宽带高效率熔融石英透射偏振相关光栅

摘要

一种800纳米波段的宽带高效率熔融石英透射偏振相关光栅，光栅的占空比为0.5，对于TE偏振光该光栅的周期为680～720纳米、刻蚀深度为1150～1250纳米；对于TM偏振光该光栅的周期为870～890纳米、刻蚀深度为1570～1630纳米。本发明宽带高效率熔融石英透射光栅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。

说明书

技术领域

本专利涉及高效率熔融石英光栅，特别是一种800纳米波段的宽带高效率熔融石英透射偏振相关光栅。

背景技术

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色散元件应用于激光器、飞秒脉冲压缩系统和波分复用系统中。传统的用于飞秒脉冲压缩系统中的宽带高效率光栅多分为两类：一类是正弦型金光栅，其抗损伤阈值较低，仅有0.2J/cm²；另一类是基于背面多层介质膜反射镜的全介质光栅，其带宽相对较窄(约40nm)，此外还存在着成本高，制造困难等缺点。一些文献报道了高效率熔融石英光栅，但主要是用于波长1060纳米的高效率光栅【在先技术1：T.Clausnitzer et al.，App.Opt.42，6934(2003)】。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。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。因此，同时考虑光栅的高效率和宽带特性，并利用熔融石英来制作高损伤阈值的宽带高效率光栅，将是非常合适的。

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2：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。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用的800纳米波段给出宽带高效率高密度深刻蚀熔融石英透射光栅的设计参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对常用800纳米波段的红光，提供一种宽带高效率熔融石英透射偏振相关光栅，该光栅在尽可能保持高效率特性的同时扩展其带宽，且要求其衍射效率在波长800纳米附近尽可能相近。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于800纳米波段的宽带高效率熔融石英透射偏振相关光栅，光栅的占空比为0.5，其特点在于对于TE偏振光该光栅的周期为680～720纳米、刻蚀深度为1150～1250纳米；对于TM偏振光该光栅的周期为870～890纳米、刻蚀深度为1270～1630纳米。

本发明的依据如下：

图1显示了宽带高效率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n₁＝1)和熔融石英(折射率n₂，随入射波长存在色散变化)。光栅矢量K位于入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。入射光以800纳米波长利特罗配置(可以表示为θ＝arcsin(400/Λ/n₁)，入射角随光栅周期改变而改变)入射到光栅面上时，该光栅可以分别对TE偏振光或TM偏振光实现宽带高效率-1级衍射。

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2】计算了高密度深刻蚀熔融石英光栅(占空比为0.5)在红光800纳米波段的-1级衍射效率。依据理论计算得到矩形光栅的初步数值优化结果，对于TE偏振光，当该光栅的周期为680～720纳米、刻蚀深度为1150～1250纳米时，-1级衍射效率-0.5d带宽大于230纳米，平均衍射效率高于89％；对于TM偏振光，该光栅的周期为870～890纳米、刻蚀深度为1570～1630纳米时，-1级衍射效率-0.5db带宽大于165纳米，平均衍射效率高于92％。进一步考虑光栅的衍射效率随波长变化曲线，考察衍射效率在800纳米波长附近的均匀性可知，在本发明光栅参数的特征范围内，相应于不同偏振方向的典型范例可以分别使TE偏振光-1级衍射效率在波长为710纳米至868纳米范围内处于92.0％～94.3％之间，其衍射效率随波长变化曲线显示在图2(a)中；使TM偏振光-1级衍射效率在波长为746纳米至852纳米范围内处于93.5％～95.7％之间，其衍射效率随波长变化的曲线显示在图2(b)中。可见相应的光栅可以分别对TE或TM偏振光实现高效率的宽带衍射，且在相应波长范围内其衍射效率非常接近。如此均匀的宽带衍射效率使得本发明能够成为一种非常理想的飞秒压缩器件，同时由于其简单的矩形光栅结构，使得该光栅具有重要的实用意义。

附图说明

图1是本发明800纳米波段的宽带高效率熔融石英透射光栅的几何结构。

图中，1代表区域1(折射率为n₁)，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，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/Λ)。

图2是在本发明宽带高效率熔融石英透射光栅的-1级衍射效率随波长变化的曲线(TE偏振光以相应利特罗角入射的情况)

图3是在本发明宽带高效率熔融石英透射光栅的-1级衍射效率随波长变化的曲线光栅(TM偏振光以相应利特罗角入射的情况)

图4是全息光栅记录光路。图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表分束镜，10、11、12、13代表反射镜，14、15代表扩束镜，16、17代表透镜，18代表基片。

具体实施方式

利用微光学技术制造宽带高效率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(见图4)，采用He-Cd激光器7(波长为441纳米)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述具体参数设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，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，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得宽带高效率的熔融石英透射光栅。对于TE偏振光该光栅的周期为680～720纳米、刻蚀深度为1150～1250纳米；对于TM偏振光该光栅的周期为870～890纳米、刻蚀深度为1570～1630纳米。光栅的占空比为0.5时，对TE偏振光-1级衍射，本发明可以在波长800纳米附近至少100纳米范围内获得超过90％且非常接近的衍射效率；对于TM偏振光-1级衍射，可以在波长800纳米附近至少80纳米波长范围内获得超过92％且非常接近的衍射效率。如图2和图3所示，对于本发明所要求的光栅参数的特征范围内的典型范例，可以使TE偏振光-1级衍射效率在波长为710纳米至868纳米范围内处于92.0％～94.3％之间；使TM偏振光-1级衍射效率在波长为746纳米至852纳米范围内处于93.5％～95.7％之间，分别对TE或TM偏振光实现高效率的宽带衍射，且在相应波长范围内其衍射效率非常均匀。

本发明的宽带高效率熔融石英透射偏振相关光栅，同时具有宽带、高衍射效率和高激光破坏阈值的特点，是一种非常理想的飞秒脉冲压缩器，而且其结构简单，实现容易。利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可大批量、低成本生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是宽带高效率深刻蚀熔融石英光栅的一种重要的实现技术，具有重要的实用前景。