專利名稱：寬帶高效率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及高效率熔融石英光柵，特別是一種800納米波段的寬帶高效 率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵。
背景技術(shù)：
光柵廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)中，其中一個(gè)重要的用途是作為色散元件 應(yīng)用于激光器、飛秒脈沖壓縮系統(tǒng)和波分復(fù)用系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的用于飛秒脈沖
壓縮系統(tǒng)中的寬帶高效率光柵多分為兩類 一類是正弦型金光柵，其抗損傷
閾值較低，僅有0.2J/cm、另一類是基于背面多層介質(zhì)膜反射鏡的全介質(zhì)光柵， 其帶寬相對(duì)較窄(約40nm)，此外還存在著成本高，制造困難等缺點(diǎn)。 一些文 獻(xiàn)報(bào)道了高效率熔融石英光柵，但主要是用于波長(zhǎng)1060納米的高效率光柵在 先技術(shù)l: T. Clausnitzeretal.， App.Opt.42,6934 (2003)。熔融石英是一種非 常好的光學(xué)材料，它具有從深紫外到遠(yuǎn)紅外的寬透射譜，有很高的光學(xué)質(zhì)量， 溫度穩(wěn)定性好，激光破壞閾值高。以熔融石英為材料，已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造了低 損耗偏振相關(guān)、高衍射效率光柵和偏振分束光柵。因此，同時(shí)考慮光柵的高 效率和寬帶特性，并利用熔融石英來制作高損傷閾值的寬帶高效率光柵，將 是非常合適的。
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(yīng)，這一點(diǎn)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(jiǎn)單的標(biāo)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(jié)合邊界條件，通 過編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴(yán)格耦合波 理論的算法在先技術(shù)2: 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。但據(jù)我們所知，目前為止，還沒有人 針對(duì)常用的800納米波段給出寬帶高效率高密度深刻蝕熔融石英透射光柵的 設(shè)計(jì)參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)常用800納米波段的紅光，提供一種寬 帶高效率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵，該光柵在盡可能保持高效率特性的同 時(shí)擴(kuò)展其帶寬，且要求其衍射效率在波長(zhǎng)800納米附近盡可能相近。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 .
一種用于800納米波段的寬帶高效率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵，光柵 的占空比為0.5，其特點(diǎn)在于對(duì)于TE偏振光該光柵的周期為680 720納米、 刻蝕深度為1150 1250納米；對(duì)于TM偏振光該光柵的周期為870 890納 米、刻蝕深度為1270 1630納米。
本發(fā)明的依據(jù)如下
圖1顯示了寬帶高效率高密度矩形深刻蝕石英光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、
2都是均勻的，分別為空氣(折射率"；=1)和熔融石英(折射率 ，隨入射
波長(zhǎng)存在色散變化)。光柵矢量7S:位于入射平面內(nèi)。TE偏振入射光對(duì)應(yīng)于電 場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面，TM偏振入射光對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向 垂直于入射面。入射光以800納米波長(zhǎng)利特羅配置(可以表示為^7 amy/"(400/yl/^)，入射角隨光柵周期改變而改變)入射到光柵面上時(shí)，該光 柵可以分別對(duì)TE偏振光或TM偏振光實(shí)現(xiàn)寬帶高效率一l級(jí)衍射。
在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)2
計(jì)算了高密度深刻蝕熔融石英光柵(占空比為0.5)在紅光800納米波段的一 l級(jí)衍射效率。依據(jù)理論計(jì)算得到矩形光柵的初步數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，對(duì)于TE偏 振光，當(dāng)該光柵的周期為680 720納米、刻蝕深度為1150 1250納米時(shí)，一 1級(jí)衍射效率一0.5d帶寬大于230納米，平均衍射效率高于89°%;對(duì)于TM 偏振光，該光柵的周期為870 890納米、刻蝕深度為1570 1630納米時(shí)，一 1級(jí)衍射效率一0.5db帶寬大于165納米，平均衍射效率高于92%。進(jìn)一步考 慮光柵的衍射效率隨波長(zhǎng)變化曲線，考察衍射效率在800納米波長(zhǎng)附近的均 勻性可知，在本發(fā)明光柵參數(shù)的特征范圍內(nèi)，相應(yīng)于不同偏振方向的典型范 例可以分別使TE偏振光一 1級(jí)衍射效率在波長(zhǎng)為710納米至868納米范圍內(nèi) 處于92.0% 94.3%之間，其衍射效率隨波長(zhǎng)變化曲線顯示在圖2(a)中；使TM 偏振光一 1級(jí)衍射效率在波長(zhǎng)為746納米至852納米范圍內(nèi)處于93.5% 95.7%之間，其衍射效率隨波長(zhǎng)變化的曲線顯示在圖2(b)中。可見相應(yīng)的光柵可以分別對(duì)TE或TM偏振光實(shí)現(xiàn)高效率的寬帶衍射，且在相應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)其
衍射效率非常接近。如此均勻的寬帶衍射效率使得本發(fā)明能夠成為一種非常 理想的飛秒壓縮器件，同時(shí)由于其簡(jiǎn)單的矩形光柵結(jié)構(gòu)，使得該光柵具有重 要的實(shí)用意義。.


圖1是本發(fā)明800納米波段的寬帶高效率熔融石英透射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。
圖中，l代表區(qū)域l (折射率為"7)， 2代表區(qū)域2 (折射率為 )，3代表 光柵，4代表入射光，5代表0級(jí)衍射光，6代表一1級(jí)衍射光，代表光柵空 間周期，/z代表光柵槽深，6代表光柵凸起的寬度(占空比戶6")。
圖2是在本發(fā)明寬帶高效率熔融石英透射光柵的一1級(jí)衍射效率隨波長(zhǎng)變 化的曲線(TE偏振光以相應(yīng)利特羅角入射的情況)
圖3是在本發(fā)明寬帶高效率熔融石英透射光柵的一 1級(jí)衍射效率隨波長(zhǎng)變 化的曲線光柵(TM偏振光以相應(yīng)利特羅角入射的情況)
圖4是全息光柵記錄光路。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(kuò)束鏡，16、 17代表透鏡， 18代表基片。
具體實(shí)施例方式
利用微光學(xué)技術(shù)制造寬帶高效率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(見圖4)，采用 He—Cd激光器7 (波長(zhǎng)為441納米)作為記錄光源。記錄全息光柵時(shí)，快門 8打開，從激光器發(fā)出的窄光束經(jīng)過分束鏡9分成兩窄光束。 一束通過反射鏡 10后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡14、透鏡16形成寬平面波；另一束通過反射鏡ll后，經(jīng) 過擴(kuò)束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束平面波分別經(jīng)過反射鏡12、 13后， 以2狹角在基片18上形成干涉場(chǎng)。光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)可以 表示為/1=義/"*^'/^),其中;i為記錄光波長(zhǎng)。記錄角鵬大，則yl越小，所以 通過改變鵬大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述具體參數(shù)設(shè)計(jì))。 全息記錄高密度光柵，然后顯影，接著再用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移 到鉻膜上，利用化學(xué)試劑將多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合
5等離子體刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時(shí)間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的 熔融石英光柵。
在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得寬帶高
效率的熔融石英透射光柵。對(duì)于.TE偏振光該光柵的周期為680 720納米、 刻蝕深度為1150 1250納米；對(duì)于TM偏振光該光柵的周期為870 890納 米、刻蝕深度為1570 1630納米。光柵的占空比為0.5時(shí)，對(duì)TE偏振光一 1級(jí)衍射，本發(fā)明可以在波長(zhǎng)800納米附近至少100納米范圍內(nèi)獲得超過90 O/^且非常接近的衍射效率；對(duì)于TM偏振光一 1級(jí)衍射，可以在波長(zhǎng)800納 米附近至少80納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得超過92%且非常接近的衍射效率。如圖2 和圖3所示，對(duì)于本發(fā)明所要求的光柵參數(shù)的特征范圍內(nèi)的典型范例，可以 使TE偏振光一 1級(jí)衍射效率在波長(zhǎng)為710納米至868納米范圍內(nèi)處于 92.0% 94.3%之間；使TM偏振光一 1級(jí)衍射效率在波長(zhǎng)為746納米至852 納米范圍內(nèi)處于93.5% 95.7%之間，分別對(duì)TE或TM偏振光實(shí)現(xiàn)高效率的 寬帶衍射，且在相應(yīng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)其衍射效率非常均勻。
本發(fā)明的寬帶高效率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵，同時(shí)具有寬帶、高衍 射效率和高激光碎壞閾值的特點(diǎn)，是一種非常理想的飛秒脈沖壓縮器，而且
其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。利用全息光柵記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電 子深刻蝕工藝，可大批量、低成本生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是 寬帶高效率深刻蝕熔融石英光柵的一種重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，具有重要的實(shí)用前
景
權(quán)利要求
1、一種用于800納米波段的寬帶高效率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵，光柵的占空比為0.5，其特征在于對(duì)TE偏振光，光柵周期為680～720納米，刻蝕深度為1150～1250納米；對(duì)TM偏振光，光柵周期為870～890納米，刻蝕深度為1570～1630納米。
全文摘要
一種800納米波段的寬帶高效率熔融石英透射偏振相關(guān)光柵，光柵的占空比為0.5，對(duì)于TE偏振光該光柵的周期為680～720納米、刻蝕深度為1150～1250納米；對(duì)于TM偏振光該光柵的周期為870～890納米、刻蝕深度為1570～1630納米。本發(fā)明寬帶高效率熔融石英透射光柵由光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝加工而成，工藝成熟，造價(jià)小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101666885SQ20091005451
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者馮吉軍, 鵬 呂, 周常河, 偉 賈 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所