CN114460676A - 一种1030nm正弦型介质光栅及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种1030nm正弦型介质光栅及其制作方法，该光栅包括顶部光栅、中间多层介质层和基底；顶部光栅的材料为高折射率膜料，中间多层介质层包括若干交替叠加的高折射率材料介质膜层和低折射率材料介质膜层，基底的材料为低折射率材料；顶部光栅的槽型为正弦型。该制作方法在中间多层介质层上方设置一层高折射率膜层，高折射率膜层的材料为高折射率膜料，高折射率膜层的厚度为0.5‑0.6μm；在高折射率膜层上设置一层光刻胶；通过全息干涉***在将光刻胶制作成掩膜，进而刻蚀成顶部光栅。该光栅可以使TE和TM两种偏振态在1020‑1040nm波段内利特罗入射下拥有极高的衍射效率，且制作时仅需对一层膜层进行刻蚀，刻蚀工艺冗余度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种1030nm正弦型介质光栅及其制作方法，属于光学元件技术领域。
背景技术
在高功率激光领域中，经常使用脉冲压缩光栅作为核心光学元件，金属光栅、金属介质膜光栅及全介质光栅等均可以实现较高的衍射效率，然而，金属光栅及金属介质膜光栅由于其吸收特性，使其在高功率下容易被激光打坏，且金属光栅只能在TM偏振下才有高衍射效率；全介质光栅具有高衍射效率及高损伤阈值的优点，且衍射偏振无关，因此全介质光栅是脉冲压缩光栅的首选，然而常规的全介质光栅槽型为矩形或者梯形，且其光栅包含的膜层为两层或者两层以上，通常需要控制光栅的占空比在一定的范围内，且还需要精确控制光栅槽深度，同时还需控制槽型角度，这给光栅的加工带来了很多麻烦。
如申请号为201610239620.X的中国专利文件公开了一种1064纳米偏振无关宽带高衍射效率双层反射型全介质光栅。该光栅可以使TE和TM两种偏振模式的入射光以-1级利特罗角入射时，-1级反射衍射效率在80纳米范围(1020～1100纳米)波长带宽内高于95％，最高衍射效率超过99％，且该光栅在较宽角谱(5°左右)和宽方位角谱(正负15°～正负20°)内具有高于95％的-1级衍射效率。该光栅制作时需要控制占空比和光栅槽深度，且需要刻蚀多层膜层，提高了光栅的加工难度。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种1030nm正弦型介质光栅及其制作方法，该光栅可以使TE和TM两种偏振态在1020-1040nm波段内利特罗入射下拥有极高的衍射效率，且制作时仅需对一层膜层进行刻蚀，刻蚀工艺冗余度高。该制作方法能够降低441nmS光的反射，适于通过全息***制作光栅掩膜。
本发明的技术方案如下：
第一部分
一种1030nm正弦型介质光栅，包括顶部光栅、中间多层介质层和基底；所述顶部光栅的材料为高折射率膜料，所述中间多层介质层包括若干交替叠加的高折射率材料介质膜层和低折射率材料介质膜层，所述基底的材料为低折射率材料；所述顶部光栅的槽型为正弦型。
进一步的，所述顶部光栅的周期为833nm，深度为0.5-0.6μm。
进一步的，所述中间多层介质层的膜系结构为^m，其中，H为所述高折射率材料介质膜层，L为所述低折射率材料介质膜层，m为交替次数，且m大于8，Mi为第i层所述高折射率材料介质膜层厚度，Ni为第i层所述低折射率材料介质膜层厚度。
进一步的，所述中间多层介质层的最顶层为所述低折射率材料介质膜层，最底层为所述高折射率材料介质膜层。
进一步的，所述高折射率材料介质膜层的材料为Ta2O5或TiO2，所述低折射率材料介质膜层的材料为Si02。
进一步的，所述顶部光栅的材料为Ta2O5。
进一步的，所述基底的材料为熔石英。
第二部分
一种1030nm正弦型介质光栅的制作方法，用于制作权利要求2-6中任意一种1030nm正弦型介质光栅，包括以下步骤：
在所述中间多层介质层上方设置一层高折射率膜层，所述高折射率膜层的材料为高折射率膜料，所述高折射率膜层的厚度为0.5-0.6μm；
所述高折射率膜层和所述中间多层介质层共同形成针对15°入射下441nm的S光高透膜和38°入射下1030nm的S光和P光的高反膜；
在所述高折射率膜层上方设置一层光刻胶；
通过全息干涉***制作将所述光刻胶制作成掩膜；
将所述高折射率膜层刻蚀成所述顶部光栅。
本发明具有如下有益效果：
1.该光栅在TE和TM偏振态入射下，在1020-1040nm波段内，利特罗入射下，衍射效率大于97％，最高衍射效率大于99％。
2.该光栅制作时膜层结构简单，仅需刻蚀一层膜层，使得刻蚀工艺冗余度高，适合大批量生产。
3.该制作方法能够将441nm波段S光的反射率降低至5％以内，1020-1040nm波段P光和S光的反射率降低至2％以内，有效防止膜层反射率过高引起驻波效应。
4.该制作方法制备正弦光栅是，光刻胶厚度与顶层Ta2O5大致相当即可，刻蚀是，只需约45度旋转刻蚀，刻蚀深度0.5-0.6μm，对于刻蚀工艺来说，属于很大的冗余度，因此此光栅容易制造。
附图说明
图1为本发明实施例的膜层结构示意图。
图2为本发明实施例的膜层在15°入射下的S光反射率曲线。
图3为本发明实施例的膜层在38°入射下的P光和S光反射率曲线。
图4为本发明实施例的光栅结构示意图。
图5为本发明实施例的光栅衍射效率曲线。
图中附图标记表示为：
1、顶部光栅；2、中间多层介质层；201、高折射率材料介质膜层；202、第折射率材料介质膜层；3、基底；4、高折射率膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
第一部分
参考图4-5，一种1030nm正弦型介质光栅，包括顶部光栅1、中间多层介质层2和基底3；所述顶部光栅1的材料为高折射率膜料，所述中间多层介质层2包括若干交替叠加的高折射率材料介质膜层201和低折射率材料介质膜层202，所述基底3的材料为低折射率材料；所述顶部光栅1的槽型为正弦型。相比于现有的全介质光栅，该光栅包含的膜层仅为一层，且制作时无需精确控制光栅槽深度，占空比和槽型，降低了光栅制作难度。
进一步的，所述顶部光栅1的周期为833nm，深度为0.5-0.6μm。
进一步的，所述中间多层介质层2的膜系结构为MiHNiL^m，其中，H为所述高折射率材料介质膜1201，L为所述低折射率材料介质膜层202，m为交替次数，且m大于8，Mi为第i层所述高折射率材料介质膜层201厚度，Ni为第i层所述低折射率材料介质膜层202厚度。
进一步的，所述中间多层介质层2的最顶层为所述低折射率材料介质膜层202，最底层为所述高折射率材料介质膜层201。
进一步的，所述高折射率材料介质膜层201的材料为Ta2O5或TiO2，所述低折射率材料介质膜层202的材料为Si02。
进一步的，所述顶部光栅1的材料为Ta2O5。
进一步的所述基底3的材料为熔石英。
在本发明的一种具体实施方式中，所述高折射率材料介质膜层201的材料为Ta2O5，所述顶层光栅1的厚度为565nm，所述中间多层介质层2的结构如表1所示：
表1中间多层介质层结构
本实施方式中，光栅的衍射效率参考图5，在1020～1040nm波长下，按利特罗方向入射，TE和TM衍射效率大于97％。
第二部分
参考图1-3，一种1030nm正弦型介质光栅的制作方法，用于制作第一部分中所述的1030nm正弦型介质光栅，包括以下步骤：
在所述中间多层介质层2上方设置一层高折射率膜层4，所述高折射率膜层4的材料为高折射率膜料，所述高折射率膜层4的厚度为0.5-0.6μm；
所述高折射率膜层4和所述中间多层介质层2共同形成针对15°入射下441nm的S光高透膜和38°入射下1030nm的S光和P光的高反膜；
在所述高折射率膜层4上方设置一层光刻胶；
通过全息干涉***制作将所述光刻胶制作成掩膜；
将所述高折射率膜层4刻蚀成所述顶部光栅1。
全息***采用441nm的S偏振激光，对于833nm周期的光栅，全息干涉角为15°，为防止膜层反射率过高引起驻波效应，因此需要将S光的反射率降低至5％以内。图2为所述高折射率膜层4的厚度为0.565μm时该膜层的反射率曲线。同时，为提高光栅的衍射效率，所述高折射率膜层4与所述中间多层介质层构成1020-1040nm波段内的高反膜结构，使得入射角为30-45°的P光和S光的反射率大于98％，参考图3。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，包括顶部光栅(1)、中间多层介质层(2)和基底(3)；所述顶部光栅(1)的材料为高折射率膜料，所述中间多层介质层(2)包括若干交替叠加的高折射率材料介质膜层(201)和低折射率材料介质膜层(202)，所述基底(3)的材料为低折射率材料；所述顶部光栅(1)的槽型为正弦型。
2.根据权利要求1所述1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，所述顶部光栅(1)的周期为833nm，深度为0.5-0.6μm。
3.根据权利要求2所述1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，所述中间多层介质层(2)的膜系结构为(MiHNiL)^m，其中，H为所述高折射率材料介质膜层(201)，L为所述低折射率材料介质膜层(202)，m为交替次数，且m大于8，Mi为第i层所述高折射率材料介质膜层(201)厚度，Ni为第i层所述低折射率材料介质膜层(202)厚度。
4.根据权利要求3所述1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，所述中间多层介质层(2)的最顶层为所述低折射率材料介质膜层(202)，最底层为所述高折射率材料介质膜层(201)。
5.根据权利要求2所述1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，所述高折射率材料介质膜层(201)的材料为Ta2O5或TiO2，所述低折射率材料介质膜层(202)的材料为Si02。
6.根据权利要求2所述1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，所述顶部光栅(1)的材料为Ta2O5。
7.根据权利要求2所述1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，所述基底(3)的材料为熔石英。
8.一种1030nm正弦型介质光栅的制作方法，用于制作权利要求2-7中任意一种1030nm正弦型介质光栅，其特征在于，包括以下步骤：
在所述中间多层介质层(2)上方设置一层高折射率膜层(4)，所述高折射率膜层(4)的材料为高折射率膜料，所述高折射率膜层(4)的厚度为0.5-0.6μm；
所述高折射率膜层(4)和所述中间多层介质层(2)共同形成针对15°入射下441nm的S光高透膜和38°入射下1030nm的S光和P光的高反膜；
在所述高折射率膜层(4)上方设置一层光刻胶；
通过全息干涉***制作将所述光刻胶制作成掩膜；
将所述高折射率膜层(4)刻蚀成所述顶部光栅(1)。
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