～1080波段内的平均衍射效率超过了98.5％，其中最高衍射最高达到了99.9％。

Claims (2)

1.一种基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅，该光栅使TE、TM两种偏振态的入射光在利特罗角入射条件下、-1级的衍射效率在1050～1080nm带宽范围内高于98.5％,其特征在于，所述光栅包括熔石英衬底(1)，在熔石英衬底(1)上依次镀制有反射膜(2)和光栅功能层(3)；所述光栅功能层(3)包括氧化物介质膜连接层(3-1)、单层氧化物介质膜光栅层(3-2)和折射率匹配层(3-3)，且单层氧化物介质膜光栅层(3-2)被刻蚀成光栅槽结构；
所述反射膜(2)为折射率调控多层介质薄膜，周期数为14，其从下至上依次包括高折射率材料薄膜(2-1)和低折射率材料薄膜(2-2)；
所述高折射率材料薄膜(2-1)的高折射率材料为Ta2O5或HfO2，折射率为1.91，厚度为133.2nm；所述低折射率材料薄膜(2-2)的低折射率材料为SiO2，折射率1.39，厚度为219.6nm；
所述氧化物介质膜连接层(3-1)为相位调节层，其材料为Ta2O5或HfO2，厚度为48.9nm；所述光栅槽型为梯形槽结构，侧壁陡度为85°，单层光栅层刻蚀完成后底部占空比f＝0.2，所述单层氧化物介质膜光栅层(3-2)厚度为708.5nm；所述折射率匹配层(3-3)厚度为152nm；
所述单层氧化物介质膜光栅层(3-2)为SiO2光栅层，由离子束溅射或者电子束蒸发的方法镀制得到，厚度小于1μm；其上由全息曝光或电子束曝光的方法制备光栅掩模，由反应离子束刻蚀的方法进行光栅槽型刻蚀，刻蚀的光栅槽型结构为矩形槽或梯形槽，周期p为769nm；
所述折射率匹配层(3-3)为利用原子层沉积在刻蚀完成后的单层氧化物介质膜光栅层(3-2)上镀制的HfO2折射率匹配层，所述折射率匹配层(3-3)的折射率为2.01。
2.一种基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅的制备方法，用于制备权利要求1中基于覆盖折射率匹配层的偏振无关反射式介质光栅，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
S1，在熔石英衬底(1)上依次镀制反射膜(2)、氧化物介质膜连接层(3-1)、单层氧化物介质膜光栅层(3-2)；
S2，在单层氧化物介质膜光栅层(3-2)上利用全息曝光或电子束曝光的方法制备光栅掩模，利用反应离子刻蚀的方法进行光栅槽型刻蚀；
所述光栅槽型结构为矩形槽或梯形槽，刻蚀完成后槽型底部占空比f＝0.2，周期p为769nm；
S3，完成光栅槽型结构刻蚀后在器件表面利用原子层沉积技术镀制折射率匹配层(3-3)。
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