波长无关熔融石英透射１×２偏振无关分束光栅制造技术

一种波长无关熔融石英透射１×２偏振无关分束光栅，适用于波长从６００纳米到１８００纳米的可见光到近红外波段，光栅的占空比为０．５，入射条件与归一化结构参数不因波长而变化。相应归一化结构参数为：入射波长与光栅周期的比值为１．４７～１．４８，光栅槽的刻蚀深度与光栅周期的比值为３．２０～３．２１。在上述波段内该光栅具有很好的偏振无关分束效果，尤其在１０６４纳米波长时可将ＴＥ或ＴＭ两种偏振光等强度的分束到０级和－１级。实际制作本发明专利技术波长无关熔融石英透射１×２偏振无关分束光栅，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】

本专利涉及偏振无关分束光栅，特别是一种可见光到近红外波段的波长无关熔融 石英透射1 X 2偏振无关分束光栅。
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。偏振无关分束器，即能够将入射光中互相垂直的 TE和TM偏振等强度的分束到不同方向的器件。传统的基于多层介质膜和光子晶体的分束 器，都存在着成本高，制造困难等缺点。熔融石英具有从深紫外到远红外的宽透射谱，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1 X 2偏 振无关分束器件，但多针对单一波长进行设计。当入射波长改变时，便需要重新进行设计以 满足相应的需求。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无关分 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。其衍射效率的理论计算， 也不能使用简单的标量光栅衍射方程，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，但也只能针对单一波长计算衍射效率。据我们所知，到目前为止，还 没有人在600纳米到1800纳米的可见光到近红外波段内，给出过波长无关深刻蚀熔融石英 透射1 X2偏振无关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600纳米到1800纳米的可见光到近红外波段，提供 一种波长无关熔融石英透射1X2偏振无关分束光栅。在上述可见光到近红外波段内，要求 该光栅两个透射方向上具有高衍射效率和低衍射效率差。 本专利技术的技术解决方案如下 —种用于600纳米到1800纳米的可见光到近红外波段的波长无关熔融石英透 射1X2偏振无关分束光栅，光栅的占空比为0.5，其特点在于光栅入射条件和归一化结 构参数不因波长而改变，该分束光栅的归一化结构参数是入射波长与光栅周期的比值为 1. 47 1. 48，光栅槽的刻蚀深度与光栅周期的比值为3. 20 3. 21。 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A = 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S f arcs/rt(;i/(2 m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或TM偏振光分别近似等强度的衍射到0级和-1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简化光栅模式理论在先技术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1 X 2偏 振无关分束光栅设计。具体归一化参数为光栅占空比、入射波长与光栅周期的比值和刻蚀 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. 47 1. 48，刻蚀深度与光栅周期的比值为3. 20 3. 21，在600纳米到1800纳米的可 见光到近红外波段，光栅能够达到极好的偏振无关分束效果。具体表现在TE和TM偏振光衍 射效率分别在0级和-1级透射方向具有高衍射效率和低衍射效率差。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600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44. 01 % 50. 65%， TM偏振光衍射效率为46. 59 % 52. 24% ;在-1级透射方向TE偏振光衍射效率为44. 06 50. 92%， TM偏振光衍射效率为 46. 47% 52. 19%。各衍射效率与理想情况下的50%仅有轻微偏离。特别在波长为1064纳 米时，TE(TM)偏振光在0级和-1级两个方向上的具有相等的衍射效率47. 4% (49. 37% )， 达到理想的偏振无关分束效果。如果分别计算TE和TM两种偏振光在-1级与0级透射方 向上的衍射效率差，上述范例在同样波长范围内如图3所示。尽管偏离波长1064纳米后衍 射效率差逐渐变大，但在如此宽的波段内衍射效率差始终低于6. 91 % ，这对于精确参数的 优化搜索有着重要的指导意义。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，在实际设计中可以直接在本专利技术给出的参数范围内选择优化初值进行进一步搜 索，极大简化了熔融石英透射1X2偏振无关分束光栅的设计过程。同时本专利技术简单的矩形 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1X2偏振无关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-1级与0级透射方向衍射效率差随波长变化的曲线 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，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，如果要在不同的入射波条件下得到最优化的设计参数，可 以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初始值，再利用模拟 褪火算法在先技术3进一步优化搜索。并可以制作相应的熔融石英透射1X2偏振无关 分束光栅。 本专利技术波长无关熔融石英透射1X2偏振无本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于６００纳米到１８００纳米的可见光到近红外波段的波长无关熔融石英透射１×２偏振无关分束光栅，光栅的占空比为０．５，其特征在于该分束光栅的归一化结构参数为：入射波长与光栅周期的比值为１．４７～１．４８，光栅槽的刻蚀深度与光栅周期的比值为３．２０～３．２１。

【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]