CN1693929A - 1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 - Google Patents
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Abstract
一种用于1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅,其特征在于该光栅的线密度为895~965线/毫米,光栅的深度为1.9~2.1微米,光栅的占空比为1/2,本发明光栅对1053纳米波长可同时使TE、TM偏振方向的+1级布拉格透射衍射效率高于85%,实现了对偏振模式的自由选择。特别是当光栅密度为920线/毫米,光栅深度为2微米时,TE和TM偏振模式的效率均大于94%。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、大批量生产。
Description
技术领域
本专利涉及光栅,特别是一种1053纳米波长的高衍射效率透射光栅,高密度矩形深刻蚀石英光栅。
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。由于这种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1053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,而实用化则希望与偏振无关,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是提供一种1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅,该光栅适用1053纳米波长且同时在TE和TM偏振模式下的衍射效率大于85%。
本发明的技术解决方案如下:
一种1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅,是高密度矩形光栅,其特征在于该光栅的线密度为895~965线/毫米,光栅的深度为1.9~2.1微米,光栅的占空比为1/2。
所述的光栅的线密度为920线/毫米,光栅的深度为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/l;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1053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αBragg=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。但通过对光栅深度、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895线/毫米~965线/毫米之间、光栅深度在1.9微米~2.1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1053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920线/毫米,光栅深度为2微米时,TE和TM偏振模式的效率均大于94%。
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1.45)当光栅深度2微米,占空比为1/2,TE/TM模式1053纳米波长入射的一级布拉格透射衍射效率与光栅线密度的关系图。
图3是本发明用于全息记录方式记录光栅的装置结构示意图,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
先请参阅图1、图2和图3,本发明1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅,是高密度矩形光栅,其特征在于该光栅的线密度为895~965线/毫米,光栅的深度为1.9~2.1微米,光栅的占空比为1/2。
所述的光栅的线密度为920线/毫米,光栅的深度为2微米。
本发明光栅是利用微光学技术制造的高密度矩形光栅,首先采用如图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,周期值根据上述表1结果进行设计,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,深度值根据表1选取,的高密度光栅。
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895~965线/毫米,光栅的深度d为1.9~2.1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2微米,光栅的线密度为920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94%。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94%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1053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,经实验证明本发明光栅的性能稳定、可靠。
表1 TE和TM偏振模式1053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1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅,是高密度矩形光栅,其特征在于该光栅的线密度为895~965线/毫米,光栅的深度为1.9~2.1微米,光栅的占空比为1/2。
2、根据权利要求1所述的1053纳米波长的高衍射效率石英透射光栅,其特征在于所述的光栅的线密度为920线/毫米,光栅的深度为2微米。
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