金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅.pdf

一种用于800纳米波段的金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅，其特点在于该光栅的周期为450～550纳米、刻蚀深度700～900纳米，金膜的厚度为380～660纳米，光栅的占空比为0.4。本发明可使TE偏振光的-1级在130纳米(780-910纳米)的波长带宽内的衍射效率大于90％；当在相同的光栅结构参数，而在非利特罗角使用时，该光栅可在284纳米的宽带内，即780～1064纳米之间，TE偏振光的-1级衍射效率均高于80％。本发明金属嵌入式熔融石英宽带反射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以及镀膜技术加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。

1、  一种用于800纳米波段的金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅，其特征在于该光栅的周期为450～550纳米、刻蚀深度为700～900纳米，金膜的厚度为380～660纳米光栅的占空比为0.4。

2、  根据权利要求1所述的金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为550纳米，光栅的刻蚀深度为800纳米，金膜的厚度为550纳米。

金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅
技术领域
本专利涉及反射式光栅，特别是一种用于800纳米波长的金属嵌入式熔融石英宽带反射式光栅。
背景技术
在啁啾脉冲放大技术中，人们往往需要高衍射效率、较宽波长范围和较高的抗激光损伤能力的衍射光栅。最近，Wei Jia等人在熔融石英上制作出了这种高衍射效率的透射式光栅，其-1级的衍射效率理论上可达98％。【在先技术1：W.Jia et al.，Appl.Opt.47，6058(2008)】。但是，在很多应用，比如在光栅调谐窄线宽振荡器、光栅脉冲压缩器等中需要反射式光栅。传统的多层介质光栅以及纯金属光栅虽然可以满足要求，但是多层介质光栅的制作相当复杂、制作成本较高；纯金属的全息光栅以及刻划光栅的机械强度及抗激光损伤能力较弱，不适合用于高功率激光系统。
熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量：稳定的性能、高损伤阈值和从深紫外到远红外的宽透射谱。金作为一种常用的金属反射膜，其强度和稳定性较好，在红外区的反射率很高。目前，常用的金属反射光栅大多以金为薄膜材料。因此，利用熔融石英和金材料结合制作新型的嵌入式反射式光栅具有广泛的应用前景。
矩形光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有矩形槽形的光栅。高密度矩形光栅的衍射理论，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【在先技术2：M.G.Moharam 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800纳米波长给出在熔融石英基片上制作的金嵌入式反射光栅的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对常用800纳米波长的激光器提供一种宽带金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅。该金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅可以使TE偏振光在利特罗入射角的情况下的-1级衍射效率在130纳米(780～910纳米)的波长带宽内高于90％；而当在非利特罗角入射的情况下的-1级衍射效率在284纳米(780～1064纳米)的波长带宽内高于80％。因此，该金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅在啁啾脉冲压缩技术中具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于800纳米波段的金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅，其特点在于该光栅的周期为450～550纳米、刻蚀深度700～900纳米，金膜的厚度为380～660纳米，光栅的占空比为0.4。
所述的金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅的周期为550纳米，光栅的刻蚀深度为800纳米，金膜的厚度为550纳米。
本发明的依据如下：
图1显示了金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅的几何结构。区域1、2、3都是均匀的，分别为熔融石英(折射率n₁＝1.45332)、金膜(折射率n₂＝0.18-i5.13)和空气(折射率n₃＝1.0)。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面。线性偏振的光波以一定角度θ_i＝sin^-1(λ/(2*A*n₃))入射(定义为利特罗角)，λ代表入射光波长，Λ代表光栅周期。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术2】计算了矩形金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅(占空比为0.4)的-1级衍射效率随入射角的变化曲线如图2所示，即当光栅的周期为550纳米、刻蚀深度为800纳米，金膜的厚度为550纳米时，该光栅的-1级衍射效率在30°的角度带宽内大于90％。
如图3所示，光栅的周期为550纳米，深度为800纳米，金膜厚度为550纳米，在利特罗角入射时，TE偏振模式的入射光在120纳米的(780～900纳米)谱宽范围内的-1级衍射效率均可以达到90％以上。
如图4所示，TE偏振模式的入射光以72°角度(非利特罗角度)附近入射到光栅时，光栅的周期为550纳米，深度为800纳米，金膜厚度550纳米，光栅占空比为0.4时，TE偏振模式的入射光在284纳米的(780-1064纳米)的宽谱宽范围内的-1级衍射效率均可以达到80％以上。
附图说明
图1是本发明金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅的几何结构。
图中，1代表区域1(折射率为n₁)，2代表金膜(折射率为n₂)，3代表区域3(折射率为n₃)，4代表TE偏振模式下入射光，5代表TE模式下的-1级衍射光。
图2是本发明金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅在800纳米波长下，TE偏振模式的-1级衍射效率随入射角的变化曲线。
图3是本发明金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅周期为550纳米、光栅深度800纳米，金膜厚度550纳米，占空比为0.4，在利特罗角入射时的带宽特性曲线。
图4是本发明金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅周期为550纳米、光栅深度800纳米，金膜厚度550纳米，占空比为0.4，在非利特罗角入射时(入射角72°)的带宽特性曲线。
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
利用微光学技术制造高密度矩形偏振分束光栅，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11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、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则A越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述衍射效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，接着再用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到熔融石英基片上，然后把刻有光栅的石英基片放入镀膜机中镀金，最后再用去铬液将剩余的铬膜以及铬膜上的金剥离，就得到高密度金属嵌入式光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期、刻蚀深度及沟槽内所镀金膜的厚度，就可以在不同的带宽内得到高衍射效率的矩形金属嵌入式反射光栅。由表1可知，该光栅的周期为450-550纳米、刻蚀深度为700-900纳米，金膜厚度为380-660纳米，对800纳米中心波长的入射角为利特罗角时，该金属嵌入式反射光栅在200纳米(720-920纳米)的谱宽范围内的衍射效率大于80％。
表1对800纳米波长为利特罗角入射时不同波长的TE偏振光在-1级衍射效率η，h为光栅深度，t为金膜的厚度，Λ为光栅周期



本发明的金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅，具有结构简单、机械强度好、角度带宽及光谱带宽较宽、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的宽带反射式光栅，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，可应用于宽带反射式光栅对脉冲压缩器中，具有重要的实用前景。