CN1322341C - 632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 - Google Patents
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Abstract
一种632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，该光栅的线密度为1575～1630线/毫米，光栅的深度为1.1～1.3微米，光栅的占空比为1/2，本发明可以同时使TE、TM偏振方向的+1级布拉格透射衍射效率实现高于85%，实现了对偏振模式的自由选择。特别是当光栅密度为1575线/毫米，光栅深度为1.2微米时，TE和TM偏振模式的效率均大于93%；当光栅密度为1580线/毫米，光栅深度为1.1微米时，TE偏振模式下+1级布拉格透射衍射效率有最大值97.81%。本发明矩形刻蚀石英光栅由微电子光刻工艺、深刻蚀工艺加工而成，可以低成本地大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及光栅，特别是一种632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅。
背景技术
全息光栅和闪耀光栅是两种传统的光栅：全息光栅通过将两束光的干涉条纹记录在感光膜层上而形成；闪耀光栅通过机械刻划而形成。这两种光栅都是表面光栅，不具备体光栅的布拉格效应，因此衍射效率较低，在表面镀上金属反射膜后，效率会有一定量的提高，但金属膜层的反射率是固定有限的，所以不可能无限提高。
矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具有高效率的体光栅布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀的平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必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1：M.G.Moharamet al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类深刻蚀光栅的衍射问题。但据我们所知，没有人针对常用波长632.8纳米给出高密度深刻蚀矩形光栅的设计参数。
由于高密度光栅往往是偏振相关的，而实用化则希望偏振无关，因此能够实现偏振模式自由选择的情况下的高效率的衍射效果，在实际使用中是非常需要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，该光栅可以在TE或TM偏振模式下衍射效率大于85％。
本发明的技术解决方案如下：
一种632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，其特征在于该石英透射光栅高密度矩形深刻蚀光栅，其线密度为1575～1630线/毫米，光栅的深度为1.1～1.3微米，光栅的占空比为1/2。
所述的石英透射光栅的线密度为1575线/毫米，光栅的深度为1.2微米。
本发明的依据如下：
图1显示了本发明矩形光栅的几何结构。区域1，3都是均匀的，分别为空气和石英(折射率n＝1.46)。光栅部分在区域2，其中介质1，3周期性地交替分布。d代表光栅的厚度；∧代表光栅的空间周期，是光栅空间线密度l的倒数，即∧＝1/1；f代表占空比，其大小为凸脊与凹槽的长度之比。一线性偏振的光波λ以任意角α入射到光栅上：当电场矢量沿y轴方向振动时，为TE波；当磁场矢量沿y轴方向振动时，为TM波。
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1】计算了石英光栅(占空比为1/2)在632.8纳米波长光入射下，光栅密度、深度在TE、TM偏振情况下的+1级布拉格透射衍射效率(对应的入射角α满足α＝sin-1(λ/(2*∧)))，我们得到如下结论：
高空间频率衍射光栅，线密度高于400线/毫米，具有很强的偏振相关性。通过对光栅深度、光栅形状以及光栅周期的优化设计，可以实现光栅某一级(如+1级)闪耀，即衍射效率出现极大值(在90％以上)。
本发明依据理论计算得到高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，即当光栅密度在1575线/毫米～1630线/毫米之间、光栅深度在1.1微米～1.3微米之间时，无论TE模还是TM模，光栅的一级布拉格透射衍射效率在632.8纳米波长下能达到85％以上，实现了对偏振模式的自由选择。特别是当光栅密度为1575线/毫米，光栅深度为1.2微米时，TE和TM偏振模式的效率均大于93％；当光栅密度为1580线/毫米，光栅深度为1.1微米时，TE偏振模式下+1级透射衍射效率有最大值97.81％。
附图说明：
图1是本发明光栅的几何结构示意图。
图2是本发明光栅(熔融石英的折射率取1.46)当光栅深度1.2微米，占空比为1/2，TE/TM模式632.8纳米波长入射下一级布拉格透射衍射效率(％)。
图3是用于本发明全息记录方式记录光栅的装置示意图，字母H代表He-Cr激光器，S’代表快门，R代表反射镜，S代表分光镜，C代表滤波准直装置，SB代表基片。
具体实施方式
本发明光栅是利用微光学技术制造的高密度矩形光栅，首先采用图3所示的装置全息记录方式记录光栅：利用He-Cd激光器(波长为0.441μm)发出两束平面波以2θ夹角在基片上形成干涉场。我们采用涂覆有MICROPOSIT系列1818光刻胶的玻璃片作为记录基片，∧代表光栅的空间周期，即相邻条纹的间距，其大小为∧＝λ/(2*sinθ)，其中，λ为记录光波长，在实验中采用0.441μm。记录角θ越大，则∧越小，所以通过改变θ的大小，以控制光栅的周期，周期值根据表1设计，记录高密度光栅。接着，把光刻胶上的图案通过微电子刻蚀技术(湿化学或反应离子干法刻蚀)转移到石英基片上，洗去光刻胶后得到深刻蚀的高密度光栅，深度值从表1选取。
表1给出了本发明一系列实施例，为了得到高衍射效率、偏振模式自由选择的矩形石英光栅，在制作光栅的过程中，根据表1，适当选择光栅线密度l(线/毫米)及光栅深度d(微米)，就可以得到高衍射效率η、偏振模式自由选择的矩形石英光栅。
由表1可知，该光栅的线密度l为1575～1630线/毫米，光栅的深度d为1.1～1.3微米，光栅的占空比为1/2，光栅的一级布拉格透射衍射效率η在TE和TM模式下均大于85％，当光栅的深度为1.2微米，光栅的线密度为1575线/毫米时，光栅的一级布拉格透射衍射效率η在TE和TM模式下均大于93％。这样此光栅的一级布拉格透射衍射效率无论对于TE模还是TM模，都能保证在93％以上，使得偏振模式可以自由选择。
本发明的矩形刻蚀石英光栅可以作为对于632.8纳米波长的增透射消反射器件，通过充分利用全息光栅记录技术、微电子光刻技术和高密度等离子体干法深刻蚀技术，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠。
表1TE和TM偏振模式632.8纳米波长入射下，+1级布拉格透射衍射效率η，l为光栅线密度(线/毫米)，d为光栅深度(微米)
Claims (2)
1、一种632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，其特征在于该石英透射光栅是高密度矩形深刻蚀光栅，其线密度为1575～1630线/毫米，光栅的深度为1.1～1.3微米，光栅的占空比为1/2。
2、根据权利要求1所述的632.8纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，其特征在于所述的石英透射光栅的线密度为1575线/毫米，光栅的深度为1.2微米。
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