用于785纳米波段熔融石英透射1×3偏振无关分束光栅制造技术

一种用于７８５纳米波段的熔融石英透射１×３偏振无关分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，该光栅的周期为１０６４－１０７２纳米、刻蚀深度为２．５８０－２．６０２微米，光栅的占空比为０．５。本实用新型专利技术可以使ＴＥ偏振光０级衍射和±１级衍射的效率分别为３２．４７％和３２．５１％，ＴＭ偏振光０级衍射和±１级衍射的效率分别为３２．９５％和３２．９７％，总衍射效率均高于９７％，对ＴＥ和ＴＭ偏振光可以同时实现近乎理想的高效率１×３分束。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及1X3偏振无关分束器件，特别是一种用于785纳米波段的高效 率熔融石英透射1X3偏振无关分束光栅。
技术介绍
分束器广泛应用于各种光学系统中，它能把一束入射光分成几束能量相等的出射光。 传统的基于多层介质膜的分束器能量损失较大，制造过程复杂，成本高。近年来兴起 的光子晶体作为分束器，也同样存在着成本高，制造困难等缺点。 一些文献报道了 高密度相位光栅作为分束器，但主要是用作1X2分束器件，且是偏振相关的。而传 统的可用作1X3分束器件的达曼光栅分束器，最高理论衍射效率仅有68.74%在 先技术1: C. Zhou, and L. Liu， Appl. Opt. 34， 5961-5969 (1995)。而熔融 石英是一种非常好的光学材料，它具有从深紫外到远红外的宽透射谱，有很高的光 学质量，温度稳定性好，激光破坏阈值高。以熔融石英为材料，己经设计和制造了 低偏振相关损耗、高衍射效率光栅和偏振分束光栅。因此，若用熔融石英来制作1X3 偏振无关分束光栅，将是非常合适的。高密度矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深 槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具 有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。高密 度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，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参见在先技术2:M. G. Moharara 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，目前为止，还没有人针对常用的785纳米波段给出高密度深刻蚀熔 融石英高效率透射1X 3偏振无关分束光栅。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种用于785纳米波段的熔融石英透射1X3偏振无关分束光栅，在785纳米波段入射光垂直入射到光栅面上时，该光栅可 以对T E偏振光和TM偏振光同时实现0级衍射和土1级衍射等效率透射，衍射效 率差小于2%，总衍射效率高于97%。 本技术的技术解决方案如下一种用于785纳米波段的熔融石英透射1X3偏振无关分束光栅，是一种矩形高 密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.5，该光栅的周期的取值范围为1064-1072纳 米、刻蚀深度范围为2.580-2.602微米。所述光栅的周期为1068纳米，刻蚀深度为2. 591微米的技术效果最好。本技术的技术效果本技术用于785纳米波段的熔融石英透射1X 3偏振无关分束光栅由光学全 息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，工艺成熟，造价小，. 能大批量生产，具有重要的实用前景。实验表明在785纳米波段入射光垂直入射到本技术光栅面上时，可以使 T E偏振光0级衍射和士 1级衍射的效率分别为32. 47%和32. 51%, T M偏振光0 级衍射和士 1级衍射的效率分别为32. 95%和32. 97%，总衍射效率均高于97%,对 T E和T M偏振光可以同时实现近乎理想的高效率1X 3分束。附图说明图1是本技术785纳米波长的高效率熔融石英透射1X 3偏振无关分束光栅 的几何结构。图2是本技术1X 3偏振无关分束光栅在不同光栅周期和刻蚀深度下T E偏 振光垂直入射的0级衍射和土1级衍射的效率差密度曲线。图3是本技术1X3偏振无关分束光栅在不同光栅周期和刻蚀深度下TM偏 振光垂直入射的0级衍射和土1级衍射的效率差密度曲线。图4是本技术1X3偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.453596) 光栅周期为1068纳米，刻蚀深度为2. 591微米，占空比为0. 5，在785纳米波段附 近使用，各波长垂直入射到光栅时，TE/TM模式下的0级抬射效率和士 1级衍射效 率随入射波长的变化曲线。图5是全息光栅记录光路。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。具体实施方式下面结合实施例和附图对本技术作进一步说明。本技术的依据如下图1显示了高密度矩形深刻蚀石英分束光栅的几何结构。图中，1代表区域1(折射率为nj， 2代表区域2 (折射率为n2)， 3代表光栅，4代表入射光，5代表0 级衍射光，6代表-l级衍射光，7代表1级衍射光，yl代表光栅空间周期，力代表光 栅槽深，6代表光栅凸起的宽度(占空比^6/Z)。区域1、 2都是均匀的，分别为空气(折射率m =1)和熔融石英(折射率n2 =1.453596)。光栅矢量《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。入射光 垂直入射到光栅面上时，该光栅可以对TE偏振光和TM偏振光，同时实现1X3等 效率分束。在如图1所示的光栅结构下，本技术采用严格耦合波理论在先技术2计算了高密度深刻蚀熔融石英光栅(占空比为0.5)在红光785纳米波段的0衍射 和±1级衍射的效率差。依据理论计算得到矩形光栅的数值优化结果，如图2所示， 该光栅的周期的取值范围为1064-1072纳米、刻蚀深度为2. 580-2. 602微米时，T E偏振光O级衍射和土 l级衍射的效率差小于2%;如图3所示，该光栅的周期为 979-1107纳米、刻蚀深度为2. 576-2. 606微米时，TM偏振光0级衍射和土 1级衍 射的效率差小于2%;即当光栅的周期为1064-1072纳米、刻蚀深度为2. 580-2. 602 微米时，T E偏振光0级衍射和士1级衍射的效率差和TM偏振光0级衍射和士 1 级衍射的效率差同时小于2%。特别是光栅周期为1068纳米，刻蚀深度为2.591微 米时，可以使T E偏振光0级衍射和士 1级衍射的效率分别为32. 47%和32. 51%， T M偏振光0级衍射和士 1级衍射的效率分别为32. 95%和32. 97%,总衍射效率均 高于97%，对T E和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率1X3分束。如图4所示，光栅的周期为1068纳米，刻蚀深度为2. 591微米，若考虑785纳 米波段附近两种偏振模式的入射光垂直入射到光栅时，该偏振无关分束光栅在 780-790纳米波长范围内，即对应于10纳米的谱宽范围，TE偏振光O级衍射和士1级衍射的效率差和TM偏振光0级衍射和土 1级衍射的效率差同时小于2%。利用微光学技术制造高密度深刻蚀矩形1X3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(见图5)，采用He-Cd激光器7 (波 长为441纳米)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ll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、 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于７８５纳米波段的熔融石英透射１×３偏振无关分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为０．５，其特征在于该光栅的周期的取值范围为１０６４－１０７２纳米、刻蚀深度范围为２．５８０－２．６０２微米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，冯吉军，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]