波长无关熔融石英透射偏振分束光栅制造技术

一种用于波长从３００纳米到１８００纳米的紫外到近红外波段的波长无关熔融石英透射偏振分束光栅，特点是：入射条件与归一化结构参数不因波长而变化。归一化结构参数为：光栅的占空比为０．５，入射波长与光栅周期的比值为１．７４～１．７５、刻蚀深度与光栅周期的比值为２．２１～２．２２，在上述波段内该光栅具有极高的透射效率和偏振消光比。实际制作本发明专利技术波长无关熔融石英透射偏振分束光栅，可由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，工艺成熟，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及偏振分束光栅，特别是一种紫外到近红外波段的波长无关熔融石英透射偏振分束光栅。
技术介绍
光栅广泛应用于各种光学系统中，其中一个重要的用途是作为分束器件，应用于 全息系统、光信息处理系统和测量系统中。传统的基于多层介质膜的分束器能量损失较大， 制造过程复杂，成本高。近年来兴起的光子晶体作为分束器，也同样存在着成本高，制造困 难等缺点。熔融石英是一种非常好的光学材料，它具有从深紫外到远红外的宽透射谱，有很 高的光学质量，温度稳定性好，激光破坏阈值高，且色散系数小。以熔融石英为材料，已经设 计和制造了低损耗偏振相关、高衍射效率光栅和偏振分束光栅。 一些文献报道过高密度相 位光栅作为偏振分束器件，但设计者多针对单一波长进行设计。入射波长改变时，所设计的 光栅往往并不满足要求，从而需要重新设计。因此如果能利用熔融石英的物理特性，设计波 长无关结构的偏振分束光栅，设计者便不需要在波长改变的情况下重复设计过程，这将非 常具有实际应用价值。 高密度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，具有体光栅的 布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。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. Moharam et al. ， J. Opt. Soc. Am. A. 12， 1077 (1995)， 可以解决这类高密度光栅的衍射问题，但该方法也只能针对单一波长计算出相应的衍射效 率。据我们所知，到目前为止，还没有人在300纳米到1800纳米的紫外到近红外波段内给 出过波长无关深刻蚀熔融石英透射偏振分束光栅的设计参数。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是在300纳米到1800纳米的紫外到近红外波段，提供一种波长无关熔融石英透射偏振分束光栅，要求该光栅在上述紫外到近红外波段内具有高透射率和高偏振消光比。 本专利技术的技术解决方案如下 —种用于300纳米到1800纳米的紫外到近红外波段的波长无关熔融石英透射偏 振分束光栅，其特点在于该光栅的归一化结构参数和光栅入射条件不因波长而改变。该归 一化结构参数为光栅的占空比为O. 5，入射波长与光栅周期的比值为1. 74 1. 75，光栅槽 的刻蚀深度与光栅周期的比值为2. 21 2. 22。 本专利技术的依据如下 图1显示了高密度矩形深刻蚀石英光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率r^ = 1)和熔融石英(折射率rv随入射波长存在色散变化)。光栅矢量K位于入射平面内。TE偏振对应于电场矢量振动方向垂直于入射面，TM偏振光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。当同时含有TE和TM偏振的入射光以利特罗配置(可以表示为6，ams&(A/(2 "i八))，入射角取决于归一化参数(A/A))入射到光栅面上时，该光栅可以将TE偏振光主要衍射到一 1级透射方向，将TM偏振光主要衍射到0级透射方向。 在如图1所示的光栅结构下，本专利技术利用改进的光栅简化模式理论在先技术2 :I.C.Botten et al. ， Opt. Acta， 28， 413-428 (1981)，并采用归一化设计参数来指导设计。具体参数为光栅占空比、入射波长与光栅周期的比值、刻蚀深度与光栅周期的比值。在本专利技术中利用严格耦合波理论在先技术1计算高密度深刻蚀熔融石英光栅分别在0级和-1级透射方向的衍射效率，结合模拟退火算法在先技术3 :W. Goffe et al. ， J. Econom. ，60，65-99(1994)进行优化搜索。最终优化结果显示，当光栅占空比为0. 5，采用利特罗配置入射时，若归一化结构参数满足入射波长与光栅周期的比值为1. 74 1. 75、刻蚀深度与光栅周期的比值为2. 21 2. 22，在300纳米到1800纳米的紫外到近红外波段，光栅能够达到极好的偏振分束效果。具体表现在0级透射方向TM偏振光和-1级透射方向TE偏振光具有高衍射效率，而0级透射方向TE偏振光和-1级透射方向TM偏振光衍射效率接近零。例如，在本专利技术所要求的参数范围内的一个典型范例显示在300纳米到1800纳米波长范围内，如图2所示在0级透射方向TE偏振光衍射效率为0. 06% 0. 86%， TM偏振光衍射效率为97. 5% 98. 97%;在-1级透射方向TE偏振光衍射效率为84. 96% 89. 4X，TM偏振光衍射效率为0. 0004% 0. 57%。分别定义0级和-1级透射方向消光比为inl O级透射TM偏振衍射效率0自，,eg條翻TE偏振衍射效率.，体、沾iw ini一 1级透射TE偏振衍射效率-傻消光比,og —像翻TM偏振衍射效率 上述范例在同样波长范围内的消光比如图3所示。可见在如此宽的波段范围内，O级和-1级透射方向消光比始终高于20db，且-1级透射方向消光比随波长增大而增加。特别是在波长为1064纳米时0级和-1级透射方向消光比相等，均为35. 95db。由于在本专利技术中采用了新型归一化结构参数而不涉及到具体的波长，解决了以往在不同波长入射条件下偏振分束光栅需要重新设计的问题。且在如此宽的波谱范围内具有如此高的消光比，这使得本专利技术能够成为一种非常理想的偏振分束器件。同时由于其简单的矩形光栅结构，非常容易制造，从而使得该光栅具有重要的实用意义。附图说明 图1是本专利技术波长无关熔融石英透射偏振分束光栅的几何结构。 图中，1代表区域1 (折射率为n》，2代表区域2 (折射率为n2) ， 3代表光栅，4代表入射光，5代表0级衍射光，6代表-1级衍射光，两种偏振方向分别为TE和TM， A代表光栅空间周期，h代表光栅槽深，b代表光栅凸起的宽度(占空比f = b/A)。 图2是在本专利技术要求范围内一个范例的TE和TM偏振光分别在0级和_1级透射方向衍射效率随波长变化的曲线(以利特罗配置入射) 图3是图2中范例在0级和-1级透射方向偏振消光比随波长变化的曲线 具体实施例方式利用微光学技术制造高密度深刻蚀矩形光栅，首先在干燥、清洁的熔融石英基片 上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley, S1818, USA)。然后采 用全息记录方式记录光栅，显影，接着再用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，并利 用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定 时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到熔融石英基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去除，就得 到高密度深刻蚀表面浮雕结构的熔融石英光栅。 在制作光栅的过程中，在不同的入射波条件下，根据本专利技术给出的归一化设计参数选择适当的光栅周期及刻蚀深度，就可以制作相应的熔融石英透射偏振分束光栅。 本专利技术波长无关熔融石英透射偏振分束光栅，同时具有高衍射效率、高消光比和高激光破坏阈值的特点，是一种非常理想的偏振分束器件。由于采用归一化参数设计，并不针对单一的入射波长，在本专利技术所选择的波段内具有普适性，而且其结构简单，实现容易。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于３００纳米到１８００纳米的紫外到近红外波段的波长无关熔融石英透射偏振分束光栅，其特征在于：该光栅归一化的结构参数是占空比为０．５，入射波长与光栅周期的比值为１．７４～１．７５、光栅槽的刻蚀深度与光栅周期的比值为２．２１～２．２２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，吕鹏，冯吉军，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]