專利名稱：：偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及針對(duì)800納米波長(zhǎng)的石英透射光柵，特別是一種偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵。
背景技術(shù)：
：在飛秒激光領(lǐng)域，尤其是在啁啾脈沖放大技術(shù)中，人們往往需要高衍射效率、較大的角度色散、較寬波長(zhǎng)范圍和角度帶寬的衍射光柵。最近，Weijia等人在熔石英上制作了高衍射效率的透射式光柵，其-1級(jí)的衍射效率理論上可達(dá)98%。而且，這種透射式光柵對(duì)光脈沖壓縮器的尺寸非常小(通常只有幾個(gè)毫米)從而大大的減小了整個(gè)激光器系統(tǒng)的尺寸在先技術(shù)1:W.Jiaetal.,Appl.Opt.47，6058(2008)。但是，WeiJia等人制作的這種透射式石英光柵屬于窄帶偏振相關(guān)器件，即它只在較窄的波長(zhǎng)帶寬內(nèi)對(duì)一個(gè)偏振態(tài)(TE偏振)可以實(shí)現(xiàn)高效率，不能滿足偏振無關(guān)和寬帶的需求。熔融石英是一種理想的光柵材料，它具有高光學(xué)質(zhì)量穩(wěn)定的性能、高損傷閾值和從深紫外到遠(yuǎn)紅外的寬透射譜。因此，刻蝕高密度深刻蝕熔融石英光柵作為新型的偏振無關(guān)寬帶器件具有廣泛的應(yīng)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.Moharametal.，J.Opt.Soc々m.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800納米波長(zhǎng)給出在熔融石英基片上制作偏振無關(guān)寬帶透射式光柵的設(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納米波長(zhǎng)的激光器提供一種偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵。該光柵可以使TE和TM偏振光在1級(jí)布拉格入射角的情況下的-1級(jí)衍射效率在140納米(740-880納米)波長(zhǎng)帶寬內(nèi)均高于90%。因此，在具有重要的實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于800納米波段的偏振無關(guān)寬帶石英透射光柵，其特點(diǎn)在于該光柵的周期為700800納米、刻蝕深度1.52.5微米，光柵的占空比為0.550.75。所述的偏振無關(guān)寬帶石英透射光柵的周期為750納米，光柵的刻蝕深度為1.95微米。本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率mO和熔融石英(折射率112=1.45)。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。線性偏振的光波以一定角度^=sin-、^/(2*八*rii))入射(定義為1級(jí)Bragg條件)，X代表入射波長(zhǎng)，A代表光柵周期。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)算了矩形熔融石英光柵在800納米波段衍射效率。我們利用模式理論在先技術(shù)3:J.Zhengetal.,J.Opt.Soc.Am.A.25,1075(2008)設(shè)計(jì)這種偏振無關(guān)寬帶高效率透射石英光柵，并采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)2優(yōu)化所得光柵結(jié)構(gòu)。圖2給出了依據(jù)理論計(jì)算得到高衍射效率矩形光柵的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)光柵的占空比為0.550.75、刻蝕深度為1.52.5微米時(shí)，光柵在-1級(jí)的衍射效率大于90%。特別是當(dāng)光柵的周期為750納米，深度為1.95微米，若考慮800納米附近TE和TM偏振模式的入射光以對(duì)應(yīng)的1級(jí)Bragg角度入射到光柵時(shí)，該光柵在700900納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的-1級(jí)衍射效率均可以達(dá)到80%以上，在740880納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的-1級(jí)衍射效率均可以達(dá)到90%以上。圖1是本發(fā)明800納米波長(zhǎng)的偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明偏振無關(guān)寬帶石英透射光柵(熔融石英的折射率取1.45332，光柵周期750納米)在不同占空比和刻蝕深度下TE和TM之間最小值的衍射效率密度曲線。圖3是本發(fā)明偏振無關(guān)寬帶石英透射光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為750納米、光柵深度1.95微米，占空比為0.67,衍射效率隨入射波長(zhǎng)的變化曲線。圖4是全息光柵記錄光路。具體實(shí)施例方式利用微光學(xué)技術(shù)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]5、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2e夾角在基片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A-V(2*sine)，其中人為記錄光波長(zhǎng)。記錄角e越大，則A越小，所以通過改變e的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述衍射效率圖設(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)的熔融石英光珊o表1、表2給出了本發(fā)明一系列實(shí)施例，在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵周期、刻蝕深度及占空比，就可以在不同的帶寬內(nèi)得到高衍射效率的透射光柵。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2對(duì)800納米波長(zhǎng)為利特羅角入射時(shí)不同波長(zhǎng)的TM偏振光在-1級(jí)衍射效率ti，h為光柵深度，/為占空比，a為光柵周期<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本發(fā)明的偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵，具有使用靈活方便、帶寬較寬、衍射效率較高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的衍射光學(xué)元件，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，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，可應(yīng)用于偏振無關(guān)寬帶脈沖壓縮器中，具有重要的實(shí)用前景。權(quán)利要求1、一種用于800納米波段的偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵，其特征在于該光柵的周期為700～800納米，光柵的刻蝕深度為1.5～2.5微米，光柵的占空比為0.55～0.75。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為750納米，占空比為0.67，光柵的刻蝕深度為1.95微米。全文摘要一種用于中心波長(zhǎng)為800納米波段的偏振無關(guān)寬帶高效率石英透射光柵，該光柵的光柵周期為700-800納米，光柵的刻蝕深度為1.5～2.5微米，占空比為0.55-0.75時(shí)，該熔融石英光柵對(duì)TE和TM偏振光的-1級(jí)的透射衍射效率可在740-880納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)大于90％。本發(fā)明偏振無關(guān)寬帶高效率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，取材方便，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)G02B5/18GK101661126SQ20091019590公開日2010年3月3日申請(qǐng)日期2009年9月18日優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日發(fā)明者馮吉軍,周常河,曹紅超,武騰飛,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