1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵的制作方法
【專利摘要】一種中心波長1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，包括由頂層光柵層、次層光柵層和次層光柵剩余層構成光柵頂部結(jié)構，以及由高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層和基底構成光柵底部結(jié)構，所述的頂層光柵層和次層光柵層為高折射率對比度材料，所述光柵的周期為833～1052納米，占寬比為0.47～0.65。本發(fā)明的反射型全介質(zhì)光柵在入射角度為?1級利特羅角時，在入射光1020～1100納米范圍內(nèi)可同時使TE、TM偏振方向的?1級衍射效率高于95％，波段內(nèi)最高衍射效率超過99％，且在較寬角譜(5°左右)和寬方位角譜(正負15°～正負20°)內(nèi)具有高于95％的?1級衍射效率，實現(xiàn)對偏振無關入射光的高效率衍射。
【專利說明】
1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及全介質(zhì)光柵，特別是一種中心波長1064納米偏振無關寬帶高衍射效率 雙層反射型全介質(zhì)光柵。
【背景技術】
[0002] 在高功率激光領域中，光譜合成技術是獲得高功率連續(xù)激光輸出的重要技術手 段，其中反射型光柵在光譜合成技術中更是發(fā)揮著核心元件的作用。金屬光柵、全介質(zhì)多層 膜光柵以及金屬介質(zhì)膜光柵等光柵均可以實現(xiàn)很高的衍射效率，然而，含有金屬層的光柵 雖然能夠在較寬的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率，但是金屬固有的吸收特性，使得其激光破壞閾 值相對較低，不適合應用于高能激光系統(tǒng)中。與反射型光柵相比，透射型光柵由于能量需要 進過光柵內(nèi)部，同樣不適合應用于高能激光系統(tǒng)中，因此研究反射型全介質(zhì)光柵在高功率 激光領域具有重要意義。另外，在光譜合成技術中，如果使用偏振無關的入射光進行高功率 合束輸出，則要求進行光譜合束的光柵元器件具有偏振無關特性，目前高效率、寬帶寬、低 偏振相關損耗的偏振無關全介質(zhì)反射型光柵在設計上還是一個難題，對其進行研制是很有 研究前景和實用意義的。
[0003] -1級高效率光柵通常需要較高密度的光柵密度，此時光柵周期為亞波長量級，對 于亞波長光柵的衍射不能由簡單的標量光柵理論來計算，而必須采用嚴格耦合波理論的算 法【參見在先技術 1:M.G. .Moharamet al.，入(^15〇(：^111^.12，1077(1995)】，通過編碼的 計算機程序精確地計算出結(jié)果。據(jù)我們所知，沒有人針對1064納米波段給出偏振無關高效 率反射型全介質(zhì)光柵的設計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是針對中心波長1064納米波段提供一種偏振無關寬帶 高衍射效率反射型全介質(zhì)光柵，該光柵可以使TE和TM兩種偏振模式的入射光以-1級利特羅 角（Littrow)入射時，-1級反射衍射效率在80納米范圍（1020~1100納米)波長帶寬內(nèi)高于 95%，最高衍射效率超過99%，且該光柵在較寬角譜(5°左右)和寬方位角譜(正負15°~正 負20°)內(nèi)具有高于95 %的-1級衍射效率。該偏振無關寬帶高衍射效率反射型全介質(zhì)光柵在 高功率激光應用中具有重要的實用意義。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0006] -種1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，包括由上至下由 頂層光柵層、次層光柵層和次層光柵剩余層構成光柵頂部結(jié)構，以及由上至下由高折射率 對比度全介質(zhì)周期薄膜層和基底構成光柵底部結(jié)構;所述的頂層光柵層和次層光柵層為高 折射率對比度材料：
[0007] 當頂層光柵層為低折射率材料時，則次層光柵層為高折射率材料，次層光柵剩余 層的材料與次層光柵層的材料一致；
[0008] 當頂層光柵層為高折射率材料時，則次層光柵層為低折射率材料，次層光柵剩余 層的材料與次層光柵層的材料一致，在次層剩余層與周期高反膜系之間增加一層匹配層滿 足膜層之間高折射率對比度需要，提高光柵的衍射效率，而次層剩余層的設置在一定范圍 內(nèi)提高了光柵的制備工藝容差。
[0009] 所述光柵的低折射率材料為Si〇2;所述光柵的高折射率材料為Hf 02或Ta205;所述 光柵的高折射率對比度材料可以由上述兩種材料構成，也可以由三種材料構成;該矩形光 柵的周期A為833~1052納米，對應線密度為950~1200線每毫米，頂層光柵層的物理厚度 為250~400納米，次層光柵層的物理厚度為150~450納米，光柵占寬比f為0.47~0.65;所 述的高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層的膜系結(jié)構為(HnL)~m，其中H為高折射率材料膜 層，L為低折射率材料膜層，n為大于0的系數(shù)，m為膜層周期數(shù);高折射率對比度全介質(zhì)周期 薄膜層的周期數(shù)為至少10個周期或高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層的總層數(shù)大于20層。
[0010] 本發(fā)明的技術效果如下：
[0011] 1、本發(fā)明光柵可以使TE和TM兩種偏振模式的入射光在以-1級利特羅角入射時，-1 級衍射效率在80納米范圍（1020~1100納米）波長帶寬內(nèi)高于95%，最高衍射效率超過 99% 〇
[0012] 2、本發(fā)明的光柵在較寬角譜(5°左右）內(nèi)具有高于95%的-1級衍射效率。
[0013] 3、本發(fā)明的光柵在寬方位角譜（正負15°~正負20°)內(nèi)具有高于95%的-1級衍射 效率。
[0014] 4、本發(fā)明的光柵結(jié)構簡單，可大批量生產(chǎn)，在高功率激光領域具有重要的實用前 景。
【附圖說明】
[0015] 圖1為實施例1和實施例3偏振無關高衍射效率雙層反射光柵結(jié)構剖面圖。
[0016] 圖2為實施例2和實施例4偏振無關高衍射效率雙層反射光柵結(jié)構剖面圖。
[0017] 圖3為實施例1高衍射效率雙層反射光柵入射波長和衍射效率關系圖。
[0018] 圖4為實施例1高衍射效率雙層反射光柵入射角度和衍射效率關系圖。
[0019] 圖5為實施例1高衍射效率雙層反射光柵入射方位角和衍射效率關系圖。
[0020] 圖6為實施例2高衍射效率雙層反射光柵入射波長和衍射效率關系圖。
[0021 ]圖7為實施例2高衍射效率雙層反射光柵入射角度和衍射效率關系圖。
[0022] 圖8為實施例2高衍射效率雙層反射光柵入射方位角和衍射效率關系圖。
[0023] 圖9為實施例3高衍射效率雙層反射光柵入射波長和衍射效率關系圖。
[0024] 圖10為實施例3高衍射效率雙層反射光柵入射角度和衍射效率關系圖。
[0025] 圖11為實施例3高衍射效率雙層反射光柵入射方位角和衍射效率關系圖。
[0026] 圖12為實施例4高衍射效率雙層反射光柵入射波長和衍射效率關系圖。
[0027] 圖13為實施例4高衍射效率雙層反射光柵入射角度和衍射效率關系圖。
[0028] 圖14為實施例4高衍射效率雙層反射光柵入射方位角和衍射效率關系圖。
[0029] 圖中：
[0030] 1-入射光，2-反射衍射光，3-頂層光柵層，4-次層光柵層，5-次層光柵剩余層，0-入 射角，A -光柵周期，f-占寬比，6-周期膜系低折射率材料層，7-周期膜系高折射率材料層， 8_周期膜系，9-匹配層。
【具體實施方式】
[0031] 本發(fā)明提出的中心波長1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光 柵，由基底和高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層8構成光柵底部結(jié)構，由頂層光柵層3、次層 光柵層4和次層光柵剩余層5組成的矩形表面光柵結(jié)構構成光柵頂部結(jié)構，頂層和次層光柵 層為高折射率對比度材料，其中頂層光柵層不需要進行限制，可以為高折射率材料也可以 為低折射率材料，此時次層光柵層需相應地選擇折射率高對比度材料進行匹配。另外，當頂 層光柵層選用高折射率材料時，在次層剩余層與周期高反膜系之間增加一層匹配層9滿足 膜層之間高折射率對比度需要。
[0032] 圖1為本發(fā)明實施例1和實施例3中寬帶偏振無關反射型光柵結(jié)構的剖面圖。TE偏 振入射光對應于電場矢量的振動方向垂直于入射面，TM偏振入射光對應于磁場矢量的振動 方向垂直于入射面。由圖可見，光柵上方為空氣，光從空氣進入到矩形光柵，經(jīng)過光柵和薄 膜層的調(diào)制，反射回空氣層。當入射光以-1級利特羅角入射時，入射光經(jīng)光柵調(diào)制，-1級TE 和TM偏振光的反射率都很高，實現(xiàn)了偏振無關效果，其中利特羅角的入射條件滿足公式：
[0034]式中A為入射波長，A為光柵的周期。在進行衍射效率光譜計算過程中，-1級利特 羅角隨入射波長的變化而變化。
[0035]本發(fā)明采用嚴格耦合波理論【在先技術1】計算了基于雙層光柵的1064納米波段的 高衍射效率反射光柵的衍射效率，得到結(jié)論:通過對所述全介質(zhì)光柵的頂層光柵層厚度、次 層光柵層厚度、次層光柵剩余層厚度、占寬比、周期和膜層厚度等進行優(yōu)化設計，TE和TM偏 振入射光在波段內(nèi)-1級反射衍射效率很高，可以實現(xiàn)偏振無關衍射效果。
[0036] 實施例1:
[0037]偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，如圖1所示，由基底和高折射率 對比度全介質(zhì)周期膜系8構成光柵底部結(jié)構，由頂層光柵層3、次層光柵層4和次層光柵剩余 層5組成的雙層矩形表面光柵結(jié)構構成光柵頂部結(jié)構。該光柵的膜系結(jié)構為S|(H1.04L) | A，其中S表示基底，H表示高折射率膜層7 (Hf02)，L表示低折射率膜層6(Si02)，膜層 周期數(shù)為15個周期，R表不次層光柵剩余層(Hf〇2)，G2表不次層光柵層(Hf〇2)，Gi表不頂層光 柵層(Si02)，A表示空氣。光柵的周期為909納米，對應光柵線密度為1100線每毫米，光柵占 寬比為0.47。該光柵頂部光柵結(jié)構有兩層:頂層光柵層3為低折射率材料Si0 2，厚度為320納 米;次層光柵層4為高折射率材料Hf02,厚度為400納米，次層光柵剩余層5的厚度為193納 米。該光柵的底部光柵結(jié)構由高低折射率材料周期膜系8構成，其中周期膜系中H層的物理 厚度為150納米，1.04L層的物理厚度為200納米。如圖3所示，當入射光以-1級利特羅角入射 時，在1020~1100納米范圍內(nèi)，光柵TE和TM偏振態(tài)的-1級反射率很高，高于95%。特別的，在 中心波長1064納米處，-1級衍射效率高于99%。如圖4所示，當入射波長為1064納米時，在入 射角33°~38.5°之間TE和TM入射光的-1級反射率均高于95%。如圖5所示，當入射波長為 1064納米時，在方位角正負17.5°之間TE和TM入射光的-1級反射率均高于95%。這表明該光 柵具有較寬的帶寬和可以在較寬的入射角范圍以及方位角范圍內(nèi)工作。
[0038] 實施例2:
[0039] 偏振無關高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，如圖2所示，光柵由基底、高折射率 對比度全介質(zhì)周期薄膜層和匹配層9構成光柵底部結(jié)構，由頂層光柵、次層光柵和次層光柵 剩余層組成的雙層矩形表面光柵結(jié)構構成光柵頂部結(jié)構。該光柵的膜系結(jié)構為S (HO . 857L)| A，其中S表示基底，H表示高折射率膜層(Ta2〇5)，L表示低折射率膜層6 (Si0 2)，膜層周期數(shù)為15個周期，M表示匹配層(Ta2〇5)，R表示次層光柵剩余層(Si0 2)，G2表示 次層光柵層（3;1〇2)，61表不頂層光柵層(^2〇5)，4表不空氣。該光柵的周期為859.8納米，對 應光柵線密度為1163線每毫米，光柵占寬比為0.65。該光柵頂部光柵結(jié)構有兩層:頂層光柵 層為高折射率材料Ta 2〇5，厚度為330納米;次層光柵層為低折射率材料Si02，厚度為160納 米，次層光柵剩余層厚度為430納米。該光柵的底部光柵結(jié)構由匹配層和高低折射率材料周 期膜層構成，其中匹配層為高折射率材料Ta 2〇5，厚度為160納米，周期膜系中H層的物理厚度 為141納米，0.857L層的物理厚度為193納米，周期數(shù)為15個周期。如圖6所示，當入射光以利 特羅角入射時，在1020~1100納米范圍內(nèi)，光柵TE和TM偏振態(tài)的-1級反射率很高，高于 95%。特別的，在中心波長1064納米處，-1級衍射效率高于98%。如圖7所示，當入射波長為 1064納米時，在入射角35.5°~39.5°之間TE和TM光德-1級反射率均高于95%。如圖8所示， 當入射波長為1064納米時，在方位角正負16.5°之間TE和TM入射光的-1級反射率均高于 95%〇
[0040] 實施例3:
[0041 ]偏振無關高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，如圖1所示，由基底和高折射率對比 度全介質(zhì)周期膜系構成光柵底部結(jié)構，由頂層光柵層、次層光柵層和次層光柵剩余層組成 的雙層矩形表面光柵結(jié)構構成光柵頂部結(jié)構。該光柵的膜系結(jié)構為3|汨2〇 151^261|4，其中 S表示基底，H表示高折射率膜層(Ta 2〇5)，L表示低折射率膜層(Si02)，膜層周期數(shù)為15個周 期，R表不次層光柵剩余層(Hf〇2)，G2表不次層光柵層(Hf〇2)，Gi表不頂層光柵層(Si〇2)，A表 示空氣。光柵的周期為847納米，對應光柵線密度為1180線每毫米，光柵占寬比為0.53。該光 柵頂部光柵結(jié)構有兩層:頂層光柵層為低折射率材料Si0 2，厚度為270納米;次層光柵層為 高折射率材料Hf02,厚度為400納米，次層光柵剩余層的厚度為230納米。該光柵的底部光柵 結(jié)構由高低折射率材料周期膜系構成，其中周期膜系中H層的物理厚度為128納米，2L層的 物理厚度為215納米。如圖9所示，當入射光以利特羅角入射時，在1020~1100納米范圍內(nèi)， 光柵TE和TM偏振態(tài)的-1級反射率很高，高于95%。特別的，在中心波長1064納米處，-1級衍 射效率高于99%。如圖10所示，當入射波長為1064納米時，在入射角36°~41°之間TE和TM光 德-1級反射率均高于95%。如圖11所示，當入射波長為1064納米時，在方位角正負18.5°之 間TE和TM入射光的-1級反射率均高于95%。
[0042] 實施例4:
[0043]偏振無關高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，如圖2所示，光柵由基底、高折射率 對比度全介質(zhì)周期薄膜層和匹配層構成光柵底部結(jié)構，由頂層光柵、次層光柵和次層光柵 剩余層組成的雙層矩形表面光柵結(jié)構構成光柵頂部結(jié)構。該光柵的膜系結(jié)構為S|(H2L) BHRGA | A，其中S表示基底，H表示高折射率膜層(Hf02)，L表示低折射率膜層(Si02)，膜層周 期數(shù)為15個周期，匹配層為H(Hf0 2)，R表示次層光柵剩余層（5102)，62表示次層光柵層 (Si〇2)，Gi表不頂層光柵層(Hf〇2)，A表不空氣。該光柵的周期為961.5納米，對應光柵線密度 為1040線每毫米，光柵占寬比為0.56。該光柵頂部光柵結(jié)構有兩層:頂層光柵層為高折射率 材料Hf02，厚度為380納米;次層光柵層23為低折射率材料Si02，厚度為188納米，次層光柵剩 余層厚度為53納米。該光柵的底部光柵結(jié)構由匹配層和高低折射率材料周期膜層構成，其 中匹配層為高折射率材料Hf〇2,光學厚度為一個H，周期膜系中H層的物理厚度為102納米， 2L層的物理厚度為261.7納米，周期數(shù)為15個周期。如圖12所示，當入射光以利特羅角入射 時，在1020~1100納米范圍內(nèi)，光柵TE和TM偏振態(tài)的-1級反射率很高，高于95%。特別的，在 中心波長1064納米處，-1級衍射效率高于98%。如圖13所示，當入射波長為1064納米時，在 入射角31.5°~36°之間TE和TM光德-1級反射率均高于95 %。如圖14所示，當入射波長為 1064納米時，在方位角正負19.8°之間TE和TM入射光的-1級反射率均高于95%。
[0044]本發(fā)明1064納米波段偏振無關高衍射效率雙層反射光柵，對TE和TM偏振光都具有 很高的-1級衍射效率，具有角度使用靈活、帶寬較寬等優(yōu)點，是理想的衍射光學器件，在高 功率激光領域具有良好實用前景。
【主權項】
1. 一種1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，其特征在于包括由 上至下由頂層光柵層(3)、次層光柵層(4)和次層光柵剩余層(5)構成光柵頂部結(jié)構，以及由 上至下由高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層和基底構成光柵底部結(jié)構； 所述的頂層光柵層和次層光柵層為高折射率對比度材料： 當頂層光柵層為低折射率材料時，則次層光柵層為高折射率材料，次層光柵剩余層的 材料與次層光柵層的材料一致； 當頂層光柵層為高折射率材料時，則次層光柵層為低折射率材料，次層光柵剩余層的 材料與次層光柵層的材料一致，且次層光柵剩余層下面設有高折射率材料的匹配層(9)。2. 如權利要求1所述的1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，其 特征在于:所述的低折射率材料為SiO2;所述的高折射率材料為Hf O2或Ta2O5;所述光柵的高 折射率對比度材料由上述兩種材料或三種材料構成。3. 如權利要求1所述的1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，其 特征在于:所述的高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層的膜系結(jié)構為(HnL)~m，其中H為高折 射率材料膜層，L為低折射率材料膜層，η為大于0的系數(shù)，m為膜層周期數(shù)。4. 如權利要求1所述的1064納米偏振無關寬帶高衍射效率雙層反射型全介質(zhì)光柵，其 特征在于:該矩形光柵的周期Λ為833~1052納米，對應線密度為950~1200線每毫米，頂層 光柵層(3)的物理厚度為250~400納米，次層光柵層(4)的物理厚度為150~450納米，光柵 占寬比f為0.47~0.65,高折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層的周期數(shù)為至少10個周期或高 折射率對比度全介質(zhì)周期薄膜層的總層數(shù)大于20層。
【文檔編號】G02B5/18GK105891925SQ201610239620
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】晉云霞, 陳俊明, 邵建達, 孔釩宇, 黃昊鵬, 張洪, 王磊磊, 李林欣
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所