專利名稱：632.8納米波長背入射式石英反射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及偏振分束光柵，特別是是一種He-Ne激光632.8納米波長背入射式(或浸入式)石英反射偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
在許多光學(xué)信息處理系統(tǒng)中，偏振分束器是一種關(guān)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(yīng)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(yīng)(例如Thomson棱鏡、Nicol棱鏡和Wollaston棱鏡)或者多層介質(zhì)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(dá)到幾十層，對均勻性和對稱性要求較嚴(yán)，加工較難，高消光比元件成本很高。隨著微制造技術(shù)的快速發(fā)展，亞波長光柵所表現(xiàn)出來的特有的光學(xué)效應(yīng)越來越受到人們的廣泛關(guān)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度激光和對穩(wěn)定性要求嚴(yán)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(shù)，造價小，能夠大量生產(chǎn)，具有重要的實用前景。
J.R.Marciante等人報道了一種新型的高色散的背入射式(或浸入式)光柵(TIR光柵)在先技術(shù)1J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，該類型光柵利用內(nèi)部全反射效應(yīng)(TIR，Total Internal Reflection)即光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，若入射角滿足全反射條件，則光疏介質(zhì)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(或浸入式)是指光不是從光柵的正面(有光柵槽)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(yōu)化選擇，該浸入式光柵的反射衍射效率幾乎接近完全反射。TIR光柵具有很多的優(yōu)點，例如衍射效率與光柵的槽形無關(guān)，直接在電介質(zhì)材料上(往往利用石英)刻蝕出浮雕形的光柵結(jié)構(gòu)，吸收損耗與金屬相比非常小，由于衍射效率已經(jīng)很高，所以不需要在光柵表面鍍高反射介質(zhì)膜。
本發(fā)明采用矩形結(jié)構(gòu)光柵的計算模型。高密度光柵的衍射理論，不能由簡單的標(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，通過編碼的計算機(jī)程序精確地計算出結(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)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(jù)我們所知，沒有人針對常用He-Ne激光632.8納米波長給出浸入式高密度石英反射偏振分束光柵的設(shè)計參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對常用He-Ne激光632.8納米波長提供一種背入射式(或浸入式)石英反射偏振分束光柵，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級衍射光消光比均大于100，TE偏振光的0級衍射效率和TM偏振光的1級衍射效率分別高于99.09％和99.73％。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高消光比、高衍射效率背入射式深刻蝕熔融石英偏振分束光柵，具有重要的實用意義。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種632.8納米波長的背入射式(或浸入式)石英反射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為281～286納米、刻蝕深度為0.800～0.810微米，光柵的占空比為1/2。
所述的高密度矩形深刻蝕石英光柵的周期為283納米，光柵的刻蝕深度為0.805微米。
本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了背入射式(或浸入式)光柵(TIR光柵)的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1、2都是均勻的，分別為石英(折射率n1＝1.45702)和空氣(折射率n2＝1)。光柵矢量K位于入射平面內(nèi)。TE偏振入射光對應(yīng)于電場矢量的振動方向垂直于入射面，TM偏振入射光對應(yīng)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/n1))入射(定義為Littrow條件，即衍射光可沿原入射光的方向返回)，λ代表入射波長，Λ代表光柵周期。根據(jù)光柵衍射方程及全反射條件，Λ應(yīng)滿足條件n1>λ2Λ>n2.]]>該偏振分束光柵的消光比定義為0級衍射光中TE、TM偏振模式效率之比和1級衍射光中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(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)2計算了深刻蝕熔融石英光柵(占空比為1/2)在常用He-Ne激光632.8納米波長的消光比和衍射效率。如圖2、3所示，依據(jù)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(jié)果，即當(dāng)光柵的周期為281～286納米、刻蝕深度為0.800～0.810微米時，光柵的占空比為1/2，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級反射衍射效率和TM偏振光的1級反射衍射效率分別高于99.09％和99.73％。特別是光柵周期為283納米，刻蝕深度為0.805微米時，可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到2.07×104，TE偏振光0級反射衍射效率和TM偏振光1級反射衍射效率均接近于1。
如圖4所示，光柵的周期為283納米，深度為0.805微米，若考慮632.8納米附近兩種偏振模式的入射光各自以對應(yīng)的Littrow角度入射到TIR光柵時，該偏振分束光柵在628-637納米波長范圍內(nèi)所有波長的消光比均可以達(dá)到100以上，即對應(yīng)于9納米的譜寬范圍，TE偏振光的0級反射衍射效率和TM偏振光的1級反射衍射效率分別高于99.13％和99.73％。
如圖5所示，TE/TM偏振模式的入射光以50.12°角度(對應(yīng)于λ＝632.8納米)附近入射到TIR光柵時，該光柵的周期為283納米，深度為0.805微米，該偏振分束光柵在49.22°-51.02°角度范圍內(nèi)所有入射角的消光比均可以達(dá)到100以上，即對應(yīng)于1.80°角度帶寬范圍，TE偏振光的0級反射衍射效率和TM偏振光的1級反射衍射效率分別高于99.99％和99.00％。


圖1是本發(fā)明632.8納米波長的背入射式石英反射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。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)明反射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45702，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)明反射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45702，光柵占空比為1/2)在優(yōu)化光柵周期下(Λ＝283nm)，消光比隨著刻蝕深度的變化曲線。
圖4是本發(fā)明反射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45702)光柵周期為283納米、光柵深度0.805微米，占空比為1/2，在632.8納米波段附近使用，各個波長以相應(yīng)的Littrow角度入射(TIR(Littrow)光柵)時，TE/TM模式下的反射衍射效率。
圖5是本發(fā)明反射偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1.45702)光柵周期為283納米、光柵深度0.805微米，占空比為1/2，入射光以50.12°角度(對應(yīng)于λ＝632.8納米)附近入射到TIR光柵時，TE/TM模式下的反射衍射效率。
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(kuò)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(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，參見圖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(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11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)可以表示為人＝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(shè)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(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)行一定時間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(jié)合圖2、3可知，該光柵的周期為281～286納米、刻蝕深度為0.800～0.810微米時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級反射衍射效率和TM偏振光的1級反射衍射效率分別高于99.09％和99.73％，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283納米，刻蝕深度為0.805微米時，本發(fā)明可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到2.07×104，TE偏振光0級反射衍射效率和TM偏振光1級反射衍射效率均接近于1。
本發(fā)明的632.8納米波長的背入射式石英反射偏振分束光柵作為偏振分束器，具有很高的消光比和反射效率，不需要考慮光柵槽形的結(jié)構(gòu)，也不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜，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，是偏振分束器的一種重要的實現(xiàn)技術(shù)。
表1632.8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(quán)利要求
1.一種632.8納米波段的背入射式石英反射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為281～286納米、刻蝕深度為0.800～0.810微米，光柵的占空比為1/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的背入射式石英反射偏振分束光柵，其特征在于所述的光柵的周期為283納米，光柵的刻蝕深度為0.805微米。
全文摘要
一種632.8納米波段的背入射式石英反射偏振分束光柵，該光柵的周期為281～286納米、刻蝕深度為0.800～0.810微米、光柵的占空比為1/2時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級反射衍射效率和TM偏振光的1級反射衍射效率分別高于99.09％和99.73％，特別是光柵周期為283納米，刻蝕深度為0.805微米時，本發(fā)明的偏振分束光柵的消光比達(dá)到2.07×10
文檔編號G02B5/18GK1821818SQ20061002495
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者周常河, 王博 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所