1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅

摘要

一种用于1064纳米波段的熔融石英透射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为604纳米－624纳米、槽深为1.32微米－1.42微米，光栅的占空比为0.5。该偏振分束光栅只存在－1级和0级衍射，在自准直角设置下，可以将TE偏振和TM偏振入射光分别衍射到－1级与0级透射光束中，透射衍射率分别高于84％和96％，消光比大于20dB。本发明的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅由微细加工法加工而成，可大批量、低成本生产，制作的光栅偏振分束特性好，性能稳定可靠。

说明书

技术领域

本专利涉及一种熔融石英透射偏振分束光栅器件，特别是一种自准直角设置的1064纳米波段亚波长熔融石英偏振分束光栅。

背景技术

1064纳米波段是高强度激光系统的常见光源波长之一，广泛应用于工业、国防和科研领域。在激光系统中常常要用到偏振光分束器，偏振光分束器要求具备高的消光比与衍射效率，宽的角度适应范围和工作波长，性能稳定可靠，不易损伤等。传统的偏振光分束器通常由双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质构成，双折射晶体体积大、效率低，无法满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求，而多层介质膜偏振分束器虽然效率高，但制作工艺复杂，易损伤。随着微加工技术的深入发展，研究人员逐渐发现光栅周期小于入射光波长的亚波长光栅具有优良的偏振特性，且体积小、效率高、易集成，受到人们的广泛关注。张亮等人报道了基于铝金属的亚波长矩形光栅的偏振光分束器的设计【在先技术1：张亮，等，2006中国激光，33467】，由于金属光栅层对激光强吸收产生的热效应，使金属光栅在高强度激光下工作容易被损伤，不能用于强激光系统。熔融石英由于低的吸收系数，热稳定性好，具有高的抗损伤域值，是制备高强度激光偏振分束器的理想材料，王博等人对1550纳米波长的深刻蚀石英光栅偏振分束器的设计进行了报道【在先技术2：Wang B et al.，2007 OpticsLetters 32 1299】。

亚波长熔融石英光栅是利用微细加工法，在熔融石英基底上加工出光栅周期小于工作波长的亚波长光栅。由于周期小于入射光波长，即工作波长，光栅只存在-1级和0级衍射，通过对光栅参数进行优化设计，可使光栅具有优良的偏振分束性能。亚波长光栅的衍射特性的计算分析，不能采用标量衍射理论，而必须采用矢量光栅电磁理论。矢量光栅电磁理论是基于麦克斯韦方程并结合光栅边界条件，通过计算机仿真进行精确的求解。Moharam等人已给出了基于矢量光栅电磁理论的严格耦合波理论的算法【在先技术3：Moharam MG et al.，1995J.Opt.Soc.Am.A 12 1077】，可以解决这类亚波长熔融石英光栅的衍射问题。在先技术4【授权发明专利号：2006100234207】给出了实现偏振分束的深刻蚀矩形光栅装置，在先技术5【授权发明专利号：200510026558.8】给出了基于1053纳米波段的石英透射光栅装置。据我们所知，目前没有人针对1064纳米波段给出亚波长熔融石英透射偏振分束光栅。因此能够实现具有高消光比和衍射效率、宽入射角和工作波长的亚波长石英透射偏振分束光栅，将具有重要的实用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的1064纳米波段亚波长熔融石英透射偏振分束光栅，该光栅可以将TE、TM两种偏振模式相互垂直的一束光分解为TE偏振(电矢量平行于光栅刻槽)和TM偏振(电矢量垂直于光栅刻槽)不同传输方向的两束线偏振光。对1064nm波长的入射光，-1级与0级透射衍射效率分别超过84％和96％，透射消光比均高于20dB。本发明的1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅，可以大批量、低成本的生产，刻蚀后的光栅偏振分束特性优良，性能稳定可靠。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为604纳米-624纳米、刻槽深度为1.32微米-1.42微米、光栅占空比，即光栅脊与光栅周期之比为0.5。

所述的1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅的周期为614纳米，刻槽深度为1.37微米。

本发明的依据如下：

图1显示了矩形亚波长熔融石英透射偏振分束光栅的几何结构。区域1和区域2分别为均匀的空气(折射率n₁＝1.0)和熔融石英(折射率n₂＝1.4446)。区域1与区域2之间为周期结构的光栅层，光栅周期Λ＝-mλ/(2n₁×sinθ)，m为自准直角设置时的共线衍射级次，本发明设置自准直为-1级反射衍射光，则m＝-1；n₁为光栅入射区(区域1)介质折射率；λ代表入射光波长，θ为自准直入射角，λ为入射光波长。TE偏振和TM偏振的线性偏振平面波以角度(自准直角设置，即设置为-1级反射光沿入射光的方向返回)入射。-1级与0级衍射光的透射消光比分别定义为T_ext＝10×log₁₀(η_TE/η_TM)与T_ext＝10×log₁₀(η_TM/η_TE)，η_TE和η_TM分别为TE与TM偏振透射光的衍射效率。

在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术3】计算了亚波长熔融石英偏振分束光栅在1064纳米波长处的消光比和衍射效率。如图2、3所示，依据理论计算得到高消光比矩形亚波长熔融石英透射偏振分束光栅的优化参数，即当光栅的周期为604纳米-624纳米、刻蚀深度为1.32微米-1.42微米时，偏振分束光栅的透射消光比大于20dB，-1级TE偏振与0级TM偏振透射衍射率分别高于84％和96％。特别是光栅周期为614纳米、刻蚀深度为1.37微米时，可以使透射消光比分别达到30dB和40dB，透射衍射率分别达到88.3％和98.4％。

如图4所示，光栅周期为614纳米，刻蚀深度为1.37微米，入射波长λ＝1064纳米，该偏振分束光栅在57.4°<θ<62.3°入射角范围内所有入射角的消光比均可高于20dB，即对应4.9度的角度带宽，-1级TE偏振和0级TM偏振透射衍射率分别高于85.6％与98.1％。

如图5所示，周期为614纳米，刻蚀深度为1.37微米，自准直入射角θ＝60度，该偏振分束光栅在1044纳米<λ<1099纳米入射波长范围内所有入射光的消光比均可高于20dB，即对应55纳米的波长带宽，-1级TE偏振和0级TM偏振透射衍射率分别高于85％与99％。

附图说明

图1为本发明1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅的几何结构。

图2为本发明1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅在不同光栅周期和刻蚀深度下的消光比，自准直角θ＝60度，入射波长λ＝1064纳米，占空比f＝0.5。

图3为本发明1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅在优化光栅周期Λ＝614纳米下，光栅0级透射消光比随刻蚀深度的变化曲线，入射角θ＝60度，入射波长λ＝1064纳米，占空比f＝0.5。

图4为本发明1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅在周期为614纳米，刻蚀深度为1.37微米，入射波长λ＝1064纳米，TE/TM偏振的-1级和0级透射衍射效率随入射角的变化曲线。

图5为本发明1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅在周期为614纳米，刻蚀深度为1.37微米，自准直入射角θ＝60度，TE/TM偏振的-1级和0级透射衍射效率随入射光波长的变化曲线。

图6为全息曝光记录光栅的光路图。图中1代表氦镉激光器，2代表快门，3代表反射镜，4代表扩束镜，5代表透镜，6代表分束镜，7代表石英基片。

具体实施方式

通过微细加工法制作亚波长熔融石英透射偏振分束光栅。制作过程包括：石英基片镀铬→涂光刻胶→曝光→显影→刻蚀→去除残余铬膜等步骤。首先在清洁、干燥的熔融石英基本上沉积一层均匀的铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶。然后采用全息曝光记录光栅，如图6所示，He-Cd激光器，波长为441纳米，发出两束平面波以2θ夹角在石英基片上形成干涉场，夹角通过公式θ＝sin^-1[λ/(2×Λ)]确定，其中λ为记录光波长，Λ为所需加工的光栅周期。曝光完成后，进行显影，并用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂去出多余的光刻胶。最后，采用等离子体刻蚀方法将光栅图案转移到石英基片上，并去出残余铬膜，就得到表面浮雕结构的矩形石英光栅。

按以上步骤制作的光栅，在自准直角θ＝60度，波长工作为1064纳米时，根据表1，适当选择光栅刻蚀深度和周期，就能得到高衍射效率、高消光比的亚波长石英透射偏振分束光栅，可以使TE偏振和TM偏振入射光的-1级与0级透射衍射率分别达到88.3％和98.4％。在入射角57.4°<θ<62.3°和入射波长1044纳米<λ<1099纳米范围内消光比均高于20dB。

本发明的1064纳米波段的亚波长熔融石英透射偏振分束光栅，只存在-1级和0级衍射，具有很高的消光比和衍射效率，利用微细加工法制作，可大批量、低成本生产，制作的光栅偏振分束特性优良，抗损伤域值高，性能稳定可靠，是偏振分束器的一种重要的实现技术。

表1 不同光栅刻槽深度和周期时的衍射效率及透射消光比