用于1THz波段的太赫茲偏振分束硅光柵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于1THz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，鏤空的周期排列的矩形硅條紋構(gòu)成的硅光柵，硅光柵的硅條紋寬度和周期的比值為0.27，光柵的周期為204.6?219.4微米，硅片厚度為47.6?51.4微米。此硅光柵對垂直入射的1THz光波，沒有高階衍射存在，僅有零階的透射與反射波，光柵的消光比大于100。該透射反射式偏振分束光柵具有寬工作角度帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、高分束效率、高消光比等優(yōu)點(diǎn)，在太赫茲成像和波譜測量領(lǐng)域中具有重要的實(shí)用價(jià)值。硅光柵可由飛秒微加工或微光學(xué)技術(shù)加工而成，取材方便，造價(jià)小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。
【專利說明】
用于1 THz波段的太赫茲偏振分束硅光柵
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種光柵偏振分束器，特別涉及一種用于ITHz波段的太赫茲偏振分束 娃光柵。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波是頻率范圍在0.1~10THZ，波長范圍在0.03~3毫米，介于微波與紅外之 間的電磁波。太赫茲光譜技術(shù)不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的細(xì)微變化作出分析 和鑒別，而且是一種非接觸測量技術(shù)，能夠?qū)Π雽?dǎo)體、電介質(zhì)薄膜及體材料的物理信息進(jìn)行 快速準(zhǔn)確的測量。太赫茲波可攜帶豐富的物理化學(xué)信息，其光子能量在毫電子伏量級，不會 對所作用的物體產(chǎn)生電離損傷，具有安全性。因而，太赫茲波在通信、生物醫(yī)學(xué)、無損探測、 環(huán)境檢測等方面有著非常重要的應(yīng)用前景。
[0003] 硅是一種優(yōu)良的紅外導(dǎo)波材料，取材方便，成本低廉，可用作1550納米波段的偏振 分束器【在先技術(shù)1:周常河等，1550納米波長硅反射式偏振分束光柵，專利CN101109831】。 硅也是一種很好的太赫茲導(dǎo)體，可用作太赫茲聚焦透鏡?；诠璨牧系亩S菲涅爾波帶片 【在先技術(shù)2:S.Wang，et al.，(^11^?.27，1183(2002)】也可實(shí)現(xiàn)類似的太赫茲聚焦功能， 但由于硅材料的高折射率(在0.5-1.5THz波段，折射率為3.42)，對太赫茲波具有很強(qiáng)的反 射，限制了其實(shí)際應(yīng)用。太赫茲波偏振分束器是一類重要的太赫茲功能器件，現(xiàn)有的太赫茲 波偏振分束器多基于金屬或有機(jī)聚合物材料，大都存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳輸損耗高、消光比低 等缺點(diǎn)。因而，利用成本低的硅基材料制作結(jié)構(gòu)簡單、損耗低、消光比高的太赫茲波偏振分 束器具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004] 矩形光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。高 密度矩形光柵的衍射理論，不能由簡單的標(biāo)量光柵衍射方程來解釋，須采用矢量形式的麥 克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。Moharam等人已給 出了嚴(yán)格親合波理論的算法【在先技術(shù)3:M.G.Moharam，et al ?，J.Opt ? Soc.Am.A. 12，1077 (1995)】，可以解決這類高密度光柵的衍射問題。但據(jù)我們所知，目前為止，還沒有人針對 ITz波段給出在硅基片上制作的透射反射式光柵偏振分束器的設(shè)計(jì)參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是針對ITz波段透射反射式光柵偏振分束器空白的問題，提出了一種用于 ITHz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，該硅光柵可以使ITHz光波在-2.6°至2.6°的角度入射 情況下，實(shí)現(xiàn)TE波大于99%的反射效率，TM波幾乎100%的透射效率，偏振消光比大于100。 這里的偏振消光比，定義為反射TE波與反射TM波、透射TM波與透射TE波的效率比值的最小 值。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于ITHz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，鏤空的周期 排列的矩形娃條紋構(gòu)成的娃光柵，娃光柵的娃條紋寬度和周期的比值為0.27,光柵的周期 為204.6-219.4微米，硅片厚度為47.6-51.4微米。
[0007]所述硅光柵的周期為212微米、硅片厚度為49.8微米時(shí)，實(shí)現(xiàn)TM偏振光全透射和TE 偏振光全反射。
[0008]所述娃光柵由飛秒微加工或微光學(xué)技術(shù)加工而成。
[0009] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明用于ITHz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，該透射 反射式偏振分束光柵具有寬工作角度帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、高分束效率、高消光比等優(yōu) 點(diǎn)，在太赫茲成像和波譜測量領(lǐng)域中具有重要的實(shí)用價(jià)值。硅光柵可由飛秒微加工或微光 學(xué)技術(shù)加工而成，取材方便，造價(jià)小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明太赫茲偏振分束硅光柵的橫截面示意圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明太赫茲偏振分束娃光柵俯視圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明硅矩形光柵占空比為0.27,在ITHz光波垂直入射情況下，分束器消光 比的對數(shù)隨光柵周期與槽深變化的等高線圖；
[0013] 圖4為本發(fā)明硅光柵的消光比隨入射角的變化曲線圖；
[0014] 圖5為本發(fā)明硅光柵對TM、TE太赫茲波的透射、反射效率隨入射角的變化曲線圖；
[0015] 圖6為本發(fā)明硅光柵飛秒微加工光路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 如圖1所示太赫茲偏振分束硅光柵的橫截面示意圖，區(qū)域1、3是空氣層，折射率為 1.0，區(qū)域2是娃光柵太赫茲偏振分束器，折射率為3.42，如圖2所不太赫茲偏振分束娃光柵 俯視圖，為矩形光柵。4代表入射太赫茲波，5代表透射TM太赫茲波，6代表反射TE太赫茲波 (橫電波）。太赫茲波4垂直入射到矩形光柵表面，TE偏振波(橫磁波)對應(yīng)于電場矢量的振動 方向垂直于入射面，TM偏振波對應(yīng)于磁場矢量的振動方向垂直于入射面。
[0017] 在如圖2所示的光柵結(jié)構(gòu)下，該光柵由鏤空的矩形硅條紋構(gòu)成，可將不同偏振態(tài)的 光通過高效率的透射和反射完全分開，實(shí)現(xiàn)高消光比偏振分束。如圖3所示矩形光柵（占空 比為0.27,即硅條紋寬度和周期的比值）的消光比的對數(shù)隨光柵周期與槽深變化的等高線 圖。在光柵周期小于300微米時(shí)，對垂直入射的ITHz光波，沒有高階衍射存在，僅有零階的透 射與反射波。在光柵的周期為204.6-219.4微米、硅片厚度為47.6-51.4微米時(shí)，可實(shí)現(xiàn)大于 1 〇〇的消光比。在光柵的周期為212微米、硅片厚度為49.8微米時(shí)，可實(shí)現(xiàn)1.7 X 105的消光 比，此時(shí)，TM偏振光可實(shí)現(xiàn)幾乎100 %的透射、5.9 X 1(T6反射;TE偏振光可實(shí)現(xiàn)幾乎100 %的 反射、3.2X10-9透射。
[0018] 如圖4所示硅光柵的消光比隨入射角的變化曲線圖，占空比為0.27,光柵的周期為 212微米、硅片厚度為49.8微米時(shí)，ITHz光波的入射所述太赫茲偏振分束硅光柵，入射角在-2.6°至2.6°之間，可實(shí)現(xiàn)大于100的偏振消光比。
[0019]如圖5所示硅光柵對TM、TE太赫茲波的透射、反射效率隨入射角的變化曲線圖，占 空比為0.27，光柵的周期為212微米、硅片厚度為49.8微米時(shí)，ITHz光波的入射所述太赫茲 偏振分束硅光柵，入射角在-2.6°至2.6°之間，TE太赫茲波可實(shí)現(xiàn)大于99%的反射效率、小 于1 %的透射率;TM太赫茲波可實(shí)現(xiàn)幾乎100 %的透射效率、小于6 X 1 (T6反射率。
[0020]利用飛秒微加工技術(shù)制造硅偏振分束光柵(見圖6)，首先利用軸棱錐透鏡12結(jié)合 二元相位板11，將平行入射的飛秒激光高斯光束17整形為旁瓣被壓縮的飛秒激光貝塞爾光 束18;再將所得到的貝塞爾光束18通過望遠(yuǎn)系統(tǒng)縮小光斑尺寸，使其具有足夠高的能量進(jìn) 行樣品的加工;將干燥、清潔的硅片15置于三維移動的平移臺16上，并將光束聚焦在硅片15 表面;控制平移臺16的移動，快速加工大面積高深徑比的硅光柵，圖6中置于同一光軸上的 透鏡3和物鏡4組成望遠(yuǎn)系統(tǒng)。
[0021]利用微光學(xué)技術(shù)制造硅偏振分束光柵，首先在干燥、清潔的硅基片上沉積一層金 屬鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠(Shipley，S1818，USA)。然后掩模板光刻的方式 記錄光柵，然后顯影，接著再用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到鉻膜上，利用化學(xué)試劑將 多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時(shí)間的等離子 體刻蝕，將硅片完全刻透，把光柵轉(zhuǎn)移到硅基片上，最后再用去鉻液將剩余的鉻膜剝離，就 得到所需要的硅光柵。
[0022]表1給出了本發(fā)明一系列實(shí)施例，數(shù)據(jù)為對垂直入射的1 THz光波，硅光柵占空比為 0.27時(shí)，不同光柵周期與硅片厚度所對應(yīng)的TE、TM偏振波的反射、透射效率以及消光比，在 制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵周期、硅片厚度，就可以得到不同消光比的高效率太赫茲 偏振分束光柵。由表1可知，該光柵的在光柵的周期為204.6-219.4微米、槽深為47.6-51.4 微米時(shí)，可實(shí)現(xiàn)大于100的消光比。
[0023]表 1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于ITHz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，其特征在于，鏤空的周期排列的矩形 娃條紋構(gòu)成的娃光柵，娃光柵的娃條紋寬度和周期的比值為0.27,光柵的周期為204.6-219.4微米，硅片厚度為47.6-51.4微米。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于ITHz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，其特征在于，所述硅光 柵的周期為212微米、硅片厚度為49.8微米時(shí)，實(shí)現(xiàn)TM偏振光全透射和TE偏振光全反射。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述用于ITHz波段的太赫茲偏振分束硅光柵，其特征在于，所述 娃光柵由飛秒微加工或微光學(xué)技術(shù)加工而成。
【文檔編號】G02B27/28GK106054400SQ201610592414
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610592414.7, CN 106054400 A, CN 106054400A, CN 201610592414, CN-A-106054400, CN106054400 A, CN106054400A, CN201610592414, CN201610592414.7
【發(fā)明人】馮吉軍, 李安原, 李敏, 曾和平
【申請人】上海理工大學(xué)