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1、(10)申请公布号 CN 102289014 A (43)申请公布日 2011.12.21 CN 102289014 A *CN102289014A* (21)申请号 201110275141.0 (22)申请日 2011.09.16 G02B 5/18(2006.01) G02B 27/28(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海光学精密机械研究 所 地址 201800 上海市嘉定区 800 211 邮政 信箱 (72)发明人 关贺元 晋云霞 刘世杰 汪剑鹏 范正修 (74)专利代理机构 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人 张泽纯 (54) 发明名称 1053纳米波段的金。
2、属介质膜反射式偏振分束 光栅 (57) 摘要 一种 1053 纳米波段的金属介质膜偏振分束 光栅， 特点在于其是在石英基底上依次镀制的银 层、 高反射膜层和矩形光栅构成， 该矩形光栅的周 期为 680.6 纳米， 占空比为 0.2， 光栅刻蚀深度为 374 476 纳米， 银层厚度为 100 纳米， 高反射膜 层的中间层为高折射率层， 内层外层为低折射率 层。 本发明反射式金属介质膜偏振分束光栅， 具有 很高的消光比和衍射效率， 较宽的带宽和角宽， 可 以用于高功率激光系统， 起到很好的偏振分光效 果。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要。
3、求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 CN 102289027 A1/1 页 2 1. 一种用于 1053 纳米波段的金属介质膜偏振分束光栅， 其特征在于是在石英基底上， 依次镀制的银层 （6） 、 高反射膜层 （5） 和矩形光栅 （1） 构成， 该矩形光栅 （1） 的周期为 680.6 纳米， 占空比为 0.2， 银层 （6） 厚度为 100 纳米， 刻蚀深度为 374476 纳米。 2. 如权利要求 1 所述的金属介质膜偏振分束光栅， 其特征在于所述的高反射膜层 （5） 由 3 层膜组成， 中间层 （3） 为高折射率层， 其材料为 TiO2或 Ta2O5， 内层 （4） 和外层 （2。
4、） 为低 折射率膜层， 其材料为 SiO2， 所述的高反射膜层是规整膜系， 或是非规整膜系。 3. 如权利要求 1 所述的金属介质膜偏振分束光栅， 其特征在于所述的矩形光栅 （1） 的 材料为 HfO2。 权 利 要 求 书 CN 102289014 A CN 102289027 A1/3 页 3 1053 纳米波段的金属介质膜反射式偏振分束光栅 技术领域 0001 本发明涉及高功率激光系统， 特别是一种金属介质膜偏振分束光栅， 是一种用于 1053 纳米波长的基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的金属介质膜反 射式偏振分束光栅。 背景技术 0002 激光以其特有的单色性好、 相干。
5、长度长、 指向性高、 能量密度高等特性， 使其成为 了自然科学中的一朵奇葩。高功率激光在物理学、 化学、 材料科学、 生命科学、 环境科学、 能 源科学等国民经济、 前沿科学研究方面有着广泛地应用 ； 在空间通信、 激光雷达、 光电对抗 等国家安全领域更有重大的应用潜力。激光装置的发展离不开光学元器件的传输， 随着高 功率激光系统的发展， 脉宽越窄其脉冲频谱越丰富， 由此对光学元器件的带宽和阈值均提 出了更高要求。 0003 在高功率激光系统中， 偏振分束器是重要的光学器件之一， 可以将光分成两束偏 振模式相互垂直的偏振光。传统的偏振分束器主要是晶体或多层介质膜。但是， 双折射晶 体的偏振分束。
6、器体积大， 价格昂贵 ； 薄膜偏振分束器工作带宽小， 膜层数多， 容易产生应力， 消光比不容易做的很高。随着微制造技术的发展， 亚波长光栅得以表面浮雕型光栅作为偏 振分束器， 易于小型化和集成化。而基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射 带， 设计的金属介质膜光栅有高激光损伤阈值、 高衍射效率、 宽带宽和宽角谱的性能。金属 介质膜光栅宽角谱的特性可以使得激光系统设计更加灵活。 金属介质膜偏振分束光栅通过 成熟的镀膜技术和刻蚀技术， 能够大量生产， 具有重要的实用前景。 0004 金属介质膜光栅的衍射理论， 不能由标量光栅衍射方程来解析， 而必须采用严格 耦合波理论的算法 【在先技术 1。
7、 ： M.GMoharam et al.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】 精确地计算出结果。据我们所知， 没有人针对 1053 纳米波段给出宽光谱， 宽角谱的金属介 质膜反射式偏振分束器光栅。 发明内容 0005 本发明要解决的技术问题是针对 1053 纳米波段提供一种金属介质膜偏振分束光 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方向进行传播， 在入射角度 50.7， 在 1030 1070 纳米波段 TE 偏振的 -1 级反射衍射效率和 TM 偏振的 0 级反射衍射 效率均大于97%， 0级和-1级消光比大于20dB。 工作波长为1053。
8、纳米， 入射角度为50.7， TE 偏振的 -1 级反射衍射效率和 TM 偏振的 0 级反射衍射效率均大于 98%， 0 级消光比和 -1 级消光比大于40dB。 因此能够实现宽光谱、 宽角谱、 高衍射效率和高消光比的金属介质膜光 栅， 具有重要的实用意义。 0006 本发明的技术解决方案如下 ： 一种用于 1053 纳米波段的金属介质膜偏振分束光栅， 其特点在于是在石英基底上， 依次镀制的银层、 高反射膜层和矩形光栅构成， 该矩形光栅的周期为 680.6 纳米， 占空比为 说 明 书 CN 102289014 A CN 102289027 A2/3 页 4 0.2， 银层厚度为 100 纳米。
9、， 刻蚀深度为 374476 纳米。 0007 所述的高反膜层由3层膜组成， 中间层为高折射率层， 其材料为TiO2或Ta2O5， 内层 和外层为低折射率膜层， 其材料为 SiO2， 所述的高反射膜层是规整膜系或是非规整膜系。 0008 所述的矩形光栅的材料为 HfO2。 0009 本发明的依据如下 ： 图1为本发明金属介质膜偏振分束光栅结构的剖面图。 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。由图 可见光栅上方为空气 （折射率为 n=1） ， 光从空气进入到矩形光栅， 然后进入到高反膜层， 到 达银层之后被反射， 再次经过膜。
10、层和光栅， 最后出射到空气。TE 和 TM 偏振进入光栅层对应 不同的边界条件， 产生不同的等效折射率。根据麦克斯韦方程， TE 和 TM 偏振在膜层中同样 有不同的边界条件和等效折射率。这样， 在光进入金属介质膜偏振分束光栅再被反射这个 过程中， 光被光栅、 膜层共同调制， TE 偏振光集中在 -1 级反射， TM 偏振光集中在 0 级反射， 产生了偏振分离的效果。 0010 在图 1 所示结构下， 本发明采用严格耦合波理论 【在先技术 1】 计算了基于多层介 质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的反射式金属介质膜偏振分束光栅的衍射效 率和消光比， 我们得到结论 ： 通过对所述的金属介质膜。
11、偏振分束光栅的光栅深度、 形状、 周期、 膜层层数和厚度优化 设计， 可以实现反射光在 0 级和 -1 级的偏振分离。 0011 本发明依据理解计算得到金属介质膜偏振分束光栅的数值优化结果， 即刻蚀深度 在 374 476 纳米之间， 占空比在 0.174 0.36 之间， 光栅在 45 55入射角下反射消 光比高于 20dB。入射角度 50.7， 在 1030-1070 纳米波段 TE 偏振的 -1 级反射衍射效率和 TM 偏振的 0 级反射衍射效率均大于 97%， 0 级和 -1 级消光比大于 20dB。工作波长为 1053 纳米， 入射角度为 50.7， TE 偏振的 -1 级反射衍射效。
12、率和 TM 偏振的 0 级反射衍射效率均 大于 98%， 0 级消光比和 -1 级消光比大于 40dB。 附图说明 0012 图 1 为本发明反射式金属介质膜偏振分束光栅结构剖面图。 0013 图 2 为反射式金属介质膜偏振分束光栅入射波长和衍射效率关系图。 0014 图 3 为反射式金属介质膜偏振分束光栅入射波长和消光比关系图。 0015 图 4 为反射式金属介质膜偏振分束光栅 0 级入射角度和衍射效率关系图。 0016 图 5 为反射式金属介质膜偏振分束光栅 -1 级入射角度和衍射效率关系图。 0017 图 6 为反射式金属介质膜偏振分束光栅入射角度和消光比关系图。 具体实施方式 0018。
13、 本发明提出的 1053 纳米波段的反射式金属介质膜偏振分束光栅模型的剖面结构 如图 1 所示。其特征是由石英基底， 银层 6、 3 层介质膜组成的高反射膜层 5 和矩形光栅 1 一体构成， 高反射膜层 5 的中间层 3 为高折射率层， 内层 2 外层 4 为低折射率层， - 入射 角 - 光栅周期 f- 占空比。 0019 实施例 ： 说 明 书 CN 102289014 A CN 102289027 A3/3 页 5 反射式金属介质膜偏振分束光栅， 由在石英基底上， 依次镀制银层 6、 由 3 层介质膜组 成的高反射膜层5和矩形光栅1一体构成， 该矩形光栅1的材料为HfO2（折射率1.96。
14、） ， 周期 为 680.6 纳米， 占空比为 0.2， 厚度为 417 纳米。高反射膜层 5 的中间层 3 材料为 HfO2， 厚度 为 95 纳米， 内层 4 和外层 2 膜材料为 SiO2（折射率 1.45） ， 厚度分别为 171 纳米和 52 纳米。 银层 6 厚度为 100 纳米。如图 2 入射角为 50.7时， 对 1053 纳米入射光， 光栅 TE 的 -1 级 衍射效率和 TM 的 0 级衍射效率都很高， 大于 98%， TE 的 0 级衍射效率和 TM 的 -1 级衍射效 率都很低， 小于 1%。如图 3 所示， 在 1053 纳米波长下两个反射级次的消光比都大于 40dB。
15、， 而且在 1030-1076 纳米范围内消光比都大于 20dB。如图 4 所示， 在入射波长 1053 纳米下， 在 40 -65入射角下， TM 的 0 级衍射效率很高 （98%） ， TE 的 0 级衍射效率很低。如图 5 所示， 在入射波长 1053 纳米下， 在 40 -65入射角下， TE 的 -1 级衍射效率很高 （98%） ， TM 的 -1 级衍射效率很低。如图 6 所示， 在 44 -57入射角范围内， 两个级次反射消光比 都大于20dB,在入射角为50.7时得到最高的消光比。 这表明器件可以在较大的入射角度 范围内工作。 0020 本发明 1053 纳米反射式金属介质膜偏振分束光栅， 具有很高的消光比和衍射效 率， 较宽的带宽和角宽， 可以用于高功率激光系统， 起到很好的偏振分光效果。 说 明 书 CN 102289014 A CN 102289027 A1/3 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102289014 A CN 102289027 A2/3 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102289014 A CN 102289027 A3/3 页 8 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102289014 A 。