CN1234025C - 对称型色分离光栅 - Google Patents

Abstract

一种对称型色分离光栅，每个光栅周期内包含三个位相台阶，其特征在于它为中心对称结构，每个光栅周期中最底部台阶位于该光栅周期的中央，三个位相台阶的深度为：h1＝h2＝λ/(n-1)，各位相台阶中心对称的两部分宽度之和完全相等：W₁₁+W₁₂＝W₂₁+W₂₂＝W₃，而且各台阶的中心对称的两部分的宽度也相等：W₁₁＝W₁₂＝W₂₁＝W₂₂＝d/6，式中：λ为入射基频光波长，d为光栅的周期，n为基底材料的折射率。本发明对称型色分离光栅可有效的解决模板对准误差导致的基频光和二次倍频光的残留问题。

Description

对称型色分离光栅

技术领域

本发明涉及一种将三倍频光从基频光和二倍频光中分离出来的色分离光栅，特别是一种采用二元光学技术制造的对称型色分离光栅，它可消除套刻模板间对准误差，提高成品率，降低成本，便于制造。

背景技术

在激光加工、切割、清洗、以及激光材料改性等许多应用中，我们常常需要三倍频光进行光学实验，这是因为较短波长的激光与物质有较好的相互作用。事实上，由于激光三倍频转换效率等方面的原因，基频(ω)光、二倍频(2ω)光、三倍频(3ω)光都混在光路中，我们希望所需频率(3ω)的光能够保留在光路中运行，其它不需要频率的光能够从光路中滤出去，以免干扰正常频率(3ω)光的光学实验。采用色分离光栅就可以实现这样的目的，因此色分离光栅又叫做分频光栅。

采用二元光学技术制造的三台阶位相光栅是最简单的一种色分离光栅，如图1所示，色分离光栅是一种表面刻蚀的周期性位相光栅。它每个周期内有三个台阶，分别用201，202，203表示，它们的宽度都相等，即

            W₁＝W₂＝W₃＝d/3                 (1)

其中d为光栅的周期。202到201的深度h₁和203到202的深度h₂相等，

$h_1=h_2=\frac{\mathrm{\λ}}{(n-1)}---\left(2\right)$

其中λ为入射基频光的波长，n为基底材料的折射率。

色分离光栅工作原理如图2所示，1是包含有三种频率的激光，2是色分离光栅，3是会聚透镜。三种频率的激光经过色分离光栅2后，被色分离光栅2所衍射，衍射的光经过会聚透镜3，在会聚透镜3的焦平面上实现了不同频率光的分离。对于三倍频光来讲，台阶间的位相差正好是2π和4π，不同台阶间2π的位相差不会引起光束的偏折，因此光束仍按原来的光路行进。对于二倍频光来讲，台阶间的位相差正好为0，4π/3，8π/3，其等效位相分布情况如图1(c)所示，这三者之间的光的相干叠加正好相消，

    I₀(2ω)＝|e^/0+e^/4π/3+e^/8π/3|²＝0            (3)

其中下标0表示零级谱点。因此，零级谱点的强度为零。对于二倍频光来说，这样的位相差正好是相当于一个闪烁光栅，因此衍射光束的主要能量将偏折到+1级谱点中。

对于基频光来讲，台阶间的位相差正好是0，2π/3，4π/3，其等效位相分布情况也如图1(c)所示，对零级谱点来说，这三者位相光的相干叠加也正好相消为零，导致零级谱点的光强度为零，

   I₀(ω)＝|e^/0+e^/2π/3+e^/4π/3|²＝0            (4)

达到了分频的目的。大部分的衍射光被衍射到-1级谱点中。

总而言之，如图2所示，只有三倍频3ω光在会聚透镜3的焦点处会聚，二倍频光和基频光在焦点处的能量为零(理论上)，二倍频光和基频光的能量主要衍射到高的衍射级次上，简单地挡掉会聚透镜3焦点外的光，即将高级次上的光挡掉，只允许焦点处的光通过，即只通过零级谱点的能量，就可以将全部的三倍频光滤出，这样一来就实现了三倍频光和其它频率如基频光和二倍频光的分离。

以往的方案是假定该光栅可以完美地做出，即没有二次套刻模板间的套刻对准误差。大量实验已经证实，模板间套刻对准误差是二元光学制造过程最难以从根本上消除的误差之一，这是因为在实际制造过程中，很难保证二次曝光前后的两块模板完全对准。

在有模板间对准误差的情况下，如图1(b)所示为存在模板对准误差下的一种情况，第一次刻蚀时没有任何误差，刻蚀出了底部为202这一台阶，第二次刻蚀的开口大小仍为W(＝d/3)，第二次刻蚀由于模板对准误差导致第二次的开口203的位置向右平移了一点(ΔW)，使得202多增加了一些宽度2021。由于第二次刻蚀的宽度和深度都不变，这就使得左边上部301少了一部分2022。由于各位相台阶的宽度之和不相等，因此就会增加基频光和二倍频光在零级谱点的光强，相对于在焦点处的三倍频光而言，等于增加了基频光和二倍频光的噪声干扰。采用以往的设计方法，模板间对准误差将导致位相板上位相台阶的不匹配，致使部分基频光和二倍频光残留在三倍频光的光路中，其位相分布情况如图1(d)所示。对于基频(ω)光而言，其零级谱点的光强为

$\begin{array}{c}{I}_0\left(\mathrm{\ω}\right)\≈|(W-\mathrm{\ΔW})e^{i0}+(W+\mathrm{\ΔW})e^{i2\mathrm{\π}/3}+(W-\mathrm{\ΔW})e^{j4\mathrm{\π}/3}{|}^2\\ ={\left|\frac{\mathrm{\ΔW}}{2}\right|}^2\end{array}---\left(5\right)$

类似的，对于二倍频(2(ω)光而言，其零级谱点的光强为

$\begin{array}{c}{I}_0\left(\mathrm{\ω}\right)\≈|(W-\mathrm{\ΔW})e^{i0}+(W+\mathrm{\ΔW})e^{i4\mathrm{\π}/3}+(W-\mathrm{\ΔW})e^{j8\mathrm{\π}/3}{|}^2\\ ={\left|\frac{\mathrm{\ΔW}}{2}\right|}^2\end{array}---\left(6\right)$

由此可以看出，模板间的对准误差导致了基频光和二倍频光残留在光路中，这是我们所不希望的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的问题，提供一种新的对称型色分离光栅，以有效地避免因模板对准误差而导致的基频光和二频光的残留问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种对称型色分离光栅，每个光栅周期内包含三个位相台阶，其特征在于它为中心对称结构，每个光栅周期中最底部位相台阶位于该光栅周期的中央，三个位相台阶的深度为：

$h_1=h_2=\frac{\mathrm{\λ}}{(n-1)}$

各位相台阶的中心对称的两部分宽度之和完全相等

                   W₁₁+W₁₂＝W₂₁+W₂₂＝W₃

而且各台阶的中心对称的两部分的宽度也相等

$W_{11}=W_{12}=W_{21}=W_{22}=d/6$

式中：λ为入射基频光波长，d为光栅的周期，n为基底材料的折射率。

本发明的技术效果：

经理论分析和实验结果表明，采用本发明方案制作的对称型色分离光栅能够有效的解决模板对准误差导致的基频光和二次倍频光的残留问题。

附图说明

图1已有的色分离光栅的理想刻蚀深度分布以及模板间对准误差的影响。(a)一个周期内理想刻蚀深度槽型分布；(b)模板间的套刻误差，虚线为理想分布，实线为实际分布；(c)对于基频和二倍频光而言等效的位相分布：(d)有模板间的套刻误差时，对于基频和二倍频光而言等效的位相分布。

图2色分离光栅的分频原理图。焦点处三倍频光3ω的光是有用的，将高频谱点处的基频光ω和二倍频光2ω挡掉，就完成了将三倍频的光从其它频率光中分离出来的作用。1是入射的包含了三种频率的光，2是色分离光栅，3是会聚透镜。

图3对称色分离光栅的刻蚀深度槽型分布。(a)理想刻蚀深度分布；(b)模板间的套刻误差，虚线为理想情况，实线为实际情况。

图4对称色分离光栅实际使用时在会聚透镜2焦点处的光强分布。焦点处仍为三倍频光的会聚点，二倍频光和基频光对称地分布在焦点的两侧。将焦点外的光挡掉，就可以滤去二倍频光和基频光的影响。

具体实施方式

先请参考图3和图4。对称型色分离光栅在光路中的使用如图4所示，图4中1，3项光学元件的功能和图2中完全一样，这里仅是采用了对称型色分离光栅2，其位相分布是完全对称的。自左向右各部分为：W₁₁，W₂₁，W₃，W₂₂，W₁₂，如图3a所示对于基频光来讲，其位相分布为：0，4π/3，8π/3，4π/3，0，对于二倍频光来讲，其位相分布为：0，2π/3，4π/3，2π/3，0，因此，基频光和二倍频光通过这样的对称型色分离光栅后，将对称地分布在会聚透镜的焦点两侧，如图4所示。对于三倍频光而言，各台阶位相的深度为0或2π的整倍数，因此，三倍频光将通过该位相板而不改变方向，被会聚透镜3聚焦到焦点处。将焦点外的光挡掉，就可以实现色分离光栅的目的。

让我们仔细分析一下模板对准误差对各频率光的影响。有模板对准误差时的情况如图3(b)所示，此时仍假定第一次刻蚀时没有误差，第二次刻蚀的开口大小仍为W，第二次由于模板对准误差导致第二次刻蚀时的位置往右稍移了一点(左移时的分析完全一样)，移动量为ΔW，即W₂₁增加了20211这一段的宽度ΔW，W₂₂增加了20221这一段的宽度ΔW，W₃的宽度保持不变，但往右移动了ΔW。

现在来分析这一对准误差对三倍频光的影响。首先，对于三倍频光来讲，由于各位相台阶的深度没有发生变化，仍为0，2π，4π，0，即所有的位相均为0或2π的整数倍，因此，三倍频光仍能沿光路行进，如图4所示，将仍然会聚到透镜的焦点上。对于基频光、二倍频光来讲，位相深度当然也没有发生变化，第一表面上位相宽度和对准无关，因此位相宽度没有变化。对于第二台阶的两侧位相宽度和对准有关，两侧增加和减少的宽度部分相抵消，总的位相宽度也没有变化。对于最深的第三位相台阶，取决于第二次套刻的模板，因此，位相宽度也没有变化。总的说来，由于位相深度和宽度都没有变化，因此，基频光和二倍频光的零级光谱点为零，即使在有模板间对准误差的情况下，仍有

                     I₀(ω)＝I₀(2ω)＝0            (7)

上式说明了零级谱点上的分频效果和模板间对准误差无关。也就是模板间对准误差将不会使基频光和二倍频光残留在光路中，基频光和二倍频光的能量将对称地分布在会聚透镜2的焦点的两侧，这样，二次套刻模板即使有对准误差，这仅会改变高频光的分配比例，而不会导致零级光的强度变化。

选用光栅的周期为d＝210μm，W＝70μm，第一、二次套刻采用的模板图形满足如图3(a)所示的刻蚀要求，二次套刻的对准标记放在光栅区域之外。制造的光栅面积为10mm×10mm。三台阶的位相光栅的制造过程如下：先在透明的基片上涂布上光刻胶，通过曝光技术使振幅模板上的图案转移到光刻胶上，再把光刻胶上的图案通过刻蚀技术(湿化学或反应离子干法刻蚀)转移到基片上，洗去光刻胶，就生成了二台阶的位相板。通过套刻技术，重复上面的步骤，就可以做出三台阶的位相板。选用的透明基底材料的折射率为1.52，则对于基频光波长λ＝1.06μm的2π/3的位相深度应为0.679μm。将这样的色分离光栅放在图4中的光路中，基频光和二倍频光均被衍射到高级次中，只有三倍频光被会聚透镜2聚焦在焦点上，实现了色分离光栅的目的。

Claims (1)

1、对称型色分离光栅，每个光栅周期内包含三个位相台阶，其特征在于它为中心对称结构，每个光栅周期中最底部位相台阶位于该光栅周期中央，三个位相台阶深度为：

$h_1=h_2=\frac{\mathrm{\λ}}{(n-1)}$

各位相台阶中心对称的两部分宽度之和完全相等

                          W₁₁+W₁₂＝W₂₁+W₂₂＝W₃

而且各台阶的中心对称的两部分的宽度也相等

                          W₁₁＝W₁₂＝W₂₁＝W₂₂＝d/6

式中：λ为入射基频光波长，

d为光栅的周期，

n为基底材料的折射率。

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