專利名稱：532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術領域：
本專利涉及石英透射光柵，特別是一種針對綠光532納米波長的高消光比、高衍射效率的532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵。
背景技術：
在許多光學信息處理系統(tǒng)中，偏振分束器是一種關鍵元件，它可以將光分成兩束偏振模式相互垂直的偏振光。大多數(shù)應用中，人們往往需要高消光比、高透射率或反射率、較寬的可操作波長范圍和角度帶寬、體積小的偏振分束器。傳統(tǒng)的偏振分束器是基于一些晶體的自然雙折射效應(例如Thomson棱鏡、Nicol棱鏡和Wollaston棱鏡)或者多層介質膜的偏振選擇性。但是，利用雙折射晶體所制成的偏振分束器體積大、價格昂貴；而薄膜偏振分束器一般工作帶寬較小，薄膜層數(shù)達到幾十層，對均勻性和對稱性要求較嚴，加工較難，高消光比元件的成本很高。隨著微制造技術的快速發(fā)展，亞波長光柵所表現(xiàn)出來的特有的光學效應越來越受到人們的廣泛關注。近來，一些研究工作報道了表面浮雕型光柵作為偏振分束器。與其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光柵結構緊湊，易于小型化和集成化，并且插入損耗小，是一種無源器件。尤其是深刻蝕熔融石英光柵，損傷閾值很高，熱膨脹系數(shù)小，能夠在高強度激光和對穩(wěn)定性要求嚴格的環(huán)境中工作。偏振分束光柵的制造可以借助成熟的微電子工藝技術，造價小，能夠大量生產，具有重要的實用前景。
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，具有高效率的體光柵布拉格衍射效應，這一點與普通的表面淺刻蝕的平面光柵完全不同。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1M.G.Moharamet 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，沒有人針對常用綠光波長532納米給出深刻蝕高密度石英透射偏振分束光柵的設計參數(shù)。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對常用綠光波長532納米提供一種532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，該光柵可以將TE、TM兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向，實現(xiàn)0級和1級衍射光消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％。因此能夠實現(xiàn)高消光比、高衍射效率深刻蝕熔融石英透射偏振分束光柵，具有重要的實用意義。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度1.580-1.630微米，光柵的占空比為1/2。
所述的532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵的周期為404納米，光柵的刻蝕深度為1.605微米。


圖1是本發(fā)明532納米波長的石英透射偏振分束光柵的幾何結構。在圖中，1代表光柵，2代表區(qū)域1(折射率為n1)，3代表區(qū)域2(折射率為n2)，4代表入射光，5代表TE模式下的0級衍射光，6代表TM模式下的1級衍射光。
圖2是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071，光柵占空比為1/2)在不同光柵周期和刻蝕深度下的消光比(10的次冪)。
圖3是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071，光柵占空比為1/2)在優(yōu)化光柵周期下(Λ＝404nm)，消光比隨著刻蝕深度的變化曲線。
圖4是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071)光柵周期為404納米、光柵深度1.605微米，占空比為1/2，在532納米波段附近使用，各個波長以相應的Littrow角度入射到光柵時，TE/TM模式下的透射衍射效率。
圖5是本發(fā)明透射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.46071)光柵周期為404納米、光柵深度1.605微米，占空比為1/2，入射光以41.18°角度(對應于λ＝532納米)附近入射到光柵時，TE/TM模式下的透射衍射效率。
圖6是全息光柵的記錄光路。在圖中7代表氦鎘激光器，8代表快門，9代表分束鏡，10、11、12、13代表反射鏡，14、15代表擴束鏡，16、17代表透鏡，18代表基片。
具體實施例方式
利用微光學技術制造高密度矩形偏振分束光柵，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(見圖6)，采用He-Cd激光器7(波長為0.441μm)作為記錄光源。記錄全息光柵時，快門8打開，從激光器發(fā)出的窄光束經過分束鏡9分成兩窄光束。一束通過反射鏡10后，經過擴束鏡14、透鏡16形成寬平面波；另一束通過反射鏡11后，經過擴束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束平面波分別經過反射鏡12、13后，以2θ夾角在基片18上形成干涉場。光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)可以表示為Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ為記錄光波長。記錄角θ越大，則Λ越小，所以通過改變θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述消光比和效率圖設計)，記錄高密度光柵。接著，顯影后，用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉移到鉻膜上，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，把光柵轉移到石英基片上，再用去鉻液將鉻膜去除，就得到高密度表面浮雕結構的石英光柵。
表1給出了本發(fā)明一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的矩形石英偏振分束光柵。由表1并結合圖2、3可知，該光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度為1.580-1.630微米時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％，實現(xiàn)了將兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向。特別是光柵周期為404納米，刻蝕深度為1.605微米時，本發(fā)明可以使偏振分束光柵的消光比達到1.01×104，TE偏振光0級透射衍射效率為97.13％，TM偏振光1級透射衍射效率為97.77％。
本發(fā)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(qū)域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率n1＝1)和石英(折射率n2＝1.46071)。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*Λ))入射(定義為Littrow條件)，λ代表入射波長，Λ代表光柵周期。該偏振分束光柵的消光比定義為0級透射衍射光中TE、TM偏振模式效率之比和1級透射衍射光中TM、TE偏振模式效率之比中較小的一值。
在如圖1所示的光柵結構下，本發(fā)明采用嚴格耦合波理論在先技術1計算了深刻蝕熔融石英光柵(占空比為1/2)在綠光532納米波段的消光比和衍射效率。如圖2、3所示，依據理論計算得到高消光比、高衍射效率矩形光柵的數(shù)值優(yōu)化結果，即當光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度為1.580-1.630微米時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％。特別是光柵周期為404納米，刻蝕深度為1.605微米時，可以使偏振分束光柵的消光比達到1.01×104，TE偏振光0級透射衍射效率為97.13％，TM偏振光1級透射衍射效率為97.77％。
如圖4所示，光柵的周期為404納米，深度為1.605微米，若考慮532納米附近兩種偏振模式的入射光各自以對應的Littrow角度入射到光柵時，該偏振分束光柵在522-543納米波長范圍內所有波長的消光比均可以達到100以上，即對應于21納米的譜寬范圍，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.08％和96.04％。
如圖5所示，TE/TM偏振模式的入射光以41.18°角度(對應于λ＝532納米)附近入射到光柵時，光柵的周期為404納米，深度為1.605微米，該偏振分束光柵在40.26°-42.22°角度范圍內所有入射角的消光比均可以達到100以上，即對應于1.96°的角度帶寬，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于97.08％和96.54％。
本發(fā)明的高密度石英透射光柵作為偏振分束器，具有很高的消光比和透射效率，不必鍍金屬膜或介質膜，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，可以大批量、低成本地生產，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是偏振分束器的一種重要的實現(xiàn)技術。
表1532納米波長入射下，0級、+1級布拉格透射衍射效率η和消光比，d為光柵深度，Λ為光柵周期

權利要求
1.一種532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為395-412納米、刻蝕深度為1.580-1.630微米，光柵的占空比為1/2。
2.根據權利要求1所述的532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，其特征在于所述的光柵的周期為404納米，光柵的刻蝕深度為1.605微米。
全文摘要
一種532納米波長的高密度深刻蝕石英透射偏振分束光柵，該光柵的周期為395－412納米、刻蝕深度為1.580－1.630微米，光柵的占空比為1/2。其TE偏振光和TM偏振光分別在0級和1級透射，該偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的1級透射衍射效率分別高于95.42％和96.10％，特別是光柵周期為404納米，刻蝕深度為1.605微米時，消光比達到1.01×10
文檔編號G02B5/18GK1821817SQ200610024950
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權日2006年3月22日
發(fā)明者周常河, 王博 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所