专利名称：632.8纳米波长背入射式石英反射偏振分束光栅的制作方法
技术领域：
本专利涉及偏振分束光栅，特别是是一种He-Ne激光632.8纳米波长背入射式(或浸入式)石英反射偏振分束光栅。
背景技术：
在许多光学信息处理系统中，偏振分束器是一种关键元件，它可以将光分成两束偏振模式相互垂直的偏振光。大多数应用中，人们往往需要高消光比、高透射率或反射率、较宽的可操作波长范围和角度带宽、体积小的偏振分束器。传统的偏振分束器是基于一些晶体的自然双折射效应(例如Thomson棱镜、Nicol棱镜和Wollaston棱镜)或者多层介质膜的偏振选择性。但是，利用双折射晶体所制成的偏振分束器体积大、价格昂贵；而薄膜偏振分束器一般工作带宽较小，薄膜层数达到几十层，对均匀性和对称性要求较严，加工较难，高消光比元件成本很高。随着微制造技术的快速发展，亚波长光栅所表现出来的特有的光学效应越来越受到人们的广泛关注。近来，一些研究工作报道了表面浮雕型光栅作为偏振分束器。与其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光栅结构紧凑，易于小型化和集成化，并且插入损耗小，是一种无源器件。尤其是深刻蚀熔融石英光栅，损伤阈值很高，热膨胀系数小，能够在高强度激光和对稳定性要求严格的环境中工作。偏振分束光栅的制造可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能够大量生产，具有重要的实用前景。
J.R.Marciante等人报道了一种新型的高色散的背入射式(或浸入式)光栅(TIR光栅)在先技术1J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，该类型光栅利用内部全反射效应(TIR，Total Internal Reflection)即光从光密介质射向光疏介质时，若入射角满足全反射条件，则光疏介质中将没有透射光，入射光的能量全部集中到反射光上。所谓的背入射式(或浸入式)是指光不是从光栅的正面(有光栅槽)入射，而是从光栅基底的背面入射，通过对光栅周期及深度的优化选择，该浸入式光栅的反射衍射效率几乎接近完全反射。TIR光栅具有很多的优点，例如衍射效率与光栅的槽形无关，直接在电介质材料上(往往利用石英)刻蚀出浮雕形的光栅结构，吸收损耗与金属相比非常小，由于衍射效率已经很高，所以不需要在光栅表面镀高反射介质膜。
本发明采用矩形结构光栅的计算模型。高密度光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法在先技术2M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，没有人针对常用He-Ne激光632.8纳米波长给出浸入式高密度石英反射偏振分束光栅的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对常用He-Ne激光632.8纳米波长提供一种背入射式(或浸入式)石英反射偏振分束光栅，该光栅可以将TE、TM两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向，实现0级和1级衍射光消光比均大于100，TE偏振光的0级衍射效率和TM偏振光的1级衍射效率分别高于99.09％和99.73％。因此，能够实现高消光比、高衍射效率背入射式深刻蚀熔融石英偏振分束光栅，具有重要的实用意义。
本发明的技术解决方案如下一种632.8纳米波长的背入射式(或浸入式)石英反射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为281～286纳米、刻蚀深度为0.800～0.810微米，光栅的占空比为1/2。
所述的高密度矩形深刻蚀石英光栅的周期为283纳米，光栅的刻蚀深度为0.805微米。
本发明的依据如下图1显示了背入射式(或浸入式)光栅(TIR光栅)的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为石英(折射率n1＝1.45702)和空气(折射率n2＝1)。光栅矢量K位于入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。一线性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/2/Λ/n1))入射(定义为Littrow条件，即衍射光可沿原入射光的方向返回)，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。根据光栅衍射方程及全反射条件，Λ应满足条件n1>λ2Λ>n2.]]>该偏振分束光栅的消光比定义为0级衍射光中TE、TM偏振模式效率之比和1级衍射光中TM、TE偏振模式效率之比中较小的一值。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论在先技术2计算了深刻蚀熔融石英光栅(占空比为1/2)在常用He-Ne激光632.8纳米波长的消光比和衍射效率。如图2、3所示，依据理论计算得到高消光比、高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，即当光栅的周期为281～286纳米、刻蚀深度为0.800～0.810微米时，光栅的占空比为1/2，偏振分束光栅的消光比大于100，TE偏振光的0级反射衍射效率和TM偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.09％和99.73％。特别是光栅周期为283纳米，刻蚀深度为0.805微米时，可以使偏振分束光栅的消光比达到2.07×104，TE偏振光0级反射衍射效率和TM偏振光1级反射衍射效率均接近于1。
如图4所示，光栅的周期为283纳米，深度为0.805微米，若考虑632.8纳米附近两种偏振模式的入射光各自以对应的Littrow角度入射到TIR光栅时，该偏振分束光栅在628-637纳米波长范围内所有波长的消光比均可以达到100以上，即对应于9纳米的谱宽范围，TE偏振光的0级反射衍射效率和TM偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.13％和99.73％。
如图5所示，TE/TM偏振模式的入射光以50.12°角度(对应于λ＝632.8纳米)附近入射到TIR光栅时，该光栅的周期为283纳米，深度为0.805微米，该偏振分束光栅在49.22°-51.02°角度范围内所有入射角的消光比均可以达到100以上，即对应于1.80°角度带宽范围，TE偏振光的0级反射衍射效率和TM偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.99％和99.00％。
图1是本发明632.8纳米波长的背入射式石英反射偏振分束光栅的几何结构。在图中，1代表光栅，2代表区域1(折射率为n1)，3代表区域2(折射率为n2)，4代表入射光，5代表TE模式下的0级衍射光，6代表TM模式下的1级衍射光。
图2是本发明反射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45702，光栅占空比为1/2)在不同光栅周期和刻蚀深度下的消光比(10的次幂)。
图3是本发明反射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45702，光栅占空比为1/2)在优化光栅周期下(Λ＝283nm)，消光比随着刻蚀深度的变化曲线。
图4是本发明反射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45702)光栅周期为283纳米、光栅深度0.805微米，占空比为1/2，在632.8纳米波段附近使用，各个波长以相应的Littrow角度入射(TIR(Littrow)光栅)时，TE/TM模式下的反射衍射效率。
图5是本发明反射偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1.45702)光栅周期为283纳米、光栅深度0.805微米，占空比为1/2，入射光以50.12°角度(对应于λ＝632.8纳米)附近入射到TIR光栅时，TE/TM模式下的反射衍射效率。
图6是全息光栅的记录光路。在图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表分束镜，10、11、12、13代表反射镜，14、15代表扩束镜，16、17代表透镜，18代表基片。
具体实施例方式
利用微光学技术制造高密度矩形偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的熔融石英基片上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅，参见图6，采用He-Cd激光器7(波长为0.441μm)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为人＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述消光比和效率图设计)记录高密度光栅。接着，显影后，用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到石英基片上，再用去铬液将铬膜去除，就得到高密度表面浮雕结构的石英光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的矩形石英偏振分束光栅。由表1并结合图2、3可知，该光栅的周期为281～286纳米、刻蚀深度为0.800～0.810微米时，偏振分束光栅的消光比大于100，TE偏振光的0级反射衍射效率和TM偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.09％和99.73％，实现了将两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向。特别是光栅周期为283纳米，刻蚀深度为0.805微米时，本发明可以使偏振分束光栅的消光比达到2.07×104，TE偏振光0级反射衍射效率和TM偏振光1级反射衍射效率均接近于1。
本发明的632.8纳米波长的背入射式石英反射偏振分束光栅作为偏振分束器，具有很高的消光比和反射效率，不需要考虑光栅槽形的结构，也不必镀金属膜或介质膜，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是偏振分束器的一种重要的实现技术。
表1632.8纳米波长入射下，0级、+1级布拉格透射衍射效率η和消光比，d为光栅深度，Λ为光栅周期
权利要求
1.一种632.8纳米波段的背入射式石英反射偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期为281～286纳米、刻蚀深度为0.800～0.810微米，光栅的占空比为1/2。
2.根据权利要求1所述的背入射式石英反射偏振分束光栅，其特征在于所述的光栅的周期为283纳米，光栅的刻蚀深度为0.805微米。
全文摘要
一种632.8纳米波段的背入射式石英反射偏振分束光栅，该光栅的周期为281～286纳米、刻蚀深度为0.800～0.810微米、光栅的占空比为1/2时，偏振分束光栅的消光比大于100，TE偏振光的0级反射衍射效率和TM偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.09％和99.73％，特别是光栅周期为283纳米，刻蚀深度为0.805微米时，本发明的偏振分束光栅的消光比达到2.07×10
文档编号G02B5/18GK1821818SQ20061002495
公开日2006年8月23日 申请日期2006年3月22日 优先权日2006年3月22日
发明者周常河, 王博 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所