專利名稱：800納米波段的石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及800納米波段的半導(dǎo)體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖的偏振分束光柵器件，特別是一種800納米波段的石英透射偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器由于體積小，重量輕，能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，其應(yīng)用覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)，其中800納米波段的半導(dǎo)體激光器是最常用的激光器。飛秒激光器的特點是超高速和超強(qiáng)電場。飛秒激光不僅在高能物理、核物理領(lǐng)域有重大應(yīng)用，而且在通信、醫(yī)療、環(huán)境和測量等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。目前飛秒激光主要由鈦寶石激光器產(chǎn)生，中心波長也在800納米左右。在許多光學(xué)信息處理系統(tǒng)中，偏振分束器是一種關(guān)鍵元件，它可以將光分成兩束偏振模式相互垂直的偏振光。因此，針對以800納米為中心的偏振分束光柵具有重要的應(yīng)用價值。
大多數(shù)應(yīng)用中，人們往往需要高消光比、高透射率或反射率、較寬的可操作波長范圍和角度帶寬、體積小的偏振分束器。傳統(tǒng)的偏振分束器是基于一些晶體的自然雙折射效應(yīng)(例如Thomson棱鏡、Nicol棱鏡和Wollaston棱鏡)或者多層介質(zhì)膜的偏振選擇性。但是，利用雙折射晶體所制成的偏振分束器體積大、價格昂貴；而薄膜偏振分束器一般工作帶寬較小，薄膜層數(shù)達(dá)到幾十層，對均勻性和對稱性要求較嚴(yán)，加工較難，高消光比元件的成本很高。隨著微制造技術(shù)的快速發(fā)展，亞波長光柵所表現(xiàn)出來的特有的光學(xué)效應(yīng)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。近來，一些研究工作報道了表面浮雕型光柵作為偏振分束器。與其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光柵結(jié)構(gòu)緊湊，易于小型化和集成化，并且插入損耗小，是一種無源器件。尤其是深刻蝕熔融石英光柵，損傷閾值很高，熱膨脹系數(shù)小，能夠在高強(qiáng)度激光和對穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的環(huán)境中工作。偏振分束光柵的制造可以借助成熟的微電子工藝技術(shù)，造價小，能夠大量生產(chǎn)，具有重要的實用前景。
矩形深刻蝕光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有較深槽形的光柵。由于表面刻蝕光柵的刻蝕深度較深，所以衍射性能類似于體光柵，具有高效率的體光柵布拉格衍射效應(yīng)，這一點與普通的表面淺刻蝕的平面光柵完全不同。高密度矩形深刻蝕光柵的衍射理論，不能由簡單的標(biāo)量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計算機(jī)程序精確地計算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴(yán)格耦合波理論的算法在先技術(shù)1M.G.Moharamet al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解決這類高密度光柵的衍射問題。但據(jù)我們所知，沒有人針對800納米波段的半導(dǎo)體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖給出深刻蝕高密度石英透射偏振分束光柵的設(shè)計參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對800納米波段的半導(dǎo)體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖提供一種800納米波段的石英透射偏振分束光柵，該光柵應(yīng)可以將TE、TM兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向，實現(xiàn)0級和1級衍射光消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.61％和96.41％。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于800納米波段的半導(dǎo)體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖的800納米波段的石英透射偏振分束光柵，該光柵的周期為598-622納米、刻蝕深度2.40-2.50微米，光柵的占空比為1/2。
所述的高密度矩形深刻蝕石英光柵的周期為609納米，光柵的刻蝕深度為2.45微米。
本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了高密度矩形深刻蝕石英光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率n1＝1)和石英(折射率n2＝1.45332)。光柵矢量K位于入射平面內(nèi)。TE偏振入射光對應(yīng)于電場矢量的振動方向垂直于入射面，TM偏振入射光對應(yīng)于磁場矢量的振動方向垂直于入射面。一線性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*Λ))入射(定義為Littrow條件，即衍射光沿原入射光的方向返回)，λ代表入射波長，Λ代表光柵周期。該偏振分束光柵的消光比定義為0級透射衍射光中TE、TM偏振模式效率之比和1級透射衍射光中TM、TE偏振模式效率之比中較小的一值。
在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)1計算了深刻蝕熔融石英光柵(占空比為1/2)在800納米波段的半導(dǎo)體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖處的消光比和衍射效率。如圖2、3所示，依據(jù)理論計算得到高消光比、高衍射效率矩形光柵的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，即當(dāng)光柵的周期為598-622納米、刻蝕深度為2.40-2.50微米時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.61％和96.41％。特別是光柵周期為609納米，刻蝕深度為2.45微米時，可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到1.04×104，TE偏振光0級透射衍射效率為97.23％，TM偏振光1級透射衍射效率為98.25％。
如圖4所示，光柵的周期為609納米，深度為2.45微米，若考慮800納米附近兩種偏振模式的入射光各自以對應(yīng)的Littrow角度入射到光柵時，該偏振分束光柵在784-815納米波長范圍內(nèi)所有波長的消光比均可以達(dá)到100以上，即對應(yīng)于31納米的譜寬范圍，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.63％和96.50％。
如圖5所示，TE/TM偏振模式的入射光以41.06°角度(對應(yīng)于λ＝800納米)附近入射到光柵時，光柵的周期為609納米，深度為2.45微米，該偏振分束光柵在40.14°-42.06°角度范圍內(nèi)所有入射角的消光比均可以達(dá)到100以上，即對應(yīng)于1.92°的角度帶寬，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于97.20％和96.99％。


圖1是本發(fā)明800納米波段的石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。在圖中，1代表光柵，2代表區(qū)域1(折射率為n1)，3代表區(qū)域2(折射率為n2)，4代表入射光，5代表TE模式下的0級衍射光，6代表TM模式下的1級衍射光。
圖2是本發(fā)明800納米波段的石英透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45332，光柵占空比為1/2)在不同光柵周期和刻蝕深度下的消光比(10的次冪)。
圖3是本發(fā)明800納米波段的石英透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45332，光柵占空比為1/2)在優(yōu)化光柵周期下(Λ＝609nm)，消光比隨著刻蝕深度的變化曲線。
圖4是本發(fā)明800納米波段的石英透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為609納米、光柵深度2.45微米，占空比為1/2，在800納米波段附近使用，各個波長以相應(yīng)的Littrow角度入射到光柵時，TE/TM模式下的透射衍射效率。
圖5是本發(fā)明800納米波段的石英透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為609納米、光柵深度2.45微米，占空比為1/2，入射光以41.06°角度(對應(yīng)于λ＝800納米)附近入射到光柵時，TE/TM模式下的透射衍射效率。
圖6是全息光柵的記錄光路。在圖中7代表氦鎘激光器，8代表快門，9代表分束鏡，10、11、12、13代表反射鏡，14、15代表擴(kuò)束鏡，16、17代表透鏡，18代表基片。
具體實施例方式
利用微光學(xué)技術(shù)制造高密度矩形偏振分束光柵，首先在干燥、清潔的熔融石英基片上沉積一層金屬鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息記錄方式記錄光柵(見圖6)，采用He-Cd激光器7(波長為0.441μm)作為記錄光源。記錄全息光柵時，快門8打開，從激光器發(fā)出的窄光束經(jīng)過分束鏡9分成兩窄光束。一束通過反射鏡10后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡14、透鏡16形成寬平面波；另一束通過反射鏡11后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束平面波分別經(jīng)過反射鏡12、13后，以2θ夾角在基片18上形成干涉場。光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)可以表示為Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ為記錄光波長。記錄角θ越大，則Λ越小，所以通過改變θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述消光比和效率圖設(shè)計)，記錄高密度光柵。接著，顯影后，用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到鉻膜上，利用化學(xué)試劑將多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)移到石英基片上，再用去鉻液將鉻膜去除，就得到高密度表面浮雕結(jié)構(gòu)的石英光柵。
表1給出了本發(fā)明一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的矩形石英偏振分束光柵。由表1并結(jié)合圖2、3可知，該光柵的周期為598-622納米、刻蝕深度為2.40-2.50微米時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.61％和96.41％，實現(xiàn)了將兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向。特別是光柵周期為609納米，刻蝕深度為2.45微米時，本發(fā)明可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到1.04×104，TE偏振光0級透射衍射效率為97.23％，TM偏振光1級透射衍射效率為98.25％。
本發(fā)明的高密度石英透射光柵作為偏振分束器，具有很高的消光比和透射效率，不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜，利用全息光柵記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是偏振分束器的一種重要的實現(xiàn)技術(shù)。
表1 800納米波長入射下，0級、+1級布拉格透射衍射效率η和消光比，d為光柵深度，Λ為光柵周期

權(quán)利要求
1.一種800納米波段的石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為598-622納米、刻蝕深度為2.40-2.50微米，光柵的占空比為1/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的800納米波段的石英透射偏振分束光柵，其特征在于所述的光柵的周期為609納米，光柵的刻蝕深度為2.45微米。
全文摘要
一種用于800納米波段的石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為598－622納米、刻蝕深度為2.40－2.50微米，光柵的占空比為1/2。該偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.61％和96.41％。特別是光柵周期為609納米，刻蝕深度為2.45微米時，本發(fā)明偏振分束光柵的消光比達(dá)到1.04×10
文檔編號G02B27/28GK1815276SQ20061002449
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者周常河, 王博 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所