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      一種新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu)的制作方法

      文檔序號:10652965閱讀:621來源:國知局
      一種新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu)的制作方法
      【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),包括基底層、光柵層,其特征在于:光柵層的各塊狀區(qū)域柵條方向、周期、占空比不同;光柵層位于基底層上方,需經(jīng)過曝光、顯影、刻蝕形成光柵層;本發(fā)明可以克服傳統(tǒng)偏振衍射光柵參數(shù)調(diào)整只有一個自由度的缺點,從三個自由度來控制光柵透射光的分布,以達到任意光束的分束/合束功能,其理論分/合束效率達99%,且光柵器件的體積小,可應用在抗反射器、相干偏振合束、測量Stokes參量、生物成像和光通信等領(lǐng)域。
      【專利說明】-種新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu) -、技術(shù)領(lǐng)域
      [0001] 本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域設(shè)及一種新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),特別設(shè)及一種高分/ 合束效率的光柵器件。 二、【背景技術(shù)】
      [0002] 光學衍射光柵作為衍射光學器件中的一種已經(jīng)被人們廣泛應用,它具有周期性的 空間結(jié)構(gòu),一般是在介質(zhì)或者金屬上進行刻蝕形成等效折射率調(diào)制而制成的。光學衍射光 柵可W分為透射光柵和反射光柵。衍射光柵的衍射級次主要由光柵周期和入射光波長的大 小決定的。
      [0003] 目前激光分/合束系統(tǒng)的動態(tài)及主要問題:
      [0004] 1、傳統(tǒng)激光分/合束系統(tǒng)通過采用達曼光柵,它可W將一束相干光分成若干束等 強度的相干光,或者將將滿足相位關(guān)系的相干光束陣列合成一束光,但不能滿足分/合束效 率要求較高的情況,傳統(tǒng)的相位光柵只能實現(xiàn)對入射光的相位進行周期性的調(diào)控。并且主 要調(diào)整柵條周期、柵條方向、柵條占空比其中的一個參數(shù),運樣的遠場的光場分布就受到了 一定的限制,運樣,激光合束系統(tǒng)的輸出效率就會大一定程度上受到了限制。
      [0005] 2、在激光相干合束系統(tǒng)中通過提升單一激光器的功率已達到物理極限,其分束/ 合束器件的效率起到了非常重要的作用,而傳統(tǒng)的激光相干合束效率低下造成整個系統(tǒng)的 性能的下降,輸出功率受到一定的限制。 H、
      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷和改進需求,本發(fā)明提供了一種高效率的新型偏振衍射 光柵結(jié)構(gòu)及制作方法,W求解決現(xiàn)有合束系統(tǒng)中的遠場光場分布不均勻、激光輸出功率不 高、轉(zhuǎn)化效率低等問題。
      [0007] 本發(fā)明提出一種偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),包括光柵層和基底層,其中:
      [000引所述基底層是單晶娃,所述光柵層是與基底層折射率相同的介電材料,通過曝光、 顯影、刻蝕制作在基底層上;
      [0009] 所述光柵層是占空比可變光柵結(jié)構(gòu)或周期可變光柵結(jié)構(gòu);光柵層由多個長方形塊 狀光柵區(qū)域平直對齊拼成,相鄰各塊狀光柵區(qū)域內(nèi)的柵條方向不同,每個塊狀光柵區(qū)域的 光柵結(jié)構(gòu)為二元型;長方形塊數(shù)根據(jù)相位偏角變化值求得,各塊相位偏角數(shù)越小,長方形塊 數(shù)越多;
      [0010] 所述占空比可變光柵結(jié)構(gòu)是各塊狀區(qū)域光柵的周期不變,占空比和方向角變化; 所述周期可變光柵結(jié)構(gòu)是各塊狀區(qū)域光柵的占空比不變,周期和方向角變化。
      [0011] 進一步的,所述光柵等效參數(shù)計算步驟如下:
      [001^ (1)求相位偏角日、相位延遲r、快軸方位角f
      [001引相位偏角:
      指光波在光柵中傳播的相移;
      [0014]相位延遲:
      指光柵對兩個互相正交的偏振分量產(chǎn) 生的相位偏移;
      [001引快軸方位角;
      ,指光柵等效后快軸方位角;
      [0016] 其中:Px為光波在X方向的振幅分量,Py為光波在y方向的振幅分量;X軸方向為快 軸,其垂直于各柵條,y軸平行于各柵條;0X為光波在X方向的初始相位角,0y為光波在y方向 的初始相位角;運4個參數(shù)由入射光的方向和本光柵結(jié)構(gòu)確定;當入射光為線偏振光時,該 光柵的傳輸瓊斯矩陣T(X)為:
      [0017]
      [001引可知,光場前焦面的瓊斯矩陣為 ,其中: Vy)
      [0019] (1)
      [0020] (2)
      [0021] 光柵用于分束/合束時,在前焦面上,x、y方向的光強分布分別為:
      [0022] Vx=f?xexp( j 目X) (3)
      [0023] Vy =化exp(j 目 y) (4)
      [0024] 聯(lián)立式(1)-式(4),求解出a、r、?H
      [0025] (2)根據(jù)嚴格禪合波方法RCWA,計算可變占空比結(jié)構(gòu)和可變周期結(jié)構(gòu)相對應的光 柵周期、占空比和方向角;
      [0026] (2-1)在可變占空比結(jié)構(gòu)中,光柵周期A不能太大,因為要滿足亞波長的要求;也 不能太小,太小加工不出來,主要受限于加工精度,一般取波長的0.4倍為光柵周期;即A = 0.4、光柵方向角等于光柵等效為波片后的波片快軸方位角
      [0027] 光柵占空比F計算由如下兩式聯(lián)立求解:
      [002引 r=eh 巧);r為光柵相位延遲;
      [0029]
      (6);
      [0030] 其中(6)中的r根據(jù)瓊斯矩陣計算出來的相位延遲:
      [0031] 其中(5)式中的A為W下矩陣的特征值:
      [0032]
      [0033] ^光柵層的相對磁導率,Er為光柵層 的相對介電常數(shù),0為入射光與Z軸方向的夾角,(1)為入射光在光柵面的投影與X軸方向的夾 角;^為矩陣F Q的矩陣本征值,F(xiàn) Q是包含F(xiàn)的矩陣,通過求解(F Q -AE)x = 0得到基礎(chǔ)解系, 式中E為單位矩陣,從而可W求解出F Q的特征值;通過計算矩陣FQ可W計算出相位延遲的 表達式;
      [0034] (2-2)在可變周期結(jié)構(gòu)中,光柵占空比F不能太大,也不能太小,太小加工不出來, 主要受限于加工精度,F(xiàn)-般取0.6;光柵方向角等于光柵等效為波片后的波片快軸方位角 口;
      [0035] 光柵周期由如下兩式聯(lián)立求解:
      [0036] r=eh (7); r為光柵相位延遲;
      [0037]
      (8)試(8)根據(jù)瓊斯矩陣得到;[0038] 其中(7)式中的A為W下矩陣的特征值,用前述可變占空比結(jié)構(gòu)方法可計算得到;
      [0039]
      [0040] 婦光柵層的相對磁導率,Er為光柵層 的相對介電常數(shù),0為入射光與Z軸方向的夾角,(1)為入射光在光柵面的投影與X軸方向的夾 角。
      [0041] 進一步的,所述塊狀區(qū)域的占空比可變光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期為620nm,方向角變化 范圍22度到67度,占空比變化范圍0.35到0.61,每個長方形塊狀區(qū)域的大小尺寸為18.6um* 2.38mm,整個可變占空比結(jié)構(gòu)光柵的尺寸大小為2.38mm巧.38mm。
      [0042] 進一步的,所述塊狀區(qū)域的周期可變光柵結(jié)構(gòu)占空比為0.6,方向角變化范圍22度 到67度,周期變化范圍279nm到636nm,每個長方形塊狀區(qū)域的大小尺寸為19.1um*2.44mm, 整個可變占空比結(jié)構(gòu)光柵的尺寸大小為2.44mm巧.44mm。
      [0043] 進一步的,所述偏振衍射光柵的每個區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不 同,其安裝位置通過高精度機械控制元件能進行微小移動。
      [0044] 進一步的,所述光柵結(jié)構(gòu)入射面和出光面要根據(jù)光柵的實際位置而定,如果整個 系統(tǒng)是從左到右依次布置,在合束作用時,左端是入射面,右端是出射面,分束作用時,則正 好相反;其中,所述入射面是刻有光柵圖案的一面,出射面是沒有光柵圖案的另一面。
      [0045] 進一步的,所述偏振衍射光柵為亞波長光柵。
      [0046] 相應地,本發(fā)明還提出一種所述偏振衍射光柵結(jié)構(gòu)的制作方法,包括如下步驟:
      [0047] (1)選用高阻單晶娃,將娃襯底使用標準化學機械拋光,對娃基片進行清洗,去除 基片表面雜質(zhì);用丙酬超聲清洗,然后用乙醇超聲清洗,再用去離子水清洗后,取出基片用 氮氣吹干;對基片進行旋膠,要求膠膜均勻,與基片接觸良好;所述單晶娃電阻率〉IOOQ ? cm,光刻膠厚度在900-1 IOOnm之間;
      [0048] (2)將旋膠后的基片作前烘處理,使光刻膠內(nèi)的有機溶劑充分揮發(fā);然后用電子束 透過帶有預先設(shè)計的目標光柵結(jié)構(gòu)的光刻掩模版照射,進行投影式曝光;
      [0049] (3)將曝光后的娃基片放在顯影液中顯影,去除感光后的光刻膠;顯影時,將基片 浸入顯影液中輕微晃動;然后接著對娃基片后烘,準備刻蝕;
      [0050] (4)采用ICP等離子體刻蝕方法對刻蝕娃光柵,除掉沒有光刻膠保護區(qū)域的1000 nm 厚的單晶娃層,得到相應的光柵結(jié)構(gòu)。
      [0051] 進一步的,所述步驟(3)的顯影中,先用二甲苯浸泡80秒,再用異丙醇浸泡40秒。
      [0052] 所述占空比可變光柵結(jié)構(gòu)是光柵的周期不變,占空比和方向角變化;所述周期可 變光柵結(jié)構(gòu)是光柵的占空比不變,周期和方向角變化;柵條的占空比決定了等效波片的相 位延遲;柵條的方向決定了等效波片的方向角;周期決定了光柵的偏振狀態(tài);不同周期、方 向角、占空比的光柵區(qū)域所等效成不同的波片,對光的偏振控制作用也不一樣,從而實現(xiàn)對 入射光的偏振控制。
      [0053] 基于本發(fā)明提出的偏振衍射光柵,本發(fā)明還提出一種激光相干合束禪合諧振腔, 除了本發(fā)明提出的偏振衍射光柵(4)之外,還包括上、中、下反射鏡(11、12、13),上、中、下增 益單元(21、22、23),上、中、下半導體激光器(31、32、33)和輸出鏡(5),其中:
      [0054] 上、中、下反射鏡(11、12、13)從上至下對稱設(shè)置,其中,中反射鏡(12)和輸出鏡巧) 共軸相對設(shè)置,所述偏振衍射光柵設(shè)在中反射鏡(12)和輸出鏡巧)之間光軸上,各反射鏡的 反射中屯、均與偏振衍射光柵(4)的光軸中屯、等距;各反射鏡與偏振衍射光柵(4)之間的光路 上分別設(shè)有上、中、下增益單元(21、22、23);輸出鏡(5)與上、中、下反射鏡(11、12、13)共同 組成諧振腔;
      [0化5] 上、中、下半導體激光器(31、32、33)分別靠近上、中、下增益單元(21、22、23)設(shè)置, 各激光輸出窗口對準各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部;
      [0056] 所述半導體激光器(3)用于產(chǎn)生累浦光;所述增益單元(2)設(shè)置在用于放大禪合腔 內(nèi)傳輸?shù)募す?所述偏振衍射光柵(4)用于腔內(nèi)激光分束/合束;所述輸出鏡(5)位于諧振腔 右端,用于激光束輸出;
      [0057] 工作時,各半導體激光器(31、32、33)產(chǎn)生初始的累浦光,經(jīng)過各增益單元(21、22、 23)放大后的S束累浦光,經(jīng)各反射鏡(11、12、13)反射后,到達偏振衍射光柵(4)后合為一 束,合束后的激光功率如果沒有達到諧振腔的闊值,合束光會經(jīng)過輸出鏡(5)反射,由偏振 衍射光柵(4)分成=束,=光束再經(jīng)各增益單元放大,再次被反射和合束,直到達到諧振腔 的闊值后,由輸出鏡(5)輸出合束后的激光。
      [0058] 本發(fā)明提出的諧振腔由于加入了偏振衍射光柵做為分/合器件,能改變激光相干 合束系統(tǒng)模式選擇、隨機相位波動特性,可通過基于主動偏振控制元件解決或緩解相干合 束系統(tǒng)中隨機相位波動的問題。運樣可W代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器的而采用選模(鎖相)機理,提高 激光器的轉(zhuǎn)換效率,有利于高功率激光的輸出。
      [0059] 本偏振衍射光柵是通過調(diào)控偏振衍射光柵的柵條周期、點空比、方向=個自由度 來周期性的調(diào)控入射光的偏振態(tài),并達到大于99%的理論分束效率。分束效率可由下式計 算得出。
      [0060]
      [0061] 其中d為光柵周期,Tm為m級次衍射的復振幅,S為信號的衍射級次,Ilu為衍射效率, 在偏振衍射光柵中,光柵周期小于入射光波長,只會產(chǎn)生0級衍射波,代入上式,即可得出光 柵的理論分束效率。
      [0062] 本發(fā)明中,采用了嚴格禪合波方法RCWA計算可變占空比結(jié)構(gòu)和可變周期結(jié)構(gòu)相對 應的光柵周期、占空比和方向角;推導過程如下(W可變占空比為例):
      [0063] 當光通過光柵時,麥克斯韋方程可W寫成如下微分形式:
      [0067] 式中,Ex(z')為電場沿Z平面中X方向的分量;Ey(z')為電場沿Z平面中y方向的分 量;存,.(Z巧磁場沿Z平面中X方向的分量;度,(Z巧磁場沿Z平面中y方向的分量;
      [0064]
      [00 化]
      [0066]
      [006引
      h為光柵層的相對磁導率,Er為光柵層 的相對介電常數(shù),0為入射光與Z軸方向的夾角,(1)為入射光在光柵面的投影與X軸方向的夾 角;光柵相位延遲r等于eh',A為矩陣FQ的矩陣本征值,通過計算矩陣FQ可W計算出相位 延遲的表達式:
      [0069] r=eh' (5);
      [0070] 由瓊斯矩陣計算出來的相位延遲r為:
      [007。
      (6);
      [0072] 聯(lián)立(5)、(6)兩式,可計算出每個相位延遲所對應的占空比數(shù)值。
      [0073] 本發(fā)明中,光柵結(jié)構(gòu)的高分束效率來源于對入射光的兩個正交方向同時進行振幅 和相位的調(diào)控,而振幅的調(diào)控并沒有帶來能量的損失,能量只是從一個正交方向轉(zhuǎn)移到另 一個正交方向,因而該光柵有著分/合束效率高的優(yōu)點,在相同的輸出功率的情況下,每個 合束單元的功率都會大為減小,并且其運行功率都在其物理極限W內(nèi),有效的避免了單增 益單元激光器系統(tǒng)的熱效應、非線性效應和物理損傷等問題,可W實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量 的激光輸出。傳統(tǒng)的分/合束器件基于達曼光柵,本發(fā)明使用偏振衍射光柵作為分/合束器 件,其效率高于達曼光柵,而且該發(fā)明中的光柵器件經(jīng)過量化處理分為很多塊狀區(qū)域,且每 個區(qū)域的方向、周期、占空比,運些參數(shù)的不同可W對入射光的偏振態(tài)進行任意的調(diào)控,從 而得到等能量和任意數(shù)目的子光束,與現(xiàn)有技術(shù)相比,本光柵具有如下優(yōu)點:
      [0074] (1)對光柵進行了量化處理,將偏振衍射光柵在分成多個塊狀區(qū)域,其每個區(qū)域的 柵條的方向和占空比都不一樣,通過調(diào)控運些結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)對入射光的偏振態(tài)的任意控 審IJ,W實現(xiàn)等能量和任意數(shù)目的分束,該偏振衍射光柵對偏振態(tài)的周期性調(diào)控可W等效為 同時對兩個正交方向的振幅和相位分別進行周期性的調(diào)控,自由度的個數(shù)相比于相位光柵 從一個增加到=個。
      [0075] (2)該偏振衍射光柵可W等效為一個相位延遲片,其方向角和相位延遲都是空間 坐標的函數(shù),因此偏振衍射光柵可W通過亞波長柵條結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。柵條方向決定了等效波 片的方向角,柵條占空比決定了對入射光的相對相位延遲,該偏振衍射光柵在一個局部位 置的柵條結(jié)構(gòu)都是二元的,可W通過對勻膠及掩模后娃片單次曝光獲得,降低了制備的難 度和成本。
      【附圖說明】
      [0076] 圖1是本發(fā)明提供的新型偏振衍射光柵的示意圖;
      [0077] 圖2是本發(fā)明提供的新型可變占空比偏振衍射光柵的示意圖;
      [0078] 圖3是本發(fā)明提供的新型可變周期偏振衍射光柵的示意圖;
      [0079] 圖4是本發(fā)明提供的偏振衍射光柵的激光相干合束禪合諧振腔示意圖;
      [0080] 在所有附圖中,相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu),其中:
      [0081 ] 11、12、13-反射鏡,21、22、23增益單元,31、32、33半導體激光器,4-偏 振衍射光柵,5---輸出鏡。 四、【具體實施方式】
      [0082]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,W下結(jié)合附圖及實施例,對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明,并 不用于限定本發(fā)明。此外,下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
      [0083] 在本發(fā)明的實施例中,采用本發(fā)明提供的新型偏振衍射光柵的工作方式,把偏振 衍射分割成多個相同塊狀區(qū)域,該區(qū)域即可等效為一個薄片,各區(qū)域的參數(shù)包括柵條方向、 柵條周期、柵條點空比。其中塊狀區(qū)域的柵條方向決定了等效波片的方向角,柵條高度和柵 條占空比決定了相對相位延遲。其具體參數(shù)如下:可變占空比光柵結(jié)構(gòu),占空比變化范圍為 0.35到0.61,方向角變化范圍為22度到67度,周期為固定值620nm,刻蝕深度為1000 nm;可變 周期光柵結(jié)構(gòu),周期可變化范圍為279nm到636nm,長方形塊狀區(qū)域的方向角變化范圍為22 度到67度,占空比為固定值0.6,刻蝕深度為1000 nm;
      [0084] 請參閱圖2、圖3所示,由圖可見,本實施例中有兩種光柵結(jié)構(gòu):可變占空比和可變 周期,運兩種新型偏振衍射光柵的具體制作流程如下所示:
      [0085] (1)選用高阻單晶娃,將娃襯底使用標準化學機械拋光,首先對娃基片進行清洗, 去除基片表面的有機物和灰塵等雜質(zhì)。清洗過程中,先用丙酬超聲清洗lOmin,然后用乙醇 超聲清洗lOmin,再用去離子水清洗lOmin,最后取出基片用氮氣吹干備用。再對基片進行旋 膠,旋膠要求膠膜均勻,與基片接觸良好,所述單晶娃電阻率MOOQ ? cm,光刻膠厚度在 900-1 IOOnm之間;
      [0086] (2)旋膠完成后,將基片放置于熱板上作前烘處理,其目的就是干燥光刻膠,促使 光刻膠內(nèi)的有機溶劑充分揮發(fā),將前烘后的的娃基片在電子束的照射下,圖2為可變占空比 光柵結(jié)構(gòu),占空比變化范圍為O . 35到O . 61,方向角變化范圍為22度到67度,周期為固定值 620nm,刻蝕深度為1000 nm;圖4為可變周期光柵結(jié)構(gòu),周期可變化范圍為27化m到636nm,長 方形塊狀區(qū)域的方向角變化范圍為22度到67度,占空比為固定值0.6,刻蝕深度為1000 nm;
      [0087] (3)曝光完成后,先用二甲苯浸泡80秒,再用異丙醇浸泡40秒,去除感光后的光刻 膠,顯影時,將基片浸入顯影液中輕微晃動,顯影時間直接影響光刻膠光柵的形貌,需要嚴 格控制。然后接著對娃基片后烘,準備刻蝕;
      [0088] (4)光刻完成后,最后一道工序就是刻蝕,采用ICP等離子體刻蝕技術(shù)對娃光柵進 行刻蝕,最后得到相應的光柵結(jié)構(gòu)。
      [0089] 圖2中可變占空比偏振衍射光柵結(jié)構(gòu)特點是光柵的占空比可變,其變化范圍為 0.35到0.61,長方形塊狀區(qū)域的方向角變化范圍為22度到67度,制作后的整個結(jié)構(gòu)大小為 2.38mm*2.38mm,每個長方形塊狀區(qū)域的光柵方向角和占空比可變,運樣就可W等效成不同 的波片,不同的波片對光的偏振有不同的調(diào)控作用,運樣就可W實現(xiàn)對入射光的偏振控制。 主要應用在光學相干偏振分/合束系統(tǒng)、抗反射器、、測量Stokes參量、生物成像和光通信等 領(lǐng)域。
      [0090] 圖3中可變周期偏振衍射光柵結(jié)構(gòu)特點是光柵的周期可變,其變化范圍為279nm到 636nm,長方形塊狀區(qū)域的方向角變化范圍為22度到67度,制作后的整個結(jié)構(gòu)大小為 2.44mm*2.44mm,每個長方形塊狀區(qū)域的光柵方向角和占空比可變,運樣就可W等效成不同 的波片,不同的波片對光的偏振有不同的調(diào)控作用,運樣就可W實現(xiàn)對入射光的偏振控制。 主要應用在光學相干偏振分/合束系統(tǒng)、抗反射器、測量Stokes參量、生物成像和光通信等 領(lǐng)域。
      [0091] 本實例制出的光柵結(jié)構(gòu)有兩種,可變占空比和可變周期兩種結(jié)構(gòu),兩種光柵結(jié)構(gòu) 的主要參數(shù)有:占空比、周期、方向角、刻蝕深度。在可變占空比光柵結(jié)構(gòu)中,可變參數(shù)有占 空比和方向角,占空比變化范圍為0.35到0.61,方向角變化范圍為22度到67度,周期為固定 值620nm,刻蝕深度為1000 nm;可變周期光柵結(jié)構(gòu)中,可變參數(shù)有周期和方向角,周期可變化 范圍為279nm到636nm,長方形塊狀區(qū)域的方向角變化范圍為22度到67度,占空比為固定值 0.6,刻蝕深度為lOOOnm。運兩種結(jié)構(gòu)的光柵結(jié)構(gòu)可W使用在光學系統(tǒng)中作用分/合束器件, 其具體使用直接用該光柵結(jié)構(gòu)代替光學系統(tǒng)中的分/合束器件,光路只需要作用小范圍的 改動即可,用該光柵器件可W代替?zhèn)鹘y(tǒng)分/合束器件,可W提高系統(tǒng)的效率;該光柵還可W 用于光通信中,因為該光柵器件可W實現(xiàn)對入射光的偏振態(tài)的任意調(diào)控,運樣就可W使各 個偏振態(tài)的光束攜帶不同的信息,可W實現(xiàn)不同偏振態(tài)的通信。
      [0092] 采用本發(fā)明提出的光柵,可W實現(xiàn)等能量、任意光束的分束,理論分束效率達 99%,分束均勻度小于2 %。
      [0093] 基于本偏振衍射光柵,本發(fā)明提出的一種激光相干合束禪合諧振腔實施方式,參 見圖4,其包括1、反射鏡(11、12、13),2、增益單元(21、22、23),3、半導體激光器(31、32、33), 4、偏振衍射光柵,5、輸出鏡。其中反射鏡1通過鍛膜技術(shù)使其保證經(jīng)增益單元2放大的光束 具有高反射特性,所述的反射鏡1由=塊鍛膜鏡組成,上下兩塊對稱置于激光相干合束系統(tǒng) 的左端,多個反射鏡同時使用W提高系統(tǒng)的輸出功率;所述的半導體激光器用于產(chǎn)生累浦 光,發(fā)出的累浦光通過激勵增益單元2,得到相干合束的累浦光,種子光在禪合諧振腔不斷 往返傳輸,并且被增益單元2不斷放大,最后得到激光輸出;所述的輸出鏡5為部分反射鏡, 位于合束系統(tǒng)的右端,與反射鏡1共同組成諧振腔,可W把大部分的光反射回去,當合束后 的功率達到禪合諧振腔的闊值時,經(jīng)輸出鏡5輸出激光;所述偏振衍射光柵4位于禪合諧振 腔的中間,其基底是低膨脹系數(shù)的玻璃或烙石英,在基底上面鍛侶,然后曝光、顯影、刻蝕把 平行線刻在侶膜上,用于分束/合束作用,由增益單元2產(chǎn)生的種子光經(jīng)反射鏡1反射后,至U 達偏振衍射光柵4后合束,最后經(jīng)輸出鏡5反射,由偏振衍射光柵4進行分束,分束后的子光 束再經(jīng)增益單元放大,不同于傳統(tǒng)的相伴、振幅光柵的時該光柵可W實現(xiàn)入光偏振態(tài)的任 意調(diào)控,W實現(xiàn)等能量和任意數(shù)目的分束;
      [0094] 總體而言,本發(fā)明從高效率的分/合束效率及制造工藝簡單方面,提供了一種新型 偏振衍射光柵的結(jié)構(gòu)。
      [0095] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解,W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用W 限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
      【主權(quán)項】
      1. 一種偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),包括光柵層和基底層,其特征在于: 所述基底層是單晶硅,所述光柵層是與基底層折射率相同的介電材料,通過曝光、顯影 和刻蝕制作在基底層上; 所述光柵層是占空比可變光柵結(jié)構(gòu)或周期可變光柵結(jié)構(gòu),由多個長方形塊狀光柵區(qū)域 平直對齊拼成,相鄰各塊狀光柵區(qū)域內(nèi)的柵條方向不同,每個塊狀光柵區(qū)域的光柵結(jié)構(gòu)為 二元型;長方形塊數(shù)根據(jù)相位偏角變化值確定,各塊相位偏角數(shù)越小,長方形塊數(shù)越多; 所述占空比可變光柵結(jié)構(gòu)是各塊狀區(qū)域光柵的周期不變,占空比和方向角變化;所述 周期可變光柵結(jié)構(gòu)是各塊狀區(qū)域光柵的占空比不變,周期和方向角變化。2. 如權(quán)利要求1所述的光柵結(jié)構(gòu),其特征在于,所述光柵等效參數(shù)包括光柵周期、占空 比和方向角,采用嚴格耦合波方法RCWA計算如下: (1) 可變占空比結(jié)構(gòu)參數(shù)計算 光柵周期Λ的下限由加工精度限定,上限由亞波長工作要求限定;一般取波長的0.4倍 為光柵周期; 光柵方向角等于光柵等效為波片后的波片快軸方位角f,光柵占空比F計算由如下兩式聯(lián)立求解:(2) 其中Px為光波在X方向的振幅分量,Py為光波在y方向的振幅分量;X軸方向為快軸,其垂 直于各柵條,y軸平行于各柵條;Θχ為光波在X方向的初始相位角,光波在y方向的初始相 位角;這4個參數(shù)由入射光的方向和本光柵結(jié)構(gòu)確定;Γ為相位延遲,指光柵對兩個互相正 交的偏振分量產(chǎn)生的相位偏移; 其中,式(1)中的λ為以下矩陣的特征值::為光柵層的相對磁導率,ει·為光柵 層的相對介電常數(shù),θ為入射光與Z軸方向的夾角,Φ為入射光在光柵面的投影與水平X軸方 向的夾角;Ω由麥克斯韋方程組求得; (2) 可變周期結(jié)構(gòu)參數(shù)計算: 光柵占空比F取值范圍是0到1,其下限由加工精度限定,太小加工不出來,一般取0.6; 光柵方向角等于光柵等效為波片后的波片快軸方位角供,Ur為光柵層的相對磁導率,Er為光柵層的相 對介電常數(shù),Θ為入射光與Z軸方向的夾角,Φ為入射光在光柵面的投影與X軸方向的夾角。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),其特征在于,所述塊狀區(qū)域的占空比 可變光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期為620nm,方向角變化范圍22度到67度,占空比變化范圍0.35到 0.61,每個長方形塊狀區(qū)域的大小尺寸為18.6um*2.38mm,整個可變占空比結(jié)構(gòu)光柵的尺寸大小為-----------------4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),其特征在于,所述塊狀區(qū)域的周期可 變光柵結(jié)構(gòu)占空比為0.6,方向角變化范圍22度到67度,周期變化范圍279nm到636nm,每個 長方形塊狀區(qū)域的大小尺寸為19. lum*2.44mm,整個可變占空比結(jié)構(gòu)光柵的尺寸大小為 2.44mm氺2.44mm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),其特征在于,所述偏振衍射光柵 的每個區(qū)域的柵條結(jié)構(gòu)的周期、方向角、占空比不同,其安裝位置通過高精度機械控制元件 能進行微小移動。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型偏振衍射光柵結(jié)構(gòu),其特征在于,該光柵結(jié)構(gòu)入射面 和出光面要根據(jù)光柵的實際位置而定,如果整個系統(tǒng)是從左到右依次布置,在合束作用時, 左端是入射面,右端是出射面,分束作用時,則正好相反;其中,所述入射面是刻有光柵圖案 的一面,出射面是沒有光柵圖案的另一面。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型偏振衍射光柵,其特征在于,所述偏振衍射光柵為亞波長 光柵。8. 權(quán)利要求1所述偏振衍射光柵結(jié)構(gòu)的制作方法,其特征在于,包括如下步驟: (1)選用高阻單晶硅,將硅襯底使用標準化學機械拋光,對硅基片進行清洗,去除基片 表面雜質(zhì);用丙酮超聲清洗,然后用乙醇超聲清洗,再用去離子水清洗后,取出基片用氮氣 吹干;對基片進行旋膠,要求膠膜均勻,與基片接觸良好;所述單晶硅電阻率>100Ω · cm,光 刻膠厚度在900-1 IOOnm之間; (2) 將旋膠后的基片作前烘處理,使光刻膠內(nèi)的有機溶劑充分揮發(fā);然后用電子束透過 帶有預先設(shè)計的目標光柵結(jié)構(gòu)的光刻掩模版照射,進行投影式曝光; (3) 將曝光后的硅基片放在顯影液中顯影,去除感光后的光刻膠;顯影時,將基片浸入 顯影液中輕微晃動;然后接著對硅基片后烘,準備刻蝕; (4) 采用ICP等離子體刻蝕方法對刻蝕硅光柵,除掉沒有光刻膠保護區(qū)域的1000 nm厚的 單晶硅層,得到相應的光柵結(jié)構(gòu)。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法,其特征在于,在所述步驟(3)的顯影中,先用二甲苯 浸泡80秒,再用異丙醇浸泡40秒。10. 基于權(quán)利要求1-7任一偏振衍射光柵的激光相干合束耦合諧振腔,其特征在于,還 包括上、中、下反射鏡(11、12、13),上、中、下增益單元(21、22、23),上、中、下半導體激光器 (31、32、33)和輸出鏡(5),其中: 上、中、下反射鏡(11、12、13)從上至下對稱設(shè)置,其中,中反射鏡(12)和輸出鏡(5)共軸 相對設(shè)置,所述偏振衍射光柵設(shè)在中反射鏡(12)和輸出鏡(5)之間光軸上,各反射鏡的反射 中心均與偏振衍射光柵(4)的光軸中心等距;各反射鏡與偏振衍射光柵(4)之間的光路上分 別設(shè)有上、中、下增益單元(21、22、23);輸出鏡(5)與上、中、下反射鏡(11、12、13)共同組成 諧振腔; 上、中、下半導體激光器(31、32、33)分別靠近上、中、下增益單元(21、22、23)設(shè)置,各激 光輸出窗口對準各增益單元側(cè)面的各增益單元的正中部; 所述半導體激光器(31、32、33)用于產(chǎn)生栗浦光;所述增益單元(21、22、23)設(shè)置在用于 放大耦合腔內(nèi)傳輸?shù)募す?所述偏振衍射光柵(4)用于腔內(nèi)激光分束/合束;所述輸出鏡(5) 位于諧振腔右端,用于激光束輸出; 工作時,各半導體激光器(31、32、33)產(chǎn)生初始的栗浦光,經(jīng)過各增益單元(21、22、23) 放大后的三束栗浦光,經(jīng)各反射鏡(11、12、13)反射后,到達偏振衍射光柵(4)后合為一束, 合束后的激光功率如果沒有達到諧振腔的閾值,合束光會經(jīng)過輸出鏡(5)反射,由偏振衍射 光柵(4)分成三束,三光束再經(jīng)各增益單元放大,再次被反射和合束,直到達到諧振腔的閾 值后,由輸出鏡(5)輸出合束后的激光。
      【文檔編號】G02B5/18GK106019440SQ201610588779
      【公開日】2016年10月12日
      【申請日】2016年7月25日
      【發(fā)明人】萬辰皓, 肖建高, 郭海平, 陳念, 唐霞輝
      【申請人】華中科技大學
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