CN1344945A - 反射型衍射光栅 - Google Patents

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新毛胜秀
河本真司
国定照房
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Abstract

本发明的反射型衍射光栅的结构以金属膜为第一层,相对于入射光波长,具有不低于30%的反射率,以透明绝缘膜为第二层,所述第一和第二层依次被层叠在所述反射型衍射光栅的基底表面上。相对于入射光波长,金属膜的折射率被选定为不高于1.5,消光系数被选定为不小于6.0。相对入射光的波长而言,透明绝缘膜的折射率被选定在1.30至1.46范围内,且包含此二值在内,光学膜的厚度被选定在0.20λ和0.38λ的范围内,且包含此二值在内,这里的λ是入射光的波长。

Description

反射型衍射光栅
技术领域
本发明涉及分光镜光学器件，特别是反射型衍射光学器件，它广泛用于光学技术领域，如光学传感器、信息记录装置、光学测量装置等。
背景技术
衍射光栅普遍用作分光镜光学器件或光学多路分用器件。在这些衍射光栅中，利用折射光作为反射光的反射型衍射光栅，多数情况下都是以在具有以周期方式形成之沟槽的元件表面上形成金属膜的方式构成的，为的是提高反射型衍射光栅的反射效率。高反射率(reflectance)材料如铝、金或类似材料被用作金属膜，设置于具有以周期性方式刻槽的元件表面上。
如果将这种反射金属膜用在暴露于周围环境的状态下，则这些反射金属膜的耐老化或耐磨蚀的能力都是不足的。特别是众所周知的铝膜抗氧化性很差。金膜在机械强度方面不足。为了改善这种反射金属膜的耐用性，一般是用透明的绝缘膜或诸如此类的膜涂敷平面的金属膜。公知的是，在用氟化镁(MgF2)膜作反射铝膜的保护膜时，反射铝膜情况下的抗氧化性特别会得到改善。再有，MgF2膜具有改善近紫外线区反射率之功效也是众所周知的。
然而大家同样公知的是，槽的周期在入射光波长的0.1至10倍范围内的反射型衍射光栅，其衍射光的强度是随入射光的偏振而改变的(例如可参见O plus E，Vol.21，No.5，P.511(1999))。实际上已经提出过利用这种特性来分离偏振光的偏振分离器件(例如可参见Optronics，No.8，P.112(1996))。
另一方面，在光通信等领域内将这种衍射光学器件用作多路分用器件时，必须保持衍射光的强度恒定，而不管入射光的偏振状态如何。例如，在波长多路复用通信中，由一条光纤中传输的具有大量波长的光，它需要通过衍射光栅而按光谱分布，以便读取各个波长的信息。在这种场合时，通过光纤发射的光的偏振状态未受到控制。因此，当使光线直接入射到衍射光栅上时，衍射光的强度与偏振状态有关。这就出现使这种光的信息处理变得复杂的问题。
当把反射型衍射光学器件应用于使来自激光源的光被会聚并照射衍射光学器件的微细的粗糙结构的情况，用以读出该微细的粗糙结构的形状时，按照激光源偏振状态，使反射型衍射光栅的灵敏度降低，以致使信号分析复杂化。
为控制入射于这种衍射光学器件上的光偏振，曾经提出一种方法，是在光学系统中插入偏振器、滤光器或诸如此类的器件。但是，在所提出的方法中，由于插入若干器件，被插入的器件以及光学系统变得复杂，引起插入损失。存在使光的强度降低的问题。
发明内容
为解决上述问题而提出本发明，本发明的目的是提供一种反射型衍射光栅，其中，能获得反射光的强度而不使反射率降低，也无需考虑入射光的偏振状态。
根据本发明，提出一种反射型衍射光栅，具有周期是入射光波长的0.1至10倍那样大的槽，金属膜与透明绝缘膜的叠层，金属膜作为第一层，其反射率(reflectance)不低于30％，透明绝缘膜作为第二层，第一层和第二层依次被层叠在周期性的槽的表面侧。
相对入射光波长而言，所述金属膜的折射率最好不高于2.0并且消光系数不低于6.0；相对入射光波长而言，所述绝缘膜的折射率在1.30至1.65的范围内，且此二值包含在内；而且光学膜的厚度是入射光波长的0.20至0.8倍那样大。
相对入射光波长而言，所述绝缘膜的折射率在1.30至1.46的范围内更好，且此二值包含在内；而且所述光学膜的厚度是入射光波长的0.20至0.38倍那样大。
当金属膜是由铝或以铝为主要成分的含铝合金，银或以银为主要成分的含银合金，铜或以铜为主要成分的含铜合金，以及金或以金为主要成分的含金合金中任选的一种构成时，可以实现上述特征。
本说明书涉及到在日本专利申请No.2000-286546(2000.9.21提交)中所包含的主题，这里将其整体引为参考文献。
附图说明
图1是表示本发明反射型衍射光栅结构的剖面视图；
图2是表示评估衍射效率的偏振相关性之光学系统的示意图。
具体实施方式
下面将根据本发明的实施例对本发明加以描述。首先用所谓矩阵方法进行模拟，以便找出实现本发明目的的薄膜构造。这种方法已在阅读H.A.Macleod所写的“Optical Thin Film(光学薄膜)”(Nikkan KogroShinbun公司)中被详细描述。
由这种模拟，本申请的发明人发现，一种叠层结构，其中，在平坦的基底上设置金属膜和透明绝缘膜，使得即使在光线倾斜入射的情况下，也能获得无偏振的光学反射镜。
由这种模拟结果已经断定：可首选消光系数(复数折射率的虚数部分) k不小于6.0的材料用作所述金属膜，以使反射率较高。顺带地，在一般金属中， k等于或小于大约20。从另一个观点看，可首选折射率(复数折射率的实数部分) n不大于2.0的材料用作所述金属膜。在一般金属中， n等于或小于大约0.2。满足这种特性的金属材料的例子是铝、银、金、铜。可将这些金属材料中的任何一种用作单一元素的金属，或者可以使用包含这些金属材料的任何一种作为主要成分的合金。
还曾发现：相对入射光波长而言，透明绝缘膜需要具有在1.30至1.65范围内的折射率，且此二值包含在内；还需要具有在0.20λ至0.80λ范围的光学膜厚度，且此二值包含在内，这里的λ是入射光波长。另外，相对入射光波长而言，透明绝缘膜的折射率最好在1.30至1.46的范围内，且此二值包含在内；并且，光学膜的厚度最好是从0.20λ到0.38λ，且此二值包含在内，这里的λ是入射光波长。满足这种特性的透明绝缘膜材料譬如包括氟化镁、二氧化硅、二氧化钛和铝氧化物(将在各例中描述它们)；以及氟化钙、氟化铝、氟化钇、氟化镱、一氧化硅等。特别是氟化物，如氟化镁、氟化钙等被优先使用，因为在金属膜上形成化合物膜的时候，这种化合物不会使金属膜被氧化。
衍射光栅基底的材料不受什么特别的限制，在表面上形成用作衍射光栅的微细粗糙的槽结构的方法也不受什么特别的限制。
在本发明中，对形成金属膜和透明绝缘膜的方法没有特别的限制。例如，可以用适宜的方法形成每个膜，例如真空蒸镀成膜法、溅射成膜法、溶液胶凝成膜法、化学汽相淀积法(CVD)、使用所谓离子板的等离子体真空蒸发成膜法等。
顺带地，当用作金属膜的金属与基底之间的附着不充分时，根据需要，比如可以采用铬膜等作基底与金属膜之间的中间层。也就是说，所述金属膜无需局限于单层膜。
[例1]
用下面的方法产生本发明衍射光栅的微细粗糙结构。
首先，以含有甲基三乙氧基甲硅烷液态水解产物作为主要成分的可溶性溶液，通过旋转涂敷而加到图1所示的玻璃基底10上。使这个被加有可溶性溶液的基底10被模压，同时用黄铜复制品作为冲压膜，该黄铜复制品是经过了模型解除处理的，可以在市场上买到它。然后，进行模型解除处理和烘烤，由此获得微细的粗糙结构12，用作衍射光栅。每个粗糙槽的深度约为1μm。将铝真空淀积在微细的粗糙结构上，从而形成厚度为100nm的金属膜14。相对非偏振光而言，铝膜的反射率不低于90％。依次将二氧化硅(SiO2)和二氧化钛(TiO2)真空淀积在铝膜上，从而形成由280nm和170nm厚的两层所构成的绝缘膜16。因此，得到本发明的反射型衍射光栅100。
利用图2所示的光学系统，对衍射光栅的衍射效率作如下的评估。从1550nm波长段的激光源20发射的光线50，经过光纤22，受到准直透镜24的准直。使被准直的光线52通过四分之一波片26，从而产生线偏振光54。然后，使光线54通过二分之一波片28，使其转角受到调整，从而控制光的偏振状态。于是，使衍射光栅100受到光的照射。在所得到的每束TE偏振光和TM偏振光中的主要衍射光都被透镜30所会聚，从而入射到光接收器件32上。根据所产生的电流计算衍射光量，并将其与单层铝膜的反射光量比较，从而关于TE偏振光和TM偏振光计算衍射光栅100的衍射效率。
结果，相对TE偏振光而言，具有单层铝膜的衍射光栅的衍射效率，为25.9％，而相对TM偏振光而言，则为77.1％；但相对TE偏振光而言，具有形成在铝层上的绝缘膜作为衍射光栅的衍射效率为45.1％，而相对TM偏振光而言，则为74.5％。后一种衍射光栅能够改善偏振的相关性。此外，计算过由于绝缘膜的构成而引起的杂散光增量，没有观察到杂散光的变化。
[例2]
将铝和氟化镁(MgF2)沉积在市场上可买到的全息照相复制品衍射光栅(900/mm，设有形成于其上的反射铝膜)，从而分别形成两层厚度为100nm和250nm的薄膜。也就是说，本例中有两种金属膜(一种铝膜原来就设在金息照相复制品衍射光栅上，另一种铝膜则被沉积在全息照相复制品衍射光栅上)。用与例1相同的方法测量如此得到的衍射光栅相对于1550nm的波长而言的衍射效率。结果，相对TE偏振光而言，具有单层铝膜的衍射光栅的衍射效率为32.8％，而相对TM偏振光而言，则为82.5％，但相对TE偏振光而言，具有在铝层上形成绝缘膜的衍射光栅的衍射效率为41.9％，而相对TM偏振光而言，则为54.9％。也就是说，后一种衍射光栅的反射率稍低一些，但它的偏振相关性却有很大的改进。此外，计算过由于绝缘膜的形成而引致的杂散光的增量，没有观察到杂散光的变化。
[比较例1]
相对波长1550nm而言，测量市场上可买到的黄铜复制品衍射光栅(配以形成于其上的反射铝膜)的衍射效率。结果，相对TE偏振光而言，衍射效率为30.6％，而相对TM偏振光而言，则为58.7％。衍射光栅反射率低，偏振相关性高。
[比较例2]
在市场上可买到的全息照相复制品衍射光栅(900/mm，配以形成于其上的反射铝膜)上溅射厚度为100nm的铝薄膜。曾测量过如此得到的衍射光栅关于波长1550nm的衍射效率。结果，相对TE偏振光而言，衍射效率为28.0％，而相对TM偏振光而言，则为65.5％。此外，计算过由于铝膜的形成而引致的杂散光的增量，结果是没有观察到杂散光的变化。但是，衍射光栅的反射率低，偏振相关性高。
[发明的效果]
按照本发明，能够获得一种反射型衍射光栅，它相对偏振光而言的衍射效率变化小，而反射率高。因此，将滤波器等需要被插入光学系统以降低背景技术中的偏振相关性的器件就变得不必要了，这样，光谱灵敏度可以做得高，而可使光学系统做得简单。

Claims (9)

1.一种具有周期为入射光波长的0.1至10倍那样大的槽的衍射光栅中，一种反射型衍射光栅包括金属膜和透明绝缘膜的叠层结构，金属膜为第一层，具有不低于30％的反射率，透明绝缘膜为第二层，所述第一和第二层依次被层叠在所述首先述及的衍射光栅的表面侧。
2.根据权利要求1所述的反射型衍射光栅，其特征在于，相对入射光波长而言，所述金属膜具有不高于2.0的折射率和不低于6.0的消光系数；相对入射光波长而言，所述透明绝缘膜具有范围为1.30至1.65的折射率，且此二值包含在内，并具有厚度范围为入射光波长的0.20至0.8倍，且此二值包含在内的光学膜。
3.根据权利要求2所述的反射型衍射光栅，其特征在于，相对入射光波长而言，所述绝缘膜的折射率在1.30至1.46范围内，且此二值包含在内；并且光学膜的厚度为入射光波长的0.20至0.38倍那样大，且此二值包含在内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的反射型衍射光栅，其特征在于，所述金属膜由铝或以铝为主要成分的含铝合金、银或以银为主要成分的含银合金、铜或以铜为主要成分的含铜合金、金或以金为主要成分的含金合金中任选的一种材料构成。
5.一种衍射光栅包括：
基底，在其表面上确定一个微细的粗糙结构，所述微细的粗糙结构是由大量的微细槽以周期反射排列而构成的；
透明绝缘层，作为暴露的表面被设置于所述基底上；
至少一个金属层，被设置于所述基底上，处于所述透明层和所述微细的粗糙结构之间；以及
所述金属层的反射率不低于30％。
6.根据权利要求5所述的衍射光栅，其特征在于，相对入射光波长而言，所述金属层的折射率不高于2.0。
7.根据权利要求5所述的衍射光栅，其特征在于，相对入射光波长而言，所述金属层的消光系数不小于6.0。
8.根据权利要求5所述的衍射光栅，其特征在于，相对入射光波长而言，所述绝缘层的折射率在1.30至1.65的范围内，且此二值包含在内。
9.根据权利要求5所述的衍射光栅，其特征在于，所述光学膜的厚度是入射光波长的0.20至0.80倍，且此二值包含在内。
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