專利名稱：：1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本專利涉及一種熔融石英透射偏振分束光柵器件，特別是一種自準(zhǔn)直角設(shè)置的1064納米波段亞波長熔融石英偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
：1064納米波段是高強(qiáng)度激光系統(tǒng)的常見光源波長之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防和科研領(lǐng)域。在激光系統(tǒng)中常常要用到偏振光分束器，偏振光分束器要求具備高的消光比與衍射效率，寬的角度適應(yīng)范圍和工作波長，性能穩(wěn)定可靠，不易損傷等。傳統(tǒng)的偏振光分束器通常由雙折射晶體或多層介質(zhì)膜等具有二向色性的物質(zhì)構(gòu)成，雙折射晶體體積大、效率低，無法滿足光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化和高效化的要求，而多層介質(zhì)膜偏振分束器雖然效率高，但制作工藝復(fù)雜，易損傷。隨著微加工技術(shù)的深入發(fā)展，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)光柵周期小于入射光波長的亞波長光柵具有優(yōu)良的偏振特性，且體積小、效率高、易集成，受到人們的廣泛關(guān)注。張亮等人報(bào)道了基于鋁金屬的亞波長矩形光柵的偏振光分束器的設(shè)計(jì)在先技術(shù)1:張亮，等，2006#茵談見，33467，由于金屬光柵層對激光強(qiáng)吸收產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使金屬光柵在高強(qiáng)度激光下工作容易被損傷，不能用于強(qiáng)激光系統(tǒng)。熔融石英由于低的吸收系數(shù)，熱穩(wěn)定性好，具有高的抗損傷域值，是制備高強(qiáng)度激光偏振分束器的理想材料，王博等人對1550納米波長的深刻蝕石英光柵偏振分束器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了報(bào)道在先技術(shù)2:WangBetal.，2007qp"cs丄"/w321299。亞波長熔融石英光柵是利用微細(xì)加工法，在熔融石英基底上加工出光柵周期小于工作波長的亞波長光柵。由于周期小于入射光波長，即工作波長，光4冊只存在-l級和O級衍射，通過對光柵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使光柵具有優(yōu)良的偏振分束性能。亞波長光柵的衍射特性的計(jì)算分析，不能采用標(biāo)量衍射理論，而必須采用矢量光柵電磁理論。矢量光柵電磁理論AS于麥克斯韋方程并結(jié)合光柵邊界條件，通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行精確的求解。Moharam等人已給出了基于矢量光柵電磁理論的嚴(yán)格耦合波理論的算法在先技術(shù)3:MoharamMG""/.,1995/C^.Soc.Jmj121077，可以解決這類亞波長熔融石英光柵的衍射問題。在先技術(shù)授權(quán)發(fā)明專利號2006100234207給出了實(shí)現(xiàn)偏振分束的深刻蝕矩形光柵裝置，在先技術(shù)授權(quán)發(fā)明專利號200510026558.8給出了基于1053納米波段的石英透射光柵裝置。據(jù)我們所知，目前沒有人針對1064納米波段給出亞波長熔融石英透射偏振分束光柵。因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有高消光比和衍射效率、寬入射角和工作波長的亞波長石英透射偏振分束光柵，將具有重要的實(shí)用意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種新型的1064納米波段亞波長熔融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一束光分解為TE偏振(電矢量平行于光柵刻槽)和TM偏振(電矢量垂直于光柵刻槽)不同傳輸方向的兩束線偏振光。對1064nm波長的入射光，-1級與0級透射衍射效率分別超過84%和％%,透射消光比均高于20dB。本發(fā)明的1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵，可以大批量、低成本的生產(chǎn)，刻蝕后的光柵偏振分束特性優(yōu)良，性能穩(wěn)定可靠。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下，一種用于1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為604納米-624納米、刻槽深度為1.32微米-1.42微米、光柵占空比，即光柵脊與光柵周期之比為0.5。所述的1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵的周期為614納米，刻槽深度為1.37微米。本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了矩形亞波長熔融石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1和區(qū)域2分別為均勻的空氣(折射率m=l.0)和熔融石英(折射率w2=l.4446)。區(qū)域1與區(qū)域2之間為周期結(jié)構(gòu)的光柵層，光柵周期<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>。，m為自準(zhǔn)直角設(shè)置時的共線衍射級次，本發(fā)明設(shè)置自準(zhǔn)直為-1級反射衍射光，則m=-1;m為光柵入射區(qū)(區(qū)域1)介質(zhì)折射率；X代表入射光波長，6為自準(zhǔn)直入射角，義為入射光波長。TE偏振和TM偏振的線性偏振平面波以角度(自準(zhǔn)直角設(shè)置，即設(shè)置為-1級反射光沿入射光的方向返回)入射。-1級與0級衍射光的透射消光比分別定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>^和7tm分別為TE與TM偏振透射光的衍射效率。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)3計(jì)算了亞波長熔融石英偏振分束光柵在1064納米波長處的消光比和衍射效率。如圖2、3所示，依據(jù)理論計(jì)算得到高消光比矩形亞波長熔融石英透射偏振分束光柵的優(yōu)化參數(shù)，即當(dāng)光柵的周期為604納米-624納米、刻蝕深度為1.32微米-1.42微米時，偏振分束光柵的透射消光比大于20dB,-1級TE偏振與0級TM偏振透射衍射率分別高于84%和96%。特別是光柵周期為614納米、刻蝕深度為1.37微米時，可以使透射消光比分別達(dá)到30dB和40dB,透射衍射率分別達(dá)到88.3%和98.4%。如圖4所示，光柵周期為614納米，刻蝕深度為1.37微米，入射波長義=1064納米，該偏振分束光^ff在57.4"<0<62.3"入射角范閨內(nèi)所有入射角的消光比均可高于20dB,即對應(yīng)4.9度的角度帶寬，-1級TE偏振和0級TM偏振透射書f射率分別高于85.6%與98.1%。如圖5所示，周期為614納米，刻蝕深度為1.37微米，自準(zhǔn)直入射角6=60度，該偏振分束光^^在1044納米<義<1099納米入射波長范圍內(nèi)所有入射光的消光比均可高于20dB,即對應(yīng)55納米的波長帶寬，-1級TE偏振和0級TM偏振透射衍射率分別高于85%與99%。圖1為本發(fā)明1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵在不同光4冊周期和刻蝕深度下的消光比，自準(zhǔn)直角0=60度，入射波長義=1064納米，占空比/=0.5。圖3為本發(fā)明1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵在優(yōu)化光柵周期納米下，光柵0級透射消光比隨刻蝕深度的變化曲線，入射角^=60度，入射波長義=1064納米，占空比/=0.5。圖4為本發(fā)明1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光裰在周期為614納米，刻蝕深度為1.37微米，入射波長/1=1064納米，TE/TM偏振的-1級和0級透射衍射效率隨入射角的變化曲線。圖5為本發(fā)明1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光4冊在周期為614納米，刻蝕深度為1.37微米，自準(zhǔn)直入射角0=60度，TE/TM偏振的-1級和0級透射衍射效率隨入射光波長的變化曲線。圖6為全息曝光記錄光柵的光路圖。圖中l(wèi)代表氦鎘激光器，2代表快門，3代表反射鏡，4代表擴(kuò)束鏡，5代表透鏡，6代表分束鏡，7代表石英基片。具體實(shí)施例方式通過微細(xì)加工法制作亞波長熔融石英透射偏振分束光柵。制作過程包括石英基片鍍4各—涂光刻膠—曝光—顯影—刻蝕—去除殘余鉻膜等步驟。首先在清潔、干燥的熔融石英基本上沉積一層均勻的鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠。然后采用全息曝光記錄光柵，如圖6所示，He-Cd激光器，波長為441納米，發(fā)出兩束平面波以20夾角在石英基片上形成干涉場，夾角通過公式0-sin"[;i/(2xA)]確定，其中A為記錄光波長，A為所需加工的光柵周期。曝光完成后，進(jìn)行顯影，并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)試劑去出多余的光刻膠。最后，采用等離子體刻蝕方法將光柵圖案轉(zhuǎn)移到石英基片上，并去出殘余鉻膜，就得到表面浮雕結(jié)構(gòu)的矩形石英光柵。按以上步驟制作的光柵，在自準(zhǔn)直角《=60度，波長工作為1064納米時，根據(jù)表l,適當(dāng)選擇光4冊刻蝕深度和周期，就能得到高衍射效率、高消光比的亞波長石英透射偏振分束光柵，可以使TE偏振和TM偏振入射光的-1級與0級透射衍射率分別達(dá)到88.3%和98.4%。在入射角57.4^^62.3G和入射波長1044納米<1<1099納米范圍內(nèi)消光比均高于20dB。本發(fā)明的1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵，只存在-l級和O級衍射，具有很高的消光比和衍射效率，利用微細(xì)加工法制作，可大批量、低成本生產(chǎn)，制作的光柵偏振分束特性優(yōu)良，抗損傷域值高，性能穩(wěn)定可靠，是偏振分束器的一種重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。表1不同光柵刻槽深度和周期時的衍射效率及透射消光比<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種用于1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為604納米-624納米、槽深為1.32微米-1.42微米，光柵的占空比為0.5。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的1064納米波段的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為614納米，槽深為1.37微米。全文摘要一種用于1064納米波段的熔融石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期為604納米-624納米、槽深為1.32微米-1.42微米，光柵的占空比為0.5。該偏振分束光柵只存在-1級和0級衍射，在自準(zhǔn)直角設(shè)置下，可以將TE偏振和TM偏振入射光分別衍射到-1級與0級透射光束中，透射衍射率分別高于84％和96％，消光比大于20dB。本發(fā)明的亞波長熔融石英透射偏振分束光柵由微細(xì)加工法加工而成，可大批量、低成本生產(chǎn)，制作的光柵偏振分束特性好，性能穩(wěn)定可靠。文檔編號G02B27/28GK101546002SQ20091010369公開日2009年9月30日申請日期2009年4月22日優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日發(fā)明者袁代蓉,趙華君申請人:重慶文理學(xué)院