專利名稱：波長無關熔融石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術領域：
本發明涉及偏振分束光柵，特別是一種紫外到近紅外波段的波長無關熔融石英透
射偏振分束光柵。
背景技術：
光柵廣泛應用于各種光學系統中，其中一個重要的用途是作為分束器件，應用于 全息系統、光信息處理系統和測量系統中。傳統的基于多層介質膜的分束器能量損失較大， 制造過程復雜，成本高。近年來興起的光子晶體作為分束器，也同樣存在著成本高，制造困 難等缺點。熔融石英是一種非常好的光學材料，它具有從深紫外到遠紅外的寬透射譜，有很 高的光學質量，溫度穩定性好，激光破壞閾值高，且色散系數小。以熔融石英為材料，已經設 計和制造了低損耗偏振相關、高衍射效率光柵和偏振分束光柵。 一些文獻報道過高密度相 位光柵作為偏振分束器件，但設計者多針對單一波長進行設計。入射波長改變時，所設計的 光柵往往并不滿足要求，從而需要重新設計。因此如果能利用熔融石英的物理特性，設計波 長無關結構的偏振分束光柵，設計者便不需要在波長改變的情況下重復設計過程，這將非 常具有實際應用價值。 高密度矩形深刻蝕光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有較深槽 形的光柵。由于表面刻蝕光柵的刻蝕深度較深，所以衍射性能類似于體光柵，具有體光柵的 布拉格衍射效應，這一點與普通的表面淺刻蝕平面光柵完全不同。高密度矩形深刻蝕光柵 的衍射理論，不能由簡單的標量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方 程并結合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地計算出結果。Moharam等人已給出了嚴格 耦合波理論的算法在先技術1 :M. G. Moharam et al. ， J. Opt. Soc. Am. A. 12， 1077 (1995)， 可以解決這類高密度光柵的衍射問題，但該方法也只能針對單一波長計算出相應的衍射效 率。據我們所知，到目前為止，還沒有人在300納米到1800納米的紫外到近紅外波段內給 出過波長無關深刻蝕熔融石英透射偏振分束光柵的設計參數。
發明內容
本發明要解決的技術問題是在300納米到1800納米的紫外到近紅外波段，提供一
種波長無關熔融石英透射偏振分束光柵，要求該光柵在上述紫外到近紅外波段內具有高透
射率和高偏振消光比。 本發明的技術解決方案如下 —種用于300納米到1800納米的紫外到近紅外波段的波長無關熔融石英透射偏 振分束光柵，其特點在于該光柵的歸一化結構參數和光柵入射條件不因波長而改變。該歸 一化結構參數為光柵的占空比為O. 5，入射波長與光柵周期的比值為1. 74 1. 75，光柵槽 的刻蝕深度與光柵周期的比值為2. 21 2. 22。
本發明的依據如下 圖1顯示了高密度矩形深刻蝕石英光柵的幾何結構。區域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率r^ = 1)和熔融石英(折射率rv隨入射波長存在色散變化)。光柵矢量K位于入射平面內。TE偏振對應于電場矢量振動方向垂直于入射面，TM偏振光對應于磁場矢量的振動方向垂直于入射面。當同時含有TE和TM偏振的入射光以利特羅配置(可以表示為6，ams&(A/(2 "i八))，入射角取決于歸一化參數(A/A))入射到光柵面上時，該光柵可以將TE偏振光主要衍射到一 1級透射方向，將TM偏振光主要衍射到0級透射方向。
在如圖1所示的光柵結構下，本發明利用改進的光柵簡化模式理論在先技術2 :I.C.Botten et al. ， Opt. Acta， 28， 413-428 (1981)，并采用歸一化設計參數來指導設計。具體參數為光柵占空比、入射波長與光柵周期的比值、刻蝕深度與光柵周期的比值。在本發明中利用嚴格耦合波理論在先技術1計算高密度深刻蝕熔融石英光柵分別在0級和-1級透射方向的衍射效率，結合模擬退火算法在先技術3 :W. Goffe et al. ， J. Econom. ，60，65-99(1994)進行優化搜索。最終優化結果顯示，當光柵占空比為0. 5，采用利特羅配置入射時，若歸一化結構參數滿足入射波長與光柵周期的比值為1. 74 1. 75、刻蝕深度與光柵周期的比值為2. 21 2. 22，在300納米到1800納米的紫外到近紅外波段，光柵能夠達到極好的偏振分束效果。具體表現在0級透射方向TM偏振光和-1級透射方向TE偏振光具有高衍射效率，而0級透射方向TE偏振光和-1級透射方向TM偏振光衍射效率接近零。例如，在本發明所要求的參數范圍內的一個典型范例顯示在300納米到1800納米波長范圍內，如圖2所示在0級透射方向TE偏振光衍射效率為0. 06% 0. 86%， TM偏振光衍射效率為97. 5% 98. 97%;在-1級透射方向TE偏振光衍射效率為84. 96% 89. 4X，TM偏振光衍射效率為0. 0004% 0. 57%。分別定義0級和-1級透射方向消光比為
inl O級透射TM偏振衍射效率0自，,eg條翻TE偏振衍射效率.
，體、沾iw ini一 1級透射TE偏振衍射效率-傻消光比,og —像翻TM偏振衍射效率 上述范例在同樣波長范圍內的消光比如圖3所示。可見在如此寬的波段范圍內，O級和-1級透射方向消光比始終高于20db，且-1級透射方向消光比隨波長增大而增加。特別是在波長為1064納米時0級和-1級透射方向消光比相等，均為35. 95db。由于在本發明中采用了新型歸一化結構參數而不涉及到具體的波長，解決了以往在不同波長入射條件下偏振分束光柵需要重新設計的問題。且在如此寬的波譜范圍內具有如此高的消光比，這使得本發明能夠成為一種非常理想的偏振分束器件。同時由于其簡單的矩形光柵結構，非常容易制造，從而使得該光柵具有重要的實用意義。
圖1是本發明波長無關熔融石英透射偏振分束光柵的幾何結構。 圖中，1代表區域1 (折射率為n》，2代表區域2 (折射率為n2) ， 3代表光柵，4代表
入射光，5代表0級衍射光，6代表-1級衍射光，兩種偏振方向分別為TE和TM， A代表光柵
空間周期，h代表光柵槽深，b代表光柵凸起的寬度(占空比f = b/A)。 圖2是在本發明要求范圍內一個范例的TE和TM偏振光分別在0級和_1級透射方向衍射效率隨波長變化的曲線(以利特羅配置入射) 圖3是圖2中范例在0級和-1級透射方向偏振消光比隨波長變化的曲線
具體實施例方式
利用微光學技術制造高密度深刻蝕矩形光柵，首先在干燥、清潔的熔融石英基片 上沉積一層金屬鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠(Shipley, S1818, USA)。然后采 用全息記錄方式記錄光柵，顯影，接著再用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉移到鉻膜上，并利 用化學試劑將多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應耦合等離子體刻蝕機中進行一定 時間的等離子體刻蝕，把光柵轉移到熔融石英基片上，再用去鉻液將剩余的鉻膜去除，就得 到高密度深刻蝕表面浮雕結構的熔融石英光柵。 在制作光柵的過程中，在不同的入射波條件下，根據本發明給出的歸一化設計參
數選擇適當的光柵周期及刻蝕深度，就可以制作相應的熔融石英透射偏振分束光柵。 本發明波長無關熔融石英透射偏振分束光柵，同時具有高衍射效率、高消光比和
高激光破壞閾值的特點，是一種非常理想的偏振分束器件。由于采用歸一化參數設計，并不
針對單一的入射波長，在本發明所選擇的波段內具有普適性，而且其結構簡單，實現容易。
利用全息光柵記錄技術或電子束直寫裝置結合微電子深刻蝕工藝，可大批量、低成本生產，
刻蝕后的光柵性能穩定、可靠，具有重要的實用前景。
權利要求
一種用于300納米到1800納米的紫外到近紅外波段的波長無關熔融石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵歸一化的結構參數是占空比為0.5，入射波長與光柵周期的比值為1.74～1.75、光柵槽的刻蝕深度與光柵周期的比值為2.21～2.22。
全文摘要
一種用于波長從300納米到1800納米的紫外到近紅外波段的波長無關熔融石英透射偏振分束光柵，特點是入射條件與歸一化結構參數不因波長而變化。歸一化結構參數為光柵的占空比為0.5，入射波長與光柵周期的比值為1.74～1.75、刻蝕深度與光柵周期的比值為2.21～2.22，在上述波段內該光柵具有極高的透射效率和偏振消光比。實際制作本發明波長無關熔融石英透射偏振分束光柵，可由光學全息記錄技術或電子束直寫裝置結合微電子深刻蝕工藝加工而成，工藝成熟，造價小，能大批量生產，具有重要的實用前景。
文檔編號G02B5/18GK101738663SQ20091020084
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者馮吉軍, 呂鵬, 周常河 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所