CN1588134A - 高密度矩形深刻蚀石英透射光栅 - Google Patents
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Abstract
一种用于高衍射效率透射800纳米波段半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅，其特征在于该光栅的线密度为1220～1270线/毫米，光栅的深度为1.49～1.55微米，光栅的占空比为1/2。本发明可以同时使TE、TM偏振方向的+1级布拉格透射衍射效率实现高于90％的结果，本发明矩形刻蚀石英透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光刻工艺加工而成，可以低成本、大批量生产。
Description
技术领域
本专利涉及石英透射光栅，特别是一种用于800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光的高衍射效率的透射器件的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅。
背景技术
半导体激光器由于体积小、重量轻和能量转换效率高等优点，得到了广泛的应用，其中800纳米波段的半导体激光器是最常用的激光器。因此，针对800纳米波段的高效率光栅器件，具有重要的应用价值。此外，衍射光栅作为色散元件对于飞秒激光脉冲也有很多重要应用，如在时空变换技术中的脉冲整形，光参量啁啾脉冲放大技术(OPCA)中对脉冲进行压缩和展宽等。目前飞秒激光主要由钛宝石激光器产生，中心波长在800纳米左右，因此针对飞秒激光的以800纳米为中心的高效率的衍射光栅器件具有重要的应用价值。
高密度色散光栅要求有能够接近100％的衍射效率和尽可能高的破坏阈值。金属光栅利用金属具有较高的反射率而被广泛采用，其衍射效率达90％以上。但是由于金属存在吸收损耗，金属光栅的衍射效率不可能无限提高，而吸收的光能转化为热能，使得破坏阈值降低。利用电介质材料制作的光栅对光的吸收很小，具有较高的破坏阈值，而且通过对光栅深度及周期的优化选择，介质光栅的衍射效率也可以达到90％以上。浅刻蚀的表面浮雕光栅镀上电介质反射膜层后可以有较高的衍射效率，但是反射膜层的设计及制作相当复杂。随着微电子技术的不断革新，依靠先进的微电子深刻蚀工艺，透射式石英光栅的衍射效率可以达到90％以上。
矩形深刻蚀石英光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在石英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，具有高效率的体光栅布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀的平面光栅完全不同。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1：M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)，可以解决这类深刻蚀光栅的衍射问题。但据我们所知，还没有人提供800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光给出高密度矩形深刻蚀石英透射光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是对800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光提供一种高衍射效率石英透射光栅，该光栅可以在TE或TM偏振模式自由选择的情况下，实现一级布拉格透射衍射效率大于90％。由于高密度光栅往往是偏振相关的，而实用化则希望偏振无关，因此能够实现偏振模式自由选择的情况下的高效率的透射效果，在实际使用中也是非常需要的。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于透射800纳米波段的半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅，其特征在于该光栅的线密度为1220～1270线/毫米，光栅的深度为1.49～1.55微米，光栅的占空比为1/2。所述的光栅的线密度为1220线/毫米，光栅的深度为1.52微米的表面浮雕结构。
附图说明
图1是本发明高密度矩形深刻蚀石英透射光栅的几何结构。
图2是本发明高密度矩形深刻蚀石英透射光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅线密度1220线/毫米、光栅深度1.52微米，占空比为1/2，在以800纳米为中心的波段(700纳米～900纳米)内使用时，TE/TM模式下一级布拉格透射衍射效率(％)。
图3是全息光栅的记录光路。
具体实施方式
本发明的依据如下：
图1显示了矩形光栅的几何结构。石英光栅的折射率为1.45332。d代表光栅的表面浮雕深度；∧代表光栅的空间周期，是光栅空间密度l的倒数，即∧＝1/l；光栅矢量K位于入射平面内。TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用在先技术1严格耦合波理论计算了石英光栅(占空比为1/2)在波长λ0为800纳米连续光入射下，光栅密度、深度在TE、TM偏振情况下的+1级布拉格透射衍射效率(对应的入射角θ满足θb＝sin-1(λ0/(2*∧)))，我们得到如下结论：
高密度衍射光栅，具有很强的偏振相关性。通过对光栅深度、光栅形状以及光栅周期的优化设计，可以实现光栅某一级(如+1级)闪耀，即衍射效率出现极大值(在90％以上)，
考虑到光栅制作工艺的局限性，较深的高密度光栅一般很难刻蚀，所以本发明只研究深度小于2微米的高密度光栅。本发明依据理论计算得到高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，即当光栅密度在1220线/毫米～1270线/毫米之间、光栅深度在1.49微米～1.55微米之间时，无论TE模还是TM模，光栅的一级布拉格透射衍射效率在800纳米波长下能达到90％以上，实现了对偏振模式的自由选择，见表1。特别是当光栅密度为1220线/毫米，光栅深度为1.52微米时，TE和TM偏振模式的效率均大于94％。
本发明同时研究了该优化结构在以800纳米为中心的波段(700纳米～900纳米)内对应TE/TM模式的一级布拉格透射衍射效率，λ0＝800纳米，入射角θb＝sin-1(λ0/(2*∧))的结果，如图2所示。
利用微光学技术制造高密度矩形光栅，首先采用全息记录方式记录光栅见图3：利用He-Cd激光器(波长为0.441μm)发出两束平面波以2θ夹角在基片上形成干涉场。我们采用涂覆有MICROPOSIT系列1818光刻胶的玻璃片作为记录基片，∧代表光栅的空间周期，即相邻条纹的间距，其大小为∧＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长，在实验中采用0.441μm。记录角θ越大，则∧越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期，周期值可以由上述效率图设计，记录高密度光栅。接着，把光刻胶上的图案通过微电子刻蚀技术，包括湿化学或反应离子干法刻蚀转移到石英基片上，洗去光刻胶后得到深刻蚀的高密度光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，为了得到高衍射效率、偏振模式自由选择的矩形石英光栅，在制作光栅的过程中，适当选择光栅线密度及光栅深度，就可以得到高衍射效率、偏振模式自由选择的矩形石英光栅。
由表1可知，该光栅的线密度为1220～1270线/毫米，光栅的深度为1.49～1.52微米，光栅的占空比为1/2，光栅的一级布拉格透射衍射效率η在TE和TM模式下均大于90％，当光栅的深度为1.52微米，光栅的线密度为1220线/毫米时，光栅的一级布拉格透射衍射效率η在TE和TM模式下均大于94％。这样此光栅的一级布拉格透射衍射效率无论对于TE模还是TM模，都能保证在94％以上，使得偏振模式可以自由选择。
本发明的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅对800纳米波段的半导体激光和以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光具有很高的透射衍射效率，充分利用全息光栅记录技术、微电子光刻技术和高密度等离子体干法深刻蚀技术，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是针对以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光或800纳米波段的半导体激光应用的高衍射效率透射光栅的一种重要的实现技术。
表1 1级布拉格透射衍射效率η(％)
[d为光栅深度(微米)，l为光栅线密度(线/毫米)]
Claims (2)
1、一种用于透射800纳米波段半导体激光或以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅，其特征在于该光栅的线密度为1220～1270线/毫米，光栅的深度为1.49～1.55微米，光栅的占空比为1/2。
2、根据权利要求1所述的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅，其特征在于所述的光栅的线密度为1220线/毫米，光栅的深度为1.52微米。
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