专利名称：800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅的制作方法
技术领域：
本专利涉及反射光栅，特别是一种应用于800纳米波段的的半导体激光或者以800纳米为中心波长的飞秒脉冲激光的反射器件的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅。
背景技术：
半导体激光器由于体积小，重量轻，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，如时空变换技术中对脉冲进行整形，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。
反射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，其衍射效率常在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，但是实现高衍射效率的介质光栅很难制作。透射式石英光栅其衍射效率若达到90％以上需要有很高的刻槽线密度，1000线/毫米以上，光栅的深度也需要达到1微米以上，制作如此高深宽比的石英光栅必须依靠先进的微电子深刻蚀工艺。虽然浅刻蚀的表面浮雕光栅镀上电介质反射膜层后可以进一步提高衍射效率，但是反射膜层的设计及制作相当复杂。J.R.Marciante等人报道了一种新型的高效率的背入射式反射光栅，见先技术1J.R.Marciante et al.，Opt.Lett.29，542(2004)，该类型光栅(TIR光栅)利用内部全反射效应(TIR，total internal reflection)，即光从光密介质射向光疏介质时，若入射角满足全反射条件，则光疏介质中将没有透射光，入射光的能量全部集中到反射光上。所谓的背入射式光栅，又称浸入式光栅(the immersed grating)，本文称为背入射式光栅，指光不是从光栅的正面，即有光栅槽的一面入射，而是从光栅基底的背面入射。通过对光栅周期及深度的优化选择，该背入射式光栅的1级反射衍射效率可以达到99.99％以上，几乎接近完全反射。TIR光栅的优点是衍射效率与光栅的槽形无关；直接在电介质材料上(往往利用石英)刻蚀出浅浮雕形的光栅结构；吸收损耗与金属相比非常小；由于衍射效率已经很高，所以不需要在光栅表面镀高反射介质膜。
本发明采用矩形结构光栅的计算模型。高密度光栅的衍射理论，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，见在先技术2M.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，没有人针对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设计制造800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以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提供一种800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，该光栅可以在TE或TM偏振模式下实现800纳米波长一级反射衍射效率大于90％。
本发明的技术解决方案如下一种用于反射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800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于该光栅的周期为346～396纳米，光栅的深度为260～300纳米，光栅的占空比为1/2。所述的光栅的周期为366纳米，光栅的深度为280纳米的表面浮雕结构。
一种用于反射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800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于该光栅的周期为331～381纳米，光栅的深度为360～440纳米，光栅的占空比为1/2。所述的光栅的周期为346纳米，光栅的深度为380纳米的表面浮雕结构。
图1是本发明800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅的几何结构。
图2是本发明800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为366纳米、光栅深度280纳米，占空比为1/2，在800纳米附近的波段内使用时TE模式偏振光以48.91°角度入射(针对800纳米波长的TIR光栅)及各个波长以相应的Littrow角度。
图3是本发明800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅(熔融石英的折射率取1.45332)光栅周期为346纳米、光栅深度380纳米，占空比为1/2，在800纳米附近的波段内使用时TM模式偏振光以52.87°角度入射(针对800纳米波长的TIR光栅)及各个波长以相应的Littrow角度入射下(TIR(Littrow)光栅)一级反射衍射效率(％)。
图4是全息光栅的记录光路。
具体实施例方式
本发明的依据如下图1显示了800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅的几何结构。区域1，2都是均匀的，分别为石英(折射率n1＝1.45332)和空气(折射率n2＝1)。光栅矢量K位于入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面；TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。一线性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*∧))入射，定义为Littrow条件，即衍射光沿原入射光的方向返回的条件，λ代表入射波长，∧代表光栅周期。根据光栅衍射方程及全反射条件，∧应满足条件n1>λ2Λ>n2.]]>在如图1所示的光栅结构下，本发明采用在先技术2严格耦合波理论计算了石英光栅，占空比为1/2在800纳米附近的多波长光入射下，1级反射衍射效率。我们得到如下结论如图2所示，TE偏振模式的入射光以48.91°角度(对应于λ＝800纳米)入射到TIR光栅时，该光栅的周期为366纳米，深度为280纳米，1级反射衍射效率在800纳米波长处为100％(暂不考虑介质的吸收损耗)，而且在793-808纳米波长段内，即16纳米的谱宽范围内衍射效率可以达到99％以上，而在779-831纳米波长段内，即53纳米的谱宽范围内衍射效率保持在90％以上。若考虑在800纳米附近的波段内的所有波长各自以对应的Littrow角度入射，则在783-816纳米波长段内，即34纳米的谱宽范围内衍射效率可以达到99％以上，而在732-853纳米波长段内，即122纳米的谱宽范围内衍射效率保持在90％以上。
如图3所示，TM偏振模式的入射光以52.87°角度(对应于λ＝800纳米)入射到TIR光栅时，该光栅的周期为346纳米，深度为380纳米，1级反射衍射效率在800纳米波长处为100％(暂不考虑介质的吸收损耗)，而且在792-808纳米波长段内即17纳米的谱宽范围内衍射效率可以达到99％以上，而在775-828纳米波长段内即54纳米的谱宽范围内衍射效率保持在90％以上。若考虑在800纳米附近的波段内的所有波长各自以对应的Littrow角度入射，则在773-817纳米波长段内，即45纳米的谱宽范围内衍射效率可以达到99％以上，而在709-846纳米波长段内，即138纳米的谱宽范围内衍射效率保持在90％以上。
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6)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。例如∧＝346微米时，记录角θ为39.59°，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，洗去光刻胶后得到高密度表面浮雕结构的石英光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期及光栅深度，就可以得到在TE偏振模式下对800纳米波长的高衍射效率的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅。
例如，当TIR光栅的周期为366纳米，深度为280纳米时，光栅的占空比为1/2，光栅的一级反射衍射效率η高达100％(暂不考虑介质的吸收损耗)。
表2给出了本发明另一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期及光栅深度，就可以得到在TM偏振模式下对800纳米波长的高衍射效率的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅。
例如，当TIR光栅的周期为346纳米，深度为380纳米时，光栅的占空比为1/2，光栅的一级反射衍射效率η高达100％(暂不考虑介质的吸收损耗)。
本发明的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅对以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具有很高的反射衍射效率，不需要考虑光栅槽形的结构，也不必镀金属膜或介质膜，充分利用全息光栅记录技术、微电子光刻技术，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是高衍射效率反射光栅的一种重要的实现技术。
表1 TE偏振模式下1级反射衍射效率η(％)[d为光栅深度(微米)，∧为光栅周期(纳米)] 表2 TM偏振模式下1级布拉格透射衍射效率η(％)[d为光栅深度(微米)，∧为光栅周期(纳米)]
权利要求
1.一种用于反射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800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于该光栅的周期为346～396纳米，光栅的深度为260～300纳米，光栅的占空比为1/2。
2.根据权利要求1所述的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为366纳米，光栅的深度为280纳米。
3.根据权利要求1所述的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于所述光栅的周期为331～381纳米，光栅的深度为360～440纳米。
4.根据权利要求3所述的800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为346纳米，光栅的深度为380纳米。
全文摘要
一种用于高衍射效率反射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800纳米波段背入射式高密度石英反射光栅，其特点在于当该光栅的周期为346～396纳米，光栅的深度为260～300纳米，光栅的占空比为1/2，本发明可以使在TE偏振光入射下1级反射衍射效率对800纳米波长实现高于90％的结果；当该光栅的周期为331～381纳米，光栅的深度为360～440纳米，光栅的占空比为1/2，本发明可以使在TM偏振光入射下1级反射衍射效率对800纳米波长实现高于90％的结果。本发明800纳米波段背入射式高密度石英反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。
文档编号H01S5/00GK1588133SQ20041005290
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者周常河, 张妍妍 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所