專利名稱：800納米波段背入射式高密度石英反射光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及反射光柵，特別是一種應用于800納米波段的的半導體激光或者以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的反射器件的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
背景技術(shù)：
半導體激光器由于體積小，重量輕，能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，得到了廣泛的應用，其中800納米波段的半導體激光器是最常用的激光器。因此，針對800納米波段的高效率光柵器件，具有重要的應用價值。此外，衍射光柵作為色散元件對于飛秒激光脈沖也有很多重要應用，如時空變換技術(shù)中對脈沖進行整形，光參量啁啾脈沖放大技術(shù)(OPCA)中對脈沖進行壓縮和展寬等。目前飛秒激光主要由鈦寶石激光器產(chǎn)生，中心波長在800納米左右，因此針對飛秒激光的以800納米為中心的高效率的衍射光柵器件具有重要的應用價值。
反射光柵要求有能夠接近100％的衍射效率和盡可能高的破壞閾值。金屬光柵利用金屬具有較高的反射率而被廣泛采用，其衍射效率常在90％以上。但是由于金屬存在吸收損耗，金屬光柵的衍射效率不可能無限提高，而吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，使得破壞閾值降低。利用電介質(zhì)材料制作的光柵對光的吸收很小，但是實現(xiàn)高衍射效率的介質(zhì)光柵很難制作。透射式石英光柵其衍射效率若達到90％以上需要有很高的刻槽線密度，1000線/毫米以上，光柵的深度也需要達到1微米以上，制作如此高深寬比的石英光柵必須依靠先進的微電子深刻蝕工藝。雖然淺刻蝕的表面浮雕光柵鍍上電介質(zhì)反射膜層后可以進一步提高衍射效率，但是反射膜層的設(shè)計及制作相當復雜。J.R.Marciante等人報道了一種新型的高效率的背入射式反射光柵，見先技術(shù)1J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，該類型光柵(TIR光柵)利用內(nèi)部全反射效應(TIR，total internal reflection)，即光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，若入射角滿足全反射條件，則光疏介質(zhì)中將沒有透射光，入射光的能量全部集中到反射光上。所謂的背入射式光柵，又稱浸入式光柵(the immersed grating)，本文稱為背入射式光柵，指光不是從光柵的正面，即有光柵槽的一面入射，而是從光柵基底的背面入射。通過對光柵周期及深度的優(yōu)化選擇，該背入射式光柵的1級反射衍射效率可以達到99.99％以上，幾乎接近完全反射。TIR光柵的優(yōu)點是衍射效率與光柵的槽形無關(guān)；直接在電介質(zhì)材料上(往往利用石英)刻蝕出淺浮雕形的光柵結(jié)構(gòu)；吸收損耗與金屬相比非常??；由于衍射效率已經(jīng)很高，所以不需要在光柵表面鍍高反射介質(zhì)膜。
本發(fā)明采用矩形結(jié)構(gòu)光柵的計算模型。高密度光柵的衍射理論，不能由簡單的標量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地計算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴格耦合波理論的算法，見在先技術(shù)2M.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，沒有人針對800納米波段的半導體激光和以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光設(shè)計制造800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光或800納米波段的半導體激光提供一種800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，該光柵可以在TE或TM偏振模式下實現(xiàn)800納米波長一級反射衍射效率大于90％。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于反射800納米波段的半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為346～396納米，光柵的深度為260～300納米，光柵的占空比為1/2。所述的光柵的周期為366納米，光柵的深度為280納米的表面浮雕結(jié)構(gòu)。
一種用于反射800納米波段的半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為331～381納米，光柵的深度為360～440納米，光柵的占空比為1/2。所述的光柵的周期為346納米，光柵的深度為380納米的表面浮雕結(jié)構(gòu)。


圖1是本發(fā)明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。
圖2是本發(fā)明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為366納米、光柵深度280納米，占空比為1/2，在800納米附近的波段內(nèi)使用時TE模式偏振光以48.91°角度入射(針對800納米波長的TIR光柵)及各個波長以相應的Littrow角度。
圖3是本發(fā)明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵(熔融石英的折射率取1.45332)光柵周期為346納米、光柵深度380納米，占空比為1/2，在800納米附近的波段內(nèi)使用時TM模式偏振光以52.87°角度入射(針對800納米波長的TIR光柵)及各個波長以相應的Littrow角度入射下(TIR(Littrow)光柵)一級反射衍射效率(％)。
圖4是全息光柵的記錄光路。
具體實施例方式
本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了800納米波段背入射式高密度石英反射光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1，2都是均勻的，分別為石英(折射率n1＝1.45332)和空氣(折射率n2＝1)。光柵矢量K位于入射平面內(nèi)。TE偏振入射光對應于電場矢量的振動方向垂直于入射面；TM偏振入射光對應于磁場矢量的振動方向垂直于入射面。一線性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*∧))入射，定義為Littrow條件，即衍射光沿原入射光的方向返回的條件，λ代表入射波長，∧代表光柵周期。根據(jù)光柵衍射方程及全反射條件，∧應滿足條件n1>λ2Λ>n2.]]>在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用在先技術(shù)2嚴格耦合波理論計算了石英光柵，占空比為1/2在800納米附近的多波長光入射下，1級反射衍射效率。我們得到如下結(jié)論如圖2所示，TE偏振模式的入射光以48.91°角度(對應于λ＝800納米)入射到TIR光柵時，該光柵的周期為366納米，深度為280納米，1級反射衍射效率在800納米波長處為100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)，而且在793-808納米波長段內(nèi)，即16納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率可以達到99％以上，而在779-831納米波長段內(nèi)，即53納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率保持在90％以上。若考慮在800納米附近的波段內(nèi)的所有波長各自以對應的Littrow角度入射，則在783-816納米波長段內(nèi)，即34納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率可以達到99％以上，而在732-853納米波長段內(nèi)，即122納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率保持在90％以上。
如圖3所示，TM偏振模式的入射光以52.87°角度(對應于λ＝800納米)入射到TIR光柵時，該光柵的周期為346納米，深度為380納米，1級反射衍射效率在800納米波長處為100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)，而且在792-808納米波長段內(nèi)即17納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率可以達到99％以上，而在775-828納米波長段內(nèi)即54納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率保持在90％以上。若考慮在800納米附近的波段內(nèi)的所有波長各自以對應的Littrow角度入射，則在773-817納米波長段內(nèi)，即45納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率可以達到99％以上，而在709-846納米波長段內(nèi)，即138納米的譜寬范圍內(nèi)衍射效率保持在90％以上。
利用微光學技術(shù)制造高密度矩形光柵，首先采用全息記錄方式記錄光柵(見圖6)利用He-Cd激光器(波長為0.441μm)發(fā)出兩束平面波以2θ夾角在基片上形成干涉場。我們采用涂覆有MICROPOSIT系列1818光刻膠的玻璃片作為記錄基片，∧代表光柵的空間周期，即相鄰條紋的間距，其大小為∧＝λ/(2*sinθ)，其中，λ為記錄光波長，在實驗中采用0.441μm。記錄角θ越大，則∧越小，所以通過改變θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述效率圖設(shè)計)，記錄高密度光柵。例如∧＝346微米時，記錄角θ為39.59°，接著，把光刻膠上的圖案通過微電子刻蝕技術(shù)(濕化學或反應離子干法刻蝕)轉(zhuǎn)移到石英基片上，洗去光刻膠后得到高密度表面浮雕結(jié)構(gòu)的石英光柵。
表1給出了本發(fā)明一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵周期及光柵深度，就可以得到在TE偏振模式下對800納米波長的高衍射效率的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
例如，當TIR光柵的周期為366納米，深度為280納米時，光柵的占空比為1/2，光柵的一級反射衍射效率η高達100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)。
表2給出了本發(fā)明另一系列實施例，在制作光柵的過程中，適當選擇光柵周期及光柵深度，就可以得到在TM偏振模式下對800納米波長的高衍射效率的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵。
例如，當TIR光柵的周期為346納米，深度為380納米時，光柵的占空比為1/2，光柵的一級反射衍射效率η高達100％(暫不考慮介質(zhì)的吸收損耗)。
本發(fā)明的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵對以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光或800納米波段的半導體激光具有很高的反射衍射效率，不需要考慮光柵槽形的結(jié)構(gòu)，也不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜，充分利用全息光柵記錄技術(shù)、微電子光刻技術(shù)，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是高衍射效率反射光柵的一種重要的實現(xiàn)技術(shù)。
表1 TE偏振模式下1級反射衍射效率η(％)[d為光柵深度(微米)，∧為光柵周期(納米)] 表2 TM偏振模式下1級布拉格透射衍射效率η(％)[d為光柵深度(微米)，∧為光柵周期(納米)]
權(quán)利要求
1.一種用于反射800納米波段半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于該光柵的周期為346～396納米，光柵的深度為260～300納米，光柵的占空比為1/2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為366納米，光柵的深度為280納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述光柵的周期為331～381納米，光柵的深度為360～440納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特征在于所述的光柵的周期為346納米，光柵的深度為380納米。
全文摘要
一種用于高衍射效率反射800納米波段半導體激光或以800納米為中心波長的飛秒脈沖激光的800納米波段背入射式高密度石英反射光柵，其特點在于當該光柵的周期為346～396納米，光柵的深度為260～300納米，光柵的占空比為1/2，本發(fā)明可以使在TE偏振光入射下1級反射衍射效率對800納米波長實現(xiàn)高于90％的結(jié)果；當該光柵的周期為331～381納米，光柵的深度為360～440納米，光柵的占空比為1/2，本發(fā)明可以使在TM偏振光入射下1級反射衍射效率對800納米波長實現(xiàn)高于90％的結(jié)果。本發(fā)明800納米波段背入射式高密度石英反射光柵由光學全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子光刻工藝加工而成，可以低成本、大批量生產(chǎn)。
文檔編號H01S5/00GK1588133SQ20041005290
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者周常河, 張妍妍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所