用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于1THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，镂空的周期排列的矩形硅条纹构成的硅光栅，硅光栅的硅条纹宽度和周期的比值为0.27，光栅的周期为204.6?219.4微米，硅片厚度为47.6?51.4微米。此硅光栅对垂直入射的1THz光波，没有高阶衍射存在，仅有零阶的透射与反射波，光栅的消光比大于100。该透射反射式偏振分束光栅具有宽工作角度带宽、结构简单、成本低、高分束效率、高消光比等优点，在太赫兹成像和波谱测量领域中具有重要的实用价值。硅光栅可由飞秒微加工或微光学技术加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。
【专利说明】
用于1 THz波段的太赫兹偏振分束硅光栅
技术领域
[0001]本发明涉及一种光栅偏振分束器，特别涉及一种用于ITHz波段的太赫兹偏振分束 娃光栅。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波是频率范围在0.1~10THZ，波长范围在0.03~3毫米，介于微波与红外之 间的电磁波。太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析 和鉴别，而且是一种非接触测量技术，能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行 快速准确的测量。太赫兹波可携带丰富的物理化学信息，其光子能量在毫电子伏量级，不会 对所作用的物体产生电离损伤，具有安全性。因而，太赫兹波在通信、生物医学、无损探测、 环境检测等方面有着非常重要的应用前景。
[0003] 硅是一种优良的红外导波材料，取材方便，成本低廉，可用作1550纳米波段的偏振 分束器【在先技术1:周常河等，1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，专利CN101109831】。 硅也是一种很好的太赫兹导体，可用作太赫兹聚焦透镜。基于硅材料的二维菲涅尔波带片 【在先技术2:S.Wang，et al.，(^11^?.27，1183(2002)】也可实现类似的太赫兹聚焦功能， 但由于硅材料的高折射率(在0.5-1.5THz波段，折射率为3.42)，对太赫兹波具有很强的反 射，限制了其实际应用。太赫兹波偏振分束器是一类重要的太赫兹功能器件，现有的太赫兹 波偏振分束器多基于金属或有机聚合物材料，大都存在着结构复杂、传输损耗高、消光比低 等缺点。因而，利用成本低的硅基材料制作结构简单、损耗低、消光比高的太赫兹波偏振分 束器具有广泛的应用前景。
[0004] 矩形光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有矩形槽形的光栅。高 密度矩形光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，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 出了严格親合波理论的算法【在先技术3:M.G.Moharam，et al ?，J.Opt ? Soc.Am.A. 12，1077 (1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，目前为止，还没有人针对 ITz波段给出在硅基片上制作的透射反射式光栅偏振分束器的设计参数。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对ITz波段透射反射式光栅偏振分束器空白的问题，提出了一种用于 ITHz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，该硅光栅可以使ITHz光波在-2.6°至2.6°的角度入射 情况下，实现TE波大于99%的反射效率，TM波几乎100%的透射效率，偏振消光比大于100。 这里的偏振消光比，定义为反射TE波与反射TM波、透射TM波与透射TE波的效率比值的最小 值。
[0006] 本发明的技术方案为：一种用于ITHz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，镂空的周期 排列的矩形娃条纹构成的娃光栅，娃光栅的娃条纹宽度和周期的比值为0.27,光栅的周期 为204.6-219.4微米，硅片厚度为47.6-51.4微米。
[0007]所述硅光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，实现TM偏振光全透射和TE 偏振光全反射。
[0008]所述娃光栅由飞秒微加工或微光学技术加工而成。
[0009] 本发明的有益效果在于:本发明用于ITHz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，该透射 反射式偏振分束光栅具有宽工作角度带宽、结构简单、成本低、高分束效率、高消光比等优 点，在太赫兹成像和波谱测量领域中具有重要的实用价值。硅光栅可由飞秒微加工或微光 学技术加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明太赫兹偏振分束硅光栅的横截面示意图；
[0011] 图2为本发明太赫兹偏振分束娃光栅俯视图；
[0012] 图3为本发明硅矩形光栅占空比为0.27,在ITHz光波垂直入射情况下，分束器消光 比的对数随光栅周期与槽深变化的等高线图；
[0013] 图4为本发明硅光栅的消光比随入射角的变化曲线图；
[0014] 图5为本发明硅光栅对TM、TE太赫兹波的透射、反射效率随入射角的变化曲线图；
[0015] 图6为本发明硅光栅飞秒微加工光路图。
【具体实施方式】
[0016] 如图1所示太赫兹偏振分束硅光栅的横截面示意图，区域1、3是空气层，折射率为 1.0，区域2是娃光栅太赫兹偏振分束器，折射率为3.42，如图2所不太赫兹偏振分束娃光栅 俯视图，为矩形光栅。4代表入射太赫兹波，5代表透射TM太赫兹波，6代表反射TE太赫兹波 (横电波）。太赫兹波4垂直入射到矩形光栅表面，TE偏振波(横磁波)对应于电场矢量的振动 方向垂直于入射面，TM偏振波对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。
[0017] 在如图2所示的光栅结构下，该光栅由镂空的矩形硅条纹构成，可将不同偏振态的 光通过高效率的透射和反射完全分开，实现高消光比偏振分束。如图3所示矩形光栅（占空 比为0.27,即硅条纹宽度和周期的比值）的消光比的对数随光栅周期与槽深变化的等高线 图。在光栅周期小于300微米时，对垂直入射的ITHz光波，没有高阶衍射存在，仅有零阶的透 射与反射波。在光栅的周期为204.6-219.4微米、硅片厚度为47.6-51.4微米时，可实现大于 1 〇〇的消光比。在光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，可实现1.7 X 105的消光 比，此时，TM偏振光可实现几乎100 %的透射、5.9 X 1(T6反射;TE偏振光可实现几乎100 %的 反射、3.2X10-9透射。
[0018] 如图4所示硅光栅的消光比随入射角的变化曲线图，占空比为0.27,光栅的周期为 212微米、硅片厚度为49.8微米时，ITHz光波的入射所述太赫兹偏振分束硅光栅，入射角在-2.6°至2.6°之间，可实现大于100的偏振消光比。
[0019]如图5所示硅光栅对TM、TE太赫兹波的透射、反射效率随入射角的变化曲线图，占 空比为0.27，光栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，ITHz光波的入射所述太赫兹 偏振分束硅光栅，入射角在-2.6°至2.6°之间，TE太赫兹波可实现大于99%的反射效率、小 于1 %的透射率;TM太赫兹波可实现几乎100 %的透射效率、小于6 X 1 (T6反射率。
[0020]利用飞秒微加工技术制造硅偏振分束光栅(见图6)，首先利用轴棱锥透镜12结合 二元相位板11，将平行入射的飞秒激光高斯光束17整形为旁瓣被压缩的飞秒激光贝塞尔光 束18;再将所得到的贝塞尔光束18通过望远系统缩小光斑尺寸，使其具有足够高的能量进 行样品的加工;将干燥、清洁的硅片15置于三维移动的平移台16上，并将光束聚焦在硅片15 表面;控制平移台16的移动，快速加工大面积高深径比的硅光栅，图6中置于同一光轴上的 透镜3和物镜4组成望远系统。
[0021]利用微光学技术制造硅偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的硅基片上沉积一层金 属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1818，USA)。然后掩模板光刻的方式 记录光栅，然后显影，接着再用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将 多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子 体刻蚀，将硅片完全刻透，把光栅转移到硅基片上，最后再用去铬液将剩余的铬膜剥离，就 得到所需要的硅光栅。
[0022]表1给出了本发明一系列实施例，数据为对垂直入射的1 THz光波，硅光栅占空比为 0.27时，不同光栅周期与硅片厚度所对应的TE、TM偏振波的反射、透射效率以及消光比，在 制作光栅的过程中，适当选择光栅周期、硅片厚度，就可以得到不同消光比的高效率太赫兹 偏振分束光栅。由表1可知，该光栅的在光栅的周期为204.6-219.4微米、槽深为47.6-51.4 微米时，可实现大于100的消光比。
[0023]表 1
【主权项】
1. 一种用于ITHz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，其特征在于，镂空的周期排列的矩形 娃条纹构成的娃光栅，娃光栅的娃条纹宽度和周期的比值为0.27,光栅的周期为204.6-219.4微米，硅片厚度为47.6-51.4微米。2. 根据权利要求1所述用于ITHz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，其特征在于，所述硅光 栅的周期为212微米、硅片厚度为49.8微米时，实现TM偏振光全透射和TE偏振光全反射。3. 根据权利要求1或2所述用于ITHz波段的太赫兹偏振分束硅光栅，其特征在于，所述 娃光栅由飞秒微加工或微光学技术加工而成。
【文档编号】G02B27/28GK106054400SQ201610592414
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月26日 公开号201610592414.7, CN 106054400 A, CN 106054400A, CN 201610592414, CN-A-106054400, CN106054400 A, CN106054400A, CN201610592414, CN201610592414.7
【发明人】冯吉军, 李安原, 李敏, 曾和平
【申请人】上海理工大学