CN1786751A - 一种三台阶分束光栅及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种三台阶分束光栅，用于将一束激光分为多个均匀光束，其特征在于：其结构以2个周期T为结构变化周期(即每个2周期T的结构都一样)，其中第1个周期T的结构为二元位相分束光栅一个周期T的沟槽结构，第2个周期T的结构高度提高h，并且第2个周期T的沟槽结构是与第1个周期T结构相反的二元位相分束光栅沟槽结构，本发明由于相邻周期的相反结构，其输出均匀性误差近似相互抵消，均匀性受横向加工误差的影响小，因此同样加工误差下能够制作更大分束比的光栅。

Description

一种三台阶分束光栅及制作方法

技术领域

本发明涉及一种分束光栅，特别是应用于将一束激光分为多个均匀光束。

背景技术

在信息光学、光通信、激光合束等系统中经常需要将一束激光均匀分成多束等能量的子光束或者在透镜焦平面上得到光强一致的光斑点阵。利用特殊设计的二元位相光栅(达曼光栅)，可以实现这个目的。但当分束增多时，其各级衍射效率变化对横向误差敏感度非常大。这时使用二元分束光栅时由于横向加工误差的存在就会大大影响分束的均匀性，且分束越多，均匀度越差，因此实际上二元分束光栅可以制作的最大阵列数目是有限的。

从结构上看，二元位相分束光栅的单元周期是由一些不同宽度的沟槽组成，沟槽深度均为h＝λ/2(n-1)，对应于π位相调制(如图1所示)，其中λ为激光波长，n为材料折射率。利用一个周期内的所有沟槽边缘位置的坐标的集合{x₁，x₂，Λ，x_k，Λ，x_k}可以充分描述光栅结构。为方便起见，所有坐标全部周期归一化，满足0＜x₁＜x₂＜Λx_k＜x_K＜1。一般说来，分束比为2N+1的光栅，边缘坐标个数K的数值为N。

根据傅立叶光学的理论，这种结构光栅的各级衍射效率公式为：

$A_0=(1-2\underset{k=1}{\overset{k\→K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k{x}_k)\·\·\·1)$

$A_n=\left\{\right[\underset{k=1}{\overset{k\→K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k\left[\cos \left(2\mathrm{\πn}{x}_k\right)\right]]+i[\underset{k=1}{\overset{k\→K}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k\left[\sin \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{nx}}_k\right)\right]\left]\right\},n\≠0\·\·\·2)$

I_n＝|A_n|²                                             3)

其中，n为衍射级次，I_n为对应衍射级次的衍射效率。

对于设计分束比为2N+1的光栅，需要求解下面的方程组，

I₀＝I_±1＝I_±2＝Λ＝I_±N，                                 4)

通常情况下，没有严格的解析解，一般需要数值优化算法求解式(1～4)，得到一组{x₁，x₂，Λ，x_k，Λ，x_K}，其目标是0～±N衍射级次内的均匀性好，且衍射效率尽可能高。为了便于比较分析光栅分束的均匀度，一般定义均匀度评价因子为 该因子越小，分束的均匀度越高。一般应用要求均匀度至少在10％以内。

尽管理论上可以设计任何阵列大小的高均匀度二元位相光栅分束器，但实际可以制作的最大阵列数目总是有限。这是因为：任何二元分束光栅的制备都不可避免的存在加工误差问题，这种误差将对阵列均匀度有很大的影响，分束越多，影响越大；在可以接受均匀度水平下，可以制作的最大阵列数目有限。

具体说来，加工误差主要有深度误差(纵向误差)和宽度误差(横向误差)。前者是沟槽加工深度偏离设计值，该误差对光栅质量影响相对非常小，这里不予考虑。宽度误差表现各沟槽宽度偏离设计值(或者说沟槽边缘位置偏离设计值)，其主要来源有掩模的加工误差、光刻设备的有限曝光分辨率、显影不足或过度。对式(1～3)作宽度误差分析，可以得到估算衍射效率相对误差大小的近似公式。

$\frac{{\mathrm{\ΔI}}_n}{I_n}\≈\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\η}/(2N+1)}}\mathrm{K\Δx}\≈\frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{\mathrm{\η}}}{N}^{3/2}\mathrm{\Δx}\·\·\·5)$

其中，Δx为归一化的横向误差大小，η为光栅总衍射效率，即 $\mathrm{\η}=\underset{n=-N}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n.$ 可以看出，当分束比N增加，其各级衍射效率变化对横向误差敏感度非常大。因此横向误差的存在严重影响了二元位相分束光栅质量，使得各衍射级次效率大大偏离设计值，导致点阵均匀性变差。

发明内容

本发明技术解决的问题是：克服传统二元分束光栅的不足，提供一种三台阶位相分束光栅及制作方法，以降低横向加工误差对光栅性能的影响。

一种三台阶分束光栅，其特征在于：其结构以2个周期T为结构变化周期即每个2周期T的结构都一样，其中第1个周期T的结构为二元位相分束光栅一个周期T的沟槽结构，第2个周期T的结构高度提高h，并且第2个周期T的沟槽结构是与第1个周期结构相反的二元位相分束光栅沟槽结构，其中h＝λ/2(n-1)，λ为激光波长，n为材料折射率。

一种三台阶分束光栅的制作方法，主要由以下几个步骤：

(1)制备两块掩模板：掩模板M1的图案为周期2T的黑白均匀相间的线条；掩模板M2为光栅结构线条，其中相邻两周期内黑白线条图案正好相反，即两周期具有相反的透过率分布。

(2)光栅制作：利用两块掩模板在玻璃等光学材料基片上分别曝光显影刻蚀，即先用掩模板M1曝光显影刻蚀，再用掩模板M1曝光显影刻蚀(也可以先用M2曝光显影刻蚀，再用M1曝光显影刻蚀)，刻蚀深度均为π位相深度。两次曝光过程，图案需要精密对准。

本发明由于相邻周期的相反结构，其输出均匀性误差近似相互抵消，均匀性受横向加工误差的影响小，因此本发明与常规的二台阶达曼光栅相比，其优势在于其分束的子光束阵列强度均匀度，对加工精度要求低，同样加工误差下能够制作更大分束比的光栅。

附图说明

图1为传统的二元位相光栅浮雕结构图；

图2为本发明的三台阶分束光栅浮雕结构图；

图3为本发明的三台阶分束光栅制作过程示意图；

图4为本发明的实施例1-1×13三台阶分束光栅的元件结构图；

图5为本发明的实施例1-1×13达曼光栅理想输出图；

图6为本发明的实施例1的横向误差0.001时，1×13二元传统达曼光栅输出图；

图7为本发明的实施例1的横向误差0.001时，套刻误差0.002时，三台阶达曼光栅输出图；

图8为本发明的实施例2的1×23三台阶光栅的元件结构图；

图9为本发明的实施例2的1×23达曼光栅理想输出图；

图10为横向误差0.001时，1×23二元传统达曼光栅输出图；

图11为横向误差0.001时，套刻误差0.002时，1×23三台阶光栅输出图。

具体实施方式

本发明的相邻单元周期内结构如图2所示，相对传统的二元分束光栅(如图1所示)，以周期T为间隔，对下一个周期T内的结构做如下处理：高度提高h，光栅结构取反(如图2所示)。(简单起见，本说明书中所有附图只画出了光栅中相邻两个周期的结构，光栅其它部分仅仅是这两个周期的重复。)

本发明制作过程：

(1)光栅制备需要两块掩模板。掩模板M1的图案为周期2T的黑白均匀相间的线条。掩模板M2为光栅结构线条，只是相邻两周期内线条图案正好相反。见图3。

(2)光栅制作。利用两块掩模板，在玻璃等光学材料基片上，曝光显影刻蚀两次，刻蚀深度均为π位相深度。两次曝光过程，图案需要精密对准，但次序可以颠倒。见图3。

(3)如果制作二维的三台阶光栅可以通过一维三台阶光栅在x和y方向正交所得。

本发明与现有技术相比有以下优点：分束光强均匀度受横向加工误差的影响小，因而对加工精度要求低，同样误差下能够制作更大分束比的光栅。

为方便叙述，下面实施过程、分析和实例均讨论一维光栅。由于二维光栅是一维光栅在x和y方向的正交所得，其一维结论可以推广。

1、利用优化技术(比如最小梯度法，模拟退火法等)设计实现一定大小点阵的二元位相光栅沟槽结构{x₁，x₂，Λ，x_k，Λ，x_K}。

对应于光栅的位相调制函数(图2)为：

$\mathrm{\&phi;}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}0,x_i<x<x_{i+1}(i=\mathrm{1,3,5}\mathrm{\&Lambda;K}-1)\\ \mathrm{\&pi;},x_i<x<x_{i+1}(i=\mathrm{2,4,6}\mathrm{\&Lambda;K})\end{array}\right.\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;6)$

2、设计制作三台阶分束光栅所需要的二元掩模(见图3)。

两块掩模透过率函数分布分别为(见图3)：

掩模M1为周期为2T的明暗交替掩模，透光部分和不透光部分宽度均为T。其2T周期内得透过率函数可以写为：

$t_{M1}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0,0}<x<T\\ 1,T<x<2T\end{array}\right.\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;7)$

掩模M2为周期为2T的明暗交替掩模，其对应掩模一透光部分和不透光部分具有相反的透过率分布。2T周期内的透过率函数为：

$t_{M2}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}0,x_i<x<x_{i+1}(i=\mathrm{1,3,5}\mathrm{\&Lambda;K}-1)\\ 1,x_i<x<x_{i+1}(i=\mathrm{2,4,6}\mathrm{\&Lambda;K})\end{array}\right.,0<x<T\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;8)$

$t_{M2}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}1,x_i<x-T<x_{i+1}(i=\mathrm{1,3,5}\mathrm{\&Lambda;K}-1)\\ 0,x_i<x-T<x_{i+1}(i=\mathrm{2,4,6}\mathrm{\&Lambda;K})\end{array}\right.,T<x<2T\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;9)$

3、利用两块掩模制作三台阶位相分束光栅。

4、通过传统多台阶光学元件套刻加工方法，利用设计好的两块掩模制作三台阶位相分束光栅。具体制作过程见图3。(简单起见，本说明书中所有附图只画出了光栅中相邻两个周期的结构的制作过程，光栅其它部分仅仅是这两个周期的重复。)第一次利用掩模板M1光刻，显影和刻蚀后在材料基片上得到T宽度的沟槽，刻蚀深度为h＝λ/2(n-1)。第二次光刻利用掩模M2，并需要和上次图形对准曝光，刻蚀深度同样为h＝λ/2(n-1)。最终得到的光栅相邻2T周期内的结构函数为：

$h\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}0,x_i<x<x_{i+1}(i=\mathrm{1,3,5}\mathrm{\&Lambda;K}-1)\\ h,x_i<x<x_{i+1}(i=\mathrm{2,4,6}\mathrm{\&Lambda;K})\end{array}\right.,0<x<T\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;10)$

$h\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}2h,x_i<x-T<x_{i+1}(i=\mathrm{1,3,5}\mathrm{\&Lambda;K}-1)\\ h,x_i<x-T<x_{i+1}(i=\mathrm{2,4,6}\mathrm{\&Lambda;K})\end{array}\right.,T<x<2T\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;11)$

由于位相具有2π周期性，三台阶部分的周期与二台阶部分周期具有相同的位相调制函数分布式(6)，故它们能够实现相同的分束功能。但粗略分析可以得知，三台阶结构光栅的分束的各级衍射效率的均匀性受横向误差影响很小。此时横向误差主要有来自两个方面。一是制作光栅细线条时，线条边缘位置变化Δx，二是两次刻蚀图形存在套刻误差Δx_a。前者由于相邻周期结构的相反结构，其输出均匀性误差近似相互抵消，均匀性主要受到套刻误差的影响。利用公式(1～3)误差分析，可以得到其各级衍射效率相对变化值近似为：

$\frac{{\mathrm{\&Delta;I}}_n}{I_n}\&ap;\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\&eta;}/(2N+1)}}\mathrm{\&Delta;}{x}_a\&ap;\frac{2\sqrt{2}}{\sqrt{\mathrm{\&eta;}}}{N}^{1/2}\mathrm{\&Delta;}{x}_a.\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;12)$

对比传统二台阶分束光栅的误差分析结果式(5)，各级衍射效率的相对变化值大约降低了 一般说来，套刻误差Δx_a与线条加工误差Δx水平相当。因此，这种设计和加工的三台阶结构位相光栅与传统二台阶位相分束光栅相比，在相同横向误差下，分束阵列的均匀度更高，从而可以制作列阵数目更大的分束器。另外还可以从式(12)看出，同样误差水平下，当分束数目N增加时，三台阶分束光栅的均匀度在抗误差能力上的优势更为明显。

实施例1

设计分束列阵数1×13，光栅周期250μm，波长0.6328μm。光学材料为融石英，对应的折射率为1.457。二元光学加工工艺横向加工误差为0.25μm，套刻误差为0.5μm。

利用数学优化技术得到光栅调制位相跳变点归一化坐标为：{0.17770.3135 0.4124 0.4985 0.5763 0.7086}。对应三台阶光栅的结构如图4所示，沟槽深度0.692μm。图5给出了没有误差时，计算得到的光栅各级衍射效率，它们非常均匀。

图6给出了考虑加工过程中的横向误差时，三台阶结构光栅的各级衍射效率，其均匀度为0.028，还是很均匀。为便于比较分析，图7给出了在相同误差水平下二台阶传统达曼光栅结构输出的各级衍射效率，其均匀度大大变差，仅为0.084。非常明显，相同误差水平下，三台阶分束光栅的分束质量要优于二台阶结构。

实施例2

设计分束列阵数1×23，光栅周期250μm，波长0.6328μm。光学材料为融石英，对应的折射率为1.457。光学加工工艺的横向加工误差为0.25μm，套刻误差为0.5μm。

利用数学优化技术得到光栅调制位相跳变点的周期归一化坐标为：{0.1044 0.1570 0.2191 0.2565 0.2615 0.2783 0.31710.3654 0.4245 0.5574 0.6526 0.8995 0.9410}。对应三台阶光栅的结构如图8所示，沟槽深度0.692μm。图9给出了没有误差时，光栅的各级衍射效率，它们非常均匀。

图10给出了考虑加工过程中的横向误差时，三台阶结构光栅的各级衍射效率，其均匀度为0.04，仍然非常均匀。为便于比较分析，图7给出了在相同误差水平下二台阶传统达曼光栅结构输出的各级衍射效率，其均匀度仅为0.24，各级衍射效率非常不均匀。非常明显，相同误差水平下，三台阶分束光栅的分束质量要大大优于二台阶结构。

Claims (2)

1、一种三台阶分束光栅，其特征在于：其结构以2个周期T为结构变化周期，即每个2周期T的结构都一样，其中第1个周期T的结构为二元位相分束光栅一个周期T的沟槽结构，第2个周期T的结构高度提高h，并且第2个周期T的沟槽结构是与第1个周期T结构相反的二元位相分束光栅沟槽结构，其中h＝λ/2(n-1)，λ为激光波长，n为材料折射率。

2、一种三台阶分束光栅的制作方法，共特征在于由以下几个步骤实现：

(1)制备两块掩模板：掩模板M1的图案为周期2T的黑白均匀相间的线条；掩模板M2为光栅结构线条，其中相邻两周期内黑白线条图案正好相反；

(2)光栅制作：利用两块掩模板在玻璃等光学材料基片上分别曝光显影刻蚀，即先用掩模板M1曝光显影刻蚀，再用掩模板M1曝光显影刻蚀(也可以先用M2曝光显影刻蚀，再用M1曝光显影刻蚀)，刻蚀深度均为π位相深度；两次曝光过程，图案需要精密对准。

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