專利名稱：金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及反射式光柵，特別是一種用于800納米波長的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射式光柵。

背景技術(shù)：
在啁啾脈沖放大技術(shù)中，人們往往需要高衍射效率、較寬波長范圍和較高的抗激光損傷能力的衍射光柵。最近，Wei Jia等人在熔融石英上制作出了這種高衍射效率的透射式光柵，其-1級的衍射效率理論上可達98％。在先技術(shù)1W.Jia et al.，Appl.Opt.47，6058(2008)。但是，在很多應(yīng)用，比如在光柵調(diào)諧窄線寬振蕩器、光柵脈沖壓縮器等中需要反射式光柵。傳統(tǒng)的多層介質(zhì)光柵以及純金屬光柵雖然可以滿足要求，但是多層介質(zhì)光柵的制作相當(dāng)復(fù)雜、制作成本較高；純金屬的全息光柵以及刻劃光柵的機械強度及抗激光損傷能力較弱，不適合用于高功率激光系統(tǒng)。
熔融石英是一種理想的光柵材料，它具有高光學(xué)質(zhì)量穩(wěn)定的性能、高損傷閾值和從深紫外到遠紅外的寬透射譜。金作為一種常用的金屬反射膜，其強度和穩(wěn)定性較好，在紅外區(qū)的反射率很高。目前，常用的金屬反射光柵大多以金為薄膜材料。因此，利用熔融石英和金材料結(jié)合制作新型的嵌入式反射式光柵具有廣泛的應(yīng)用前景。
矩形光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。高密度矩形光柵的衍射理論，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)2M.G.Moharam et 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，目前為止，還沒有人針對常用800納米波長給出在熔融石英基片上制作的金嵌入式反射光柵的設(shè)計參數(shù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對常用800納米波長的激光器提供一種寬帶金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵。該金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵可以使TE偏振光在利特羅入射角的情況下的-1級衍射效率在130納米(780～910納米)的波長帶寬內(nèi)高于90％；而當(dāng)在非利特羅角入射的情況下的-1級衍射效率在284納米(780～1064納米)的波長帶寬內(nèi)高于80％。因此，該金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵在啁啾脈沖壓縮技術(shù)中具有重要的實用價值。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 一種用于800納米波段的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵，其特點在于該光柵的周期為450～550納米、刻蝕深度700～900納米，金膜的厚度為380～660納米，光柵的占空比為0.4。
所述的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵的周期為550納米，光柵的刻蝕深度為800納米，金膜的厚度為550納米。
本發(fā)明的依據(jù)如下 圖1顯示了金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、2、3都是均勻的，分別為熔融石英(折射率n1＝1.45332)、金膜(折射率n2＝0.18-i5.13)和空氣(折射率n3＝1.0)。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。線性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*A*n3))入射(定義為利特羅角)，λ代表入射光波長，Λ代表光柵周期。
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)2計算了矩形金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵(占空比為0.4)的-1級衍射效率隨入射角的變化曲線如圖2所示，即當(dāng)光柵的周期為550納米、刻蝕深度為800納米，金膜的厚度為550納米時，該光柵的-1級衍射效率在30°的角度帶寬內(nèi)大于90％。
如圖3所示，光柵的周期為550納米，深度為800納米，金膜厚度為550納米，在利特羅角入射時，TE偏振模式的入射光在120納米的(780～900納米)譜寬范圍內(nèi)的-1級衍射效率均可以達到90％以上。
如圖4所示，TE偏振模式的入射光以72°角度(非利特羅角度)附近入射到光柵時，光柵的周期為550納米，深度為800納米，金膜厚度550納米，光柵占空比為0.4時，TE偏振模式的入射光在284納米的(780-1064納米)的寬譜寬范圍內(nèi)的-1級衍射效率均可以達到80％以上。



圖1是本發(fā)明金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。
圖中，1代表區(qū)域1(折射率為n1)，2代表金膜(折射率為n2)，3代表區(qū)域3(折射率為n3)，4代表TE偏振模式下入射光，5代表TE模式下的-1級衍射光。
圖2是本發(fā)明金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵在800納米波長下，TE偏振模式的-1級衍射效率隨入射角的變化曲線。
圖3是本發(fā)明金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵周期為550納米、光柵深度800納米，金膜厚度550納米，占空比為0.4，在利特羅角入射時的帶寬特性曲線。
圖4是本發(fā)明金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵周期為550納米、光柵深度800納米，金膜厚度550納米，占空比為0.4，在非利特羅角入射時(入射角72°)的帶寬特性曲線。
圖5是全息光柵記錄光路。
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5)，采用He-Cd激光器7(波長為441納米)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A越小，所以通過改變θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述衍射效率圖設(shè)計)。全息記錄高密度光柵，然后顯影，接著再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中進行一定時間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)移到熔融石英基片上，然后把刻有光柵的石英基片放入鍍膜機中鍍金，最后再用去鉻液將剩余的鉻膜以及鉻膜上的金剝離，就得到高密度金屬嵌入式光柵。
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)選擇光柵周期、刻蝕深度及溝槽內(nèi)所鍍金膜的厚度，就可以在不同的帶寬內(nèi)得到高衍射效率的矩形金屬嵌入式反射光柵。由表1可知，該光柵的周期為450-550納米、刻蝕深度為700-900納米，金膜厚度為380-660納米，對800納米中心波長的入射角為利特羅角時，該金屬嵌入式反射光柵在200納米(720-920納米)的譜寬范圍內(nèi)的衍射效率大于80％。
表1對800納米波長為利特羅角入射時不同波長的TE偏振光在-1級衍射效率η，h為光柵深度，t為金膜的厚度，Λ為光柵周期


本發(fā)明的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵，具有結(jié)構(gòu)簡單、機械強度好、角度帶寬及光譜帶寬較寬、衍射效率較高等優(yōu)點，是一種非常理想的寬帶反射式光柵，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，可應(yīng)用于寬帶反射式光柵對脈沖壓縮器中，具有重要的實用前景。
權(quán)利要求
1、一種用于800納米波段的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵，其特征在于該光柵的周期為450～550納米、刻蝕深度為700～900納米，金膜的厚度為380～660納米光柵的占空比為0.4。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為550納米，光柵的刻蝕深度為800納米，金膜的厚度為550納米。
全文摘要
一種用于800納米波段的金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵，其特點在于該光柵的周期為450～550納米、刻蝕深度700～900納米，金膜的厚度為380～660納米，光柵的占空比為0.4。本發(fā)明可使TE偏振光的-1級在130納米(780-910納米)的波長帶寬內(nèi)的衍射效率大于90％；當(dāng)在相同的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，而在非利特羅角使用時，該光柵可在284納米的寬帶內(nèi)，即780～1064納米之間，TE偏振光的-1級衍射效率均高于80％。本發(fā)明金屬嵌入式熔融石英寬帶反射光柵由光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝以及鍍膜技術(shù)加工而成，取材方便，造價小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實用前景。
文檔編號G02B5/18GK101609176SQ20091005451
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者周常河, 曹紅超, 馮吉軍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所