專利名稱：800納米波段背入射式高密度石英反射光柵的制作方法
技術領域：
本專利涉及反射光柵，特別是一種應用于800納米波段的的半導體激光或者以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的反射器件的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
背景技術：
半導體激光器由于體積小，重量輕，能量轉換效率高等優點，得到了廣泛的應用，其中800納米波段的半導體激光器是最常用的激光器。因此，針對800納米波段的高效率光柵器件，具有重要的應用價值。此外，衍射光柵作為色散元件對于飛秒激光脈沖也有很多重要應用，如時空變換技術中對脈沖進行整形，光參量啁啾脈沖放大技術(OPCA)中對脈沖進行壓縮和展寬等。目前飛秒激光主要由鈦寶石激光器產生，中心波長在800納米左右，因此針對飛秒激光的以800納米為中心的高效率的衍射光柵器件具有重要的應用價值。
反射光柵要求有能夠接近100％的衍射效率和盡可能高的破壞閾值。金屬光柵利用金屬具有較高的反射率而被廣泛采用，其衍射效率常在90％以上。但是由于金屬存在吸收損耗，金屬光柵的衍射效率不可能無限提高，而吸收的光能轉化為熱能，使得破壞閾值降低。利用電介質材料制作的光柵對光的吸收很小，但是實現高衍射效率的介質光柵很難制作。透射式石英光柵其衍射效率若達到90％以上需要有很高的刻槽線密度，1000線/毫米以上，光柵的深度也需要達到1微米以上，制作如此高深寬比的石英光柵必須依靠先進的微電子深刻蝕工藝。雖然淺刻蝕的表面浮雕光柵鍍上電介質反射膜層后可以進一步提高衍射效率，但是反射膜層的設計及制作相當復雜。J.R.Marciante等人報道了一種新型的高效率的背入射式反射光柵，見先技術1J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，該類型光柵(TIR光柵)利用內部全反射效應(TIR，total internal reflection)，即光從光密介質射向光疏介質時，若入射角滿足全反射條件，則光疏介質中將沒有透射光，入射光的能量全部集中到反射光上。所謂的背入射式光柵，又稱浸入式光柵(the immersed grating)，本文稱為背入射式光柵，指光不是從光柵的正面，即有光柵槽的一面入射，而是從光柵基底的背面入射。通過對光柵周期及深度的優化選擇，該背入射式光柵的1級反射衍射效率可以達到99.99％以上，幾乎接近完全反射。TIR光柵的優點是衍射效率與光柵的槽形無關；直接在電介質材料上(往往利用石英)刻蝕出淺浮雕形的光柵結構；吸收損耗與金屬相比非常小；由于衍射效率已經很高，所以不需要在光柵表面鍍高反射介質膜。
本發明采用矩形結構光柵的計算模型。高密度光柵的衍射理論，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，見在先技術2M.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。但據我們所知，沒有人針對800納米波段的半導體激光和以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光設計制造800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光或800納米波段的半導體激光提供一種800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，該光柵可以在TE或TM偏振模式下實現800納米波長一級反射衍射效率大于90％。
本發明的技術解決方案如下一種用于反射800納米波段的半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為346～396納米，光柵的深度為260～300納米，光柵的占空比為1/2。所述的光柵的周期為366納米，光柵的深度為280納米的表面浮雕結構。
一種用于反射800納米波段的半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為331～381納米，光柵的深度為360～440納米，光柵的占空比為1/2。所述的光柵的周期為346納米，光柵的深度為380納米的表面浮雕結構。
圖1是本發明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵的幾何結構。
圖2是本發明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為366納米、光柵深度280納米，占空比為1/2，在800納米附近的波段內使用時TE模式偏振光以48.91°角度入射(針對800納米波長的TIR光柵)及各個波長以相應的Littrow角度。
圖3是本發明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為346納米、光柵深度380納米，占空比為1/2，在800納米附近的波段內使用時TM模式偏振光以52.87°角度入射(針對800納米波長的TIR光柵)及各個波長以相應的Littrow角度入射下(TIR(Littrow)光柵)一級反射衍射效率(％)。
圖4是全息光柵的記錄光路。
具體實施例方式
本發明的依據如下圖1顯示了800納米波段背入射式高密度石英反射光柵的幾何結構。區域1，2都是均勻的，分別為石英(折射率n1＝1.45332)和空氣(折射率n2＝1)。光柵矢量K位于入射平面內。TE偏振入射光對應于電場矢量的振動方向垂直于入射面；TM偏振入射光對應于磁場矢量的振動方向垂直于入射面。一線性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*∧))入射，定義為Littrow條件，即衍射光沿原入射光的方向返回的條件，λ代表入射波長，∧代表光柵周期。根據光柵衍射方程及全反射條件，∧應滿足條件n1>λ2Λ>n2.]]>在如圖1所示的光柵結構下，本發明采用在先技術2嚴格耦合波理論計算了石英光柵，占空比為1/2在800納米附近的多波長光入射下，1級反射衍射效率。我們得到如下結論如圖2所示，TE偏振模式的入射光以48.91°角度(對應于λ＝800納米)入射到TIR光柵時，該光柵的周期為366納米，深度為280納米，1級反射衍射效率在800納米波長處為100％(暫不考慮介質的吸收損耗)，而且在793-808納米波長段內，即16納米的譜寬范圍內衍射效率可以達到99％以上，而在779-831納米波長段內，即53納米的譜寬范圍內衍射效率保持在90％以上。若考慮在800納米附近的波段內的所有波長各自以對應的Littrow角度入射，則在783-816納米波長段內，即34納米的譜寬范圍內衍射效率可以達到99％以上，而在732-853納米波長段內，即122納米的譜寬范圍內衍射效率保持在90％以上。
如圖3所示，TM偏振模式的入射光以52.87°角度(對應于λ＝800納米)入射到TIR光柵時，該光柵的周期為346納米，深度為380納米，1級反射衍射效率在800納米波長處為100％(暫不考慮介質的吸收損耗)，而且在792-808納米波長段內即17納米的譜寬范圍內衍射效率可以達到99％以上，而在775-828納米波長段內即54納米的譜寬范圍內衍射效率保持在90％以上。若考慮在800納米附近的波段內的所有波長各自以對應的Littrow角度入射，則在773-817納米波長段內，即45納米的譜寬范圍內衍射效率可以達到99％以上，而在709-846納米波長段內，即138納米的譜寬范圍內衍射效率保持在90％以上。
利用微光學技術制造高密度矩形光柵，首先采用全息記錄方式記錄光柵(見圖6)利用He-Cd激光器(波長為0.441μm)發出兩束平面波以2θ夾角在基片上形成干涉場。我們采用涂覆有MICROPOSIT系列1818光刻膠的玻璃片作為記錄基片，∧代表光柵的空間周期，即相鄰條紋的間距，其大小為∧＝λ/(2*sinθ)，其中，λ為記錄光波長，在實驗中采用0.441μm。記錄角θ越大，則∧越小，所以通過改變θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述效率圖設計)，記錄高密度光柵。例如∧＝346微米時，記錄角θ為39.59°，接著，把光刻膠上的圖案通過微電子刻蝕技術(濕化學或反應離子干法刻蝕)轉移到石英基片上，洗去光刻膠后得到高密度表面浮雕結構的石英光柵。
表1給出了本發明一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵周期及光柵深度，就可以得到在TE偏振模式下對800納米波長的高衍射效率的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
例如，當TIR光柵的周期為366納米，深度為280納米時，光柵的占空比為1/2，光柵的一級反射衍射效率η高達100％(暫不考慮介質的吸收損耗)。
表2給出了本發明另一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵周期及光柵深度，就可以得到在TM偏振模式下對800納米波長的高衍射效率的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
例如，當TIR光柵的周期為346納米，深度為380納米時，光柵的占空比為1/2，光柵的一級反射衍射效率η高達100％(暫不考慮介質的吸收損耗)。
本發明的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵對以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光或800納米波段的半導體激光具有很高的反射衍射效率，不需要考慮光柵槽形的結構，也不必鍍金屬膜或介質膜，充分利用全息光柵記錄技術、微電子光刻技術，可以大批量、低成本地生產，刻蝕后的光柵性能穩定、可靠，是高衍射效率反射光柵的一種重要的實現技術。
表1 TE偏振模式下1級反射衍射效率η(％)[d為光柵深度(微米)，∧為光柵周期(納米)] 表2 TM偏振模式下1級布拉格透射衍射效率η(％)[d為光柵深度(微米)，∧為光柵周期(納米)]
權利要求
1.一種用于反射800納米波段半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為346～396納米，光柵的深度為260～300納米，光柵的占空比為1/2。
2.根據權利要求1所述的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為366納米，光柵的深度為280納米。
3.根據權利要求1所述的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述光柵的周期為331～381納米，光柵的深度為360～440納米。
4.根據權利要求3所述的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為346納米，光柵的深度為380納米。
全文摘要
一種用于高衍射效率反射800納米波段半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特點在于當該光柵的周期為346～396納米，光柵的深度為260～300納米，光柵的占空比為1/2，本發明可以使在TE偏振光入射下1級反射衍射效率對800納米波長實現高于90％的結果；當該光柵的周期為331～381納米，光柵的深度為360～440納米，光柵的占空比為1/2，本發明可以使在TM偏振光入射下1級反射衍射效率對800納米波長實現高于90％的結果。本發明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵由光學全息記錄技術或電子束直寫裝置結合微電子光刻工藝加工而成，可以低成本、大批量生產。
文檔編號H01S5/00GK1588133SQ20041005290
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月16日 優先權日2004年7月16日
發明者周常河, 張妍妍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所