CN1322339C - 532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅 - Google Patents

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Abstract

一种532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，为高密度矩形深刻蚀石英光栅，该光栅的线密度为1700～1920线/毫米，光栅的深度为0.9～1.1微米，光栅的占空比为1/2，本发明对532纳米波长可以同时使TE、TM偏振方向的+1级布拉格透射衍射效率实现高于85%，特别是当光栅密度为1830线/毫米，光栅深度为1微米时，TE和TM偏振模式的效率均大于94%；当光栅密度为1870线/毫米，光栅深度为0.9微米时，TE偏振模式下+1级布拉格透射衍射效率有最大值97.99%。本发明石英透射光栅由微电子光刻工艺、深刻蚀工艺加工而成，低成本、可以大批量生产。

Description

532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅
技术领域
本发明涉及光栅，特别是一种532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅。
背景技术
全息光栅和闪耀光栅是两种传统的光栅：全息光栅通过将两束光的干涉条纹记录在感光膜层上而形成；闪耀光栅通过机械刻划而形成。这两种光栅都是表面光栅，不具备体光栅的布拉格效应，因此衍射效率较低，在表面镀上金属反射膜后，效率会有一定量的提高，但金属膜层的反射率是固定有限的，所以不可能无限提高。
矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于这种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，没有人针对常用波长532纳米给出高密度深刻蚀矩形光栅的设计参数。
由于高密度光栅往往是偏振相关的，而实用化则希望与偏振无关，因此能够实现偏振模式自由选择的情况下的高效率的衍射效果，在实际使用中是非常需要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，该光栅可以同时在TE和TM偏振模式下运行，衍射效率大于85％。
本发明的技术解决方案如下：
一种532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，是高密度矩形深刻蚀石英光栅，其特征在于该光栅的线密度为1700～1920线/毫米，光栅的深度为0.9～1.1微米，光栅的占空比为1/2。
所述的光栅的线密度为1830线/毫米，光栅的深度为1微米。
本发明的依据如下：
图1显示了本发明矩形光栅的几何结构。区域1，3都是均匀的，分别为空气和石英(折射率n＝1.46)。光栅部分在区域2，其中介质1，3周期性地交替分布。d代表光栅的厚度；∧代表光栅的空间周期，是光栅空间线密度l的倒数，即∧＝1/l；f代表占空比，其大小为凸脊与凹槽的长度之比。一线性偏振的光波λ以任意角α入射到光栅上：当电场矢量沿y轴方向振动时，为TE波；当磁场矢量沿y轴方向振动时，为TM波。
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1】计算了石英光栅(占空比为1/2)在532纳米波长光入射下，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α满足α＝sin-1(λ/(2*∧)))，我们得到如下结论：
高空间频率衍射光栅，线密度高于400线/毫米，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)。
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1830线/毫米～1920线/毫米之间、光栅深度在0.9微米～1.1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532纳米波长下能达到85％以上，实现了对偏振模式的自由选择。特别是当光栅密度为1830线/毫米，光栅深度为1微米时，TE和TM偏振模式的效率均大于94％。特别当光栅密度为1870线/毫米，光栅深度为0.9微米时，TE偏振模式下+1级透射衍射效率有最大值97.99％。
附图说明
图1是本发明高密度矩形深刻蚀光栅的几何结构示意图。
图2是本发明高密度矩形深刻蚀光栅(熔融石英的折射率取1.46)
当光栅深度1微米，占空比为1/2，TE/TM模式532纳米波长入射的一级布拉格透射衍射效率与光栅线密度的关系曲线图。
图3是用于本发明全息记录方式记录光栅的装置结构示意图，字母H代表He-Cr激光器，S’代表快门，R代表反射镜，S代表分光镜，C代表滤波准直装置，SB代表基片.
具体实施方式
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，通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期，周期值根据表1进行设计，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(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(深度值根据表1设计)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，根据表1，适当选择光栅线密度l(线/毫米)及光栅深度d(微米)，就可以得到高衍射效率η、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l为1700～1920线/毫米，光栅的深度d为0.9～1.1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85％，当光栅的深度为1微米，光栅的线密度为1830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。
本发明的矩形刻蚀石英光栅可以作为对于532纳米波长的增透射消反射器件，通过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，经实验证明，本发明光栅的性能稳定、可靠。
表1  TE和TM偏振模式532纳米波长入射下，+1级布拉格透射衍射效率η，l为光栅线密度(线/毫米)，d为光栅深度(微米)

Claims (2)

1、一种532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，是高密度矩形深刻蚀石英光栅，其特征在于该石英透射光栅的线密度为1700～1920线/毫米，光栅的深度为0.9～1.1微米，光栅的占空比为1/2。
2、根据权利要求1所述的532纳米波长的高衍射效率石英透射光栅，其特征在于所述的石英透射光栅的线密度为1830线/毫米，光栅的深度为1微米。
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