CN111308596A - 一种偏振分束光栅及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振分束光栅及其制作方法，属于光学技术领域，能够解决现有偏振分束光栅工艺制作难度大，生产成品率较低的问题。所述偏振分束光栅包括：基底结构，基底结构包括第一面和第二面；光栅结构，光栅结构设置在第一面上；入射光可从第二面射入基底结构内，且射向光栅结构的光栅面，光栅面为光栅结构与基底结构接触的表面；且N_psinθ_i＞1；其中，θ_i为入射光的入射角，N_p为基底结构的折射率。本发明用于光线的偏振分束。

Description

一种偏振分束光栅及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种偏振分束光栅及其制作方法，属于光学技术领域。

背景技术

偏振分束器可以把一束光分成两束偏振方向互相垂直的偏振光，其广泛应用于全息光学和激光光学。传统的偏振分束器使用的是自然双折射晶体或者多层介质膜，然而前者价格昂贵且分光角度小，后者很难制作出高消光比的薄膜，故传统的偏振分束器不能满足现代光学***的需求。

当光栅周期、光栅深度，以及入射波长在同一个量级时，光栅就具有了很好的偏振特性，因此，可以把光栅作为偏振分束器而且能够满足现代光学***的需求。现有的偏振分束光栅采用透射式，在基底上直接制作光栅层，这种结构的光栅需要较深的刻蚀深度，工艺制作难度大，生产成品率较低。

发明内容

本发明提供了一种偏振分束光栅及其制作方法，解决了现有偏振分束光栅工艺制作难度大，生产成品率较低的问题。

本发明提供了一种偏振分束光栅，包括：基底结构，所述基底结构包括第一面和第二面；光栅结构，所述光栅结构设置在所述第一面上；入射光可从所述第二面射入所述基底结构内，且射向所述光栅结构的光栅面，所述光栅面为所述光栅结构与所述基底结构接触的表面；且N_psinθ_i＞1；其中，θ_i为所述入射光的入射角，N_p为所述基底结构的折射率。

可选的，所述光栅结构通过刻蚀介质膜制备而成。

可选的，所述光栅结构的折射率大于或等于1.9。

可选的，所述基底结构包括第一基底和设置在所述第一基底上的第二基底；所述第二基底包括所述第一面；所述第一基底包括所述第二面；所述第二基底和所述第一基底面接触；所述第二基底的折射率与所述第一基底的折射率的差值小于预设阈值。

可选的，所述光栅结构的占空比F的取值范围为0.4～1.0；其中，F＝W/d，W为所述光栅结构的宽度；d为所述光栅结构的周期。

可选的，所述光栅结构的光栅脊的侧面与底面的夹角θ的范围为75°≤θ≤90°。

可选的，所述光栅结构的光栅脊为多层结构，每层结构的材料不同。

可选的，所述光栅结构满足h≤2d；其中，h为所述光栅结构的深度，d为所述光栅结构的周期。

可选的，所述光栅结构的周期d满足：λ/(2N_p)≤d≤λ/N_p；其中：λ为所述入射光的波长；N_p为所述基底结构的折射率。

本发明还提供了一种应用于所述的偏振分束光栅的制作方法，包括以下步骤：在基底结构上镀介质膜；将所述介质膜刻蚀为光栅结构。

本发明能产生的有益效果包括：

本发明提供的偏振分束光栅通过设置基底结构和光栅结构，基底结构能够将从非光栅面入射的入射光进行全内反射，同时光栅结构将入射光进行偏振分束，从而实现刻蚀深度较浅的目的。相较于现有技术中偏振分束光栅采用透射式，在基底上直接制作光栅结构时需要较深的刻蚀深度，工艺上很难制作，且生产的成品率较低，本申请提供的偏振分束光栅由于基底结构能够对入射至光栅面的入射光进行全内反射，基底结构上设置的光栅结构对入射光进行偏振分束，实现了刻蚀深度较浅的目的，故在工艺上容易制作，从而偏振分束光栅生产的成品率较高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的偏振分束光栅结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的具体实施方式的衍射效率随光栅刻蚀深度的变化曲线一；

图3为本发明实施例提供的偏振分束光栅结构示意图二；

图4为本发明实施例提供的具体实施方式的衍射效率随光栅刻蚀深度的变化曲线二；

图5为本发明实施例提供的偏振分束光栅结构示意图三；

图6为本发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法流程图；

图7为本发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法一中的棱镜基底；

图8为本发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法一中镀介质膜后的棱镜基底；

图9为发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法一制作的光栅；

图10为本发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法二中的平板玻璃；

图11为本发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法二镀介质膜后的平板玻璃；

图12为本发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法二的介质膜刻蚀后的平板玻璃；

图13为发明实施例提供的偏振分束光栅的制作方法二制作的光栅。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本发明实施例提供了一种偏振分束光栅，如图1、图3、图5、图9、图13所示，包括：基底结构1，基底结构1包括第一面和第二面；光栅结构2，光栅结构2设置在第一面上；入射光3可从第二面射入基底结构1内，且射向光栅结构2的光栅面，光栅面为光栅结构2与基底结构1接触的表面；且N_psinθ_i＞1；其中，θ_i为入射光3的入射角，N_p为基底结构1的折射率；光栅结构2的周期和深度均与入射光3的波长在同一量级。

其中，基底结构1的折射率N_p在1.4至2.0之间。基底结构1可以仅包括第一基底11，参考图1所示；也可以包括第一基底11和第二基底12，第二基底12设置在第一基底11上，参考图13所示，本发明实施例对此不做限定。

如图1、图3、图5、图9所示，当基底结构1仅包括第一基底11时，第一基底11可以为一个棱镜、梯形镜，或者平板镜等，本发明实施例对此不做限定。优选的，第一基底11为棱镜，因为棱镜比较常见，材料易得。当第一基底11为棱镜时，棱镜为石英玻璃、K9玻璃或H-BAK7玻璃等材料中的一种，本发明实施例对此亦不做限定。

如图13，当基底结构1包括第一基底11和第二基底12，第二基底12设置在第一基底11上时，第一基底11可以为一个棱镜、梯形镜，或者平板镜等，优选的，第一基底11为棱镜；第二基底12可以为平板镜、平板玻璃等，优选的，第二基底12为平板玻璃，因为平板玻璃易得，成本较低，从而降低了生产成本。

基底结构1的第一面上设置光栅结构2，基底结构1上非第一面的表面，即没有设置光栅结构2的表面(非光栅面)，均为第二面。

入射光3可从第二面射入基底1结构内，且射向光栅结构2与基底结构1接触的表面，即入射光3射向光栅结构2的光栅面。入射光3是非偏振光，在棱镜内部经光栅面后发生衍射和偏振分束。当TE偏振光衍射为-1级衍射光线4时，TM偏振光衍射为0级衍射光线5；当TE偏振光衍射为0级衍射光线5时，TM偏振光衍射为-1级衍射光线4。其中，TE偏振定义为电场振动方向平行于光栅槽型，TM偏振定义为电场振动方向垂直于光栅槽型。

在实际应用中，基底结构1的折射率N_p与入射光3的入射角θ_i满足N_psinθ_i＞1，则入射光3在基底结构1内部能够全内反射；光栅结构2的周期和深度均与入射光3的波长在同一量级时，光栅能够作为偏振分束器，使光偏振分束。通过基底结构1使光全内反射，光栅结构2使光偏振分束，从而光栅能够实现工业易制作的浅刻蚀深度，进而实现工业大批量生产。

其中，光栅结构2的周期和深度均与入射光3的波长在同一量级，波长量级为0.1倍波长到10倍波长。

本发明提供的偏振分束光栅通过设置基底结构和光栅结构，基底结构能够将从非光栅面入射的入射光进行全内反射，同时光栅结构将入射光进行偏振分束，从而实现刻蚀深度较浅的目的。相较于现有技术中偏振分束光栅采用透射式，在基底上直接制作光栅结构时需要较深的刻蚀深度，工艺上很难制作，且生产的成品率较低，本申请提供的偏振分束光栅由于基底结构能够对入射至光栅面的入射光进行全内反射，基底结构上设置的光栅结构对入射光进行偏振分束，实现了刻蚀深度较浅的目的，故在工艺上容易制作，从而偏振分束光栅生产的成品率较高。

如图8、图11所示，光栅结构2通过刻蚀介质膜6制备而成。在实际应用中，介质膜6容易制作，而且容易刻蚀。制作光栅结构2的介质膜6为氧化铝(化学式：Al₂O₃)、氧化钛(化学式：TiO₂)、氧化铪(化学式：HfO₂)、氧化硅(化学式：SiO₂)、氧化钆(化学式：Gd₂O₃)、氮化硅(化学式：Si₃N₄)、硫化锌(化学式：ZnS)和硒化锌(化学式：ZnSe)、氧化铈(化学式：CeO₂)、氧化钽(化学式：Ta₂O₅)，以及硫化锌(化学式：ZnS)等中的任意一种，本发明实施例对此不做限定。

光栅结构2的折射率越高，光栅结构2的刻蚀深度越小。优选的，光栅结构2的折射率N大于或等于1.9，能够使光栅结构2的刻蚀深度变小，从而减小工艺制作的难度。在实际应用中，用于光栅结构2的高折射率镀膜介质有氮化硅(化学式：Si₃N₄；N＝2.0)，氧化铈(化学式：CeO₂；N＝2.35)，氧化铪(化学式：HfO₂；N＝1.95)，氧化钽(化学式：Ta₂O₅；N＝2.1)，氧化钛(化学式：TiO₂；N＝2.35)和硫化锌(化学式：ZnS；N＝2.40)等，本发明实施例对此不做限定。

如图13所示，基底结构1包括第一基底11和设置在第一基底11上的第二基底12；第二基底12包括第一面；第一基底11包括第二面；第二基底12和第一基底11面接触；第二基底12的折射率与第一基底11的折射率的差值小于预设阈值。

第二基底12包括第一面，第一面上设置光栅结构2；第一基底11包括第二面，基底结构1上非第一面的表面，即没有光栅结构2的表面(非光栅面)，均为第二面。在实际应用中，第二基底12与第一基底11面接触，第二基底12远离第一面的相对表面与第一基底11粘接，从而使偏振分束光栅的结构更牢固。

优选的，第一基底11为棱镜，第二基底12为平板玻璃，在实际应用中，平板玻璃的第一面镀介质膜6之后，刻蚀为光栅结构2，平板玻璃第一面的相对表面与棱镜粘接，平板玻璃和棱镜构成基底结构1。在实际应用中，可以直接在棱镜的第一面上镀介质膜6后刻蚀为光栅结构2，这种偏振分束光栅容易制作，光栅使用寿命较长，但由于棱镜成本较高，刻蚀时棱镜的损失会造成生产总成本的提高；而在平板玻璃的第一面上镀介质膜6后刻蚀为光栅结构2，再将平板玻璃第一面的相对表面与棱镜粘接，能够制作出所需功能的偏振分束光栅，同时由于平板玻璃材料易得，成本较低，故刻蚀时造成基底损失的成本降低，从而降低了生产总成本。

第一基底11的材料为熔石英、H-K9L、H-ZK6、H-ZF52、H-LAK52和H-ZLAF68B等材料中的任意一种，本发明实施例对比不做限定。优选的，使用熔石英，因为熔石英具有透过率高、热稳定性好、加工工艺成熟和抗激光损伤阈值大等特点。

第二基底12的折射率与第一基底11的折射率的差值小于预设阈值。其中，预设阈值为预先设定的值，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，本发明实施例对此不做限定。在实际应用中，该预设阈值一般设置得较小，以使第二基底12的折射率与第一基底11的折射率相近，从而增加第二基底12后，对光产生的作用与只有第一基底11时对光产生的作用相同，即在第一基底11的基础上，增加第二基底12不影响基底结构1最终对光产生的作用。优选的，第二基底12的折射率与第一基底11的折射率相同，从而增加第一基底11后，不影响基底结构1最终对光产生的作用。

优选的，光栅结构2的占空比F的取值范围为0.4～1.0，其中，F＝W/d，W为光栅结构2的宽度；d为光栅结构2的周期。光栅结构2的占空比F的取值范围为0.4～1.0可以易于工艺上刻蚀，同时使光栅产品牢固稳定。

在实际应用中，光栅结构2的光栅脊21的形状可以为三角形、正弦型、梯形，以及矩形等，本实施例对此不做限定。优选的，光栅结构2的光栅脊21的侧面和底面的夹角θ的范围为75°≤θ≤90°，从而能够降低刻蚀深度，易于工艺上刻蚀。

光栅结构2的光栅脊21为多层结构，每层结构的材料不同，如图5所示，图中N₁、h₁分别表示第一层光栅结构的折射率和深度，N₂、h₂分别表示第二层光栅结构的折射率和深度。层数的多少，每层的深度，每层材料的选择，可根据实际需要调整，光栅结构2微观形貌的调整，对光栅性能不会发生影响。

可选的，光栅结构2满足h≤2d，其中，h为光栅结构2的深度；d为光栅结构2的周期。光栅结构2满足h≤2d，使光栅在工艺上能够更容易制作出来。当光栅结构为多层时，每层深度的总和为h。

光栅结构2的周期d满足：λ/(2N_p)≤d≤λ/N_p。其中：λ为入射光3的波长；N_p为基底结构1的折射率。当光栅结构2的周期d满足：λ/(2N_p)≤d≤λ/N_p，可以提高入射光3的衍射效率。

在实际应用中，若入射光3波长为λ，那么-1级利特罗角满足以下条件：2N_psinθ_i＝λ；若光要在基底结构1内部全内反射，则基底结构1折射率N_p需满足以下条件：N_psinθ_i＞1；经公式代换，基底结构1的折射率N_p，入射光3的波长λ，光栅层的周期d满足以下条件：N_p＞N_psinθ_i＝λ/2d＞1(θ_i为入射光3的入射角)时，能够提高入射光3的衍射效率。

图1、图3、图5中，N_a表示空气的折射率，N_a＝1.0。

本发明的一种具体实施方式为：如图1所示，本实施例中偏振分束光栅应用于绿色激光λ＝532nm，设置基底结构1为熔石英(N_p＝1.45)，光栅脊21为矩形，光栅参数为：光栅材料选取氧化钛(化学式：TiO₂；N＝2.35)；占空比F＝0.5；光栅周期d＝0.25um；光栅深度h＝0.14um。

如图1所示，该光栅把TE偏振光衍射为-1级衍射光线4，TM偏振光衍射为0级衍射光线5。图2为本发明采用上述具体实施方式的衍射效率随刻蚀深度的变化曲线，经计算，该光栅深宽比h/d为0.56，刻蚀深度很浅，而且该光栅具有很好的公差参数，TE偏振光与TM偏振光衍射效率均在95％以上。

本发明的另一种具体实施方式为：如图3所示，本实施例中偏振分束光栅应用于绿色激光λ＝532nm，基底结构1为玻璃H-BAK7(N_p＝1.57)，光栅脊21为梯形，光栅参数为：光栅材料选取氧化钽(化学式：Ta₂O₅；N＝2.1)；占空比F＝0.59；光栅周期d＝0.25um；光栅深度h＝0.2um；梯形光栅脊的侧面与底面夹角θ为72°。

如图3所示，该光栅可以把TE偏振光衍射至0级衍射光线5，TM偏振光衍射至-1级衍射光线4。图4为本发明采用上述具体实施方式的衍射效率随刻蚀深度的变化曲线，经计算，该光栅深宽比h/d为0.8，刻蚀深度很浅，深度范围为0.185um至0.21um，且对于TE偏振光和TM偏振光能够达到95％以上的衍射效率，而且该光栅具有很好的公差参数。

本发明的再一种具体实施方式为：如图5所示，本实施例中偏振分束光栅应用于激光通信波长λ＝1.55um，基底结构1为熔石英(N_p＝1.45)，光栅脊21为多层材料组成，多层材料的光栅脊21为矩形，光栅参数为：光栅周期d＝750nm；光栅脊21第一层材料为二氧化硅(化学式：SiO₂；折射率N₁＝1.5；厚度h₁＝0.36um)，光栅脊21第二层材料为硫化锌(化学式：ZnS；折射率N₂＝2.40；厚度h₂＝0.25um)；占空比F＝0.53；光栅深度h＝0.81um。经计算，本实施方式的光栅，深宽比h/d只有0.813，可以把TE偏振光衍射至-1级衍射光线4，并实现95％以上的衍射效率，TM偏振光衍射至0级衍射光线5，并实现95％以上的衍射效率。

本发明又一实施例提供一种偏振分束光栅的制作方法，如图6所示，包括以下步骤：步骤71：在基底结构1上镀介质膜6；步骤71：将介质膜6刻蚀为光栅结构2。

具体的，如图7所示，当基底结构1为棱镜11时，如图8所示，首先在棱镜11第一面上，利用真空镀介质膜6，所镀的介质膜6可以为一层材料的膜，也可以为多层材料的膜；如图9所示，利用全息光刻和等离子刻蚀技术，将介质膜6刻蚀为光栅结构2。

当基底结构1的第一基底11为棱镜，第二基底12为如图10所示的平板玻璃时，如图11所示，首先在平板玻璃第一面上利用真空镀介质膜6，所镀的介质膜6可以为一层材料的膜，也可以为多层材料的膜；如图12所示，利用全息光刻和等离子刻蚀技术，将介质膜6刻蚀为光栅结构2；如图13所示，将平板玻璃12第一面相对的表面粘接在棱镜表面上。

需要说明的是，图1、图3、图5、图9、图12、图13中光栅结构2的物理尺寸为入射光波长量级，即微米量级，而第一基底11和第二基底12的物理尺寸是毫米量级。图中为了更清楚地说明光栅结构的模型及其参数，光栅结构2的尺寸放大了1000倍左右。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种偏振分束光栅，其特征在于，包括：

基底结构，所述基底结构包括第一面和第二面；

光栅结构，所述光栅结构设置在所述第一面上；

入射光可从所述第二面射入所述基底结构内，且射向所述光栅结构的光栅面，所述光栅面为所述光栅结构与所述基底结构接触的表面；

且N_psinθ_i＞1；其中，θ_i为所述入射光的入射角，N_p为所述基底结构的折射率。

2.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构通过刻蚀介质膜制备而成。

3.根据权利要求2所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构的折射率大于或等于1.9。

4.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述基底结构包括第一基底和设置在所述第一基底上的第二基底；所述第二基底包括所述第一面；所述第一基底包括所述第二面；

所述第二基底和所述第一基底面接触；

所述第二基底的折射率与所述第一基底的折射率的差值小于预设阈值。

5.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构的占空比F的取值范围为0.4～1.0；

其中，F＝W/d，W为所述光栅结构的宽度；d为所述光栅结构的周期。

6.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构的光栅脊的侧面与底面的夹角θ的范围为75°≤θ≤90°。

7.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构的光栅脊为多层结构，每层结构的材料不同。

8.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构满足h≤2d；

其中，h为所述光栅结构的深度，d为所述光栅结构的周期。

9.根据权利要求1所述的偏振分束光栅，其特征在于，所述光栅结构的周期d满足：λ/(2N_p)≤d≤λ/N_p；

其中：λ为所述入射光的波长；N_p为所述基底结构的折射率。

10.一种应用于权利要求1至9中任一项所述的偏振分束光栅的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基底结构上镀介质膜；

将所述介质膜刻蚀为光栅结构。

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