专利名称：宽带低电场增强反射金属介电光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及反射式光栅，特别是一种中心波长为1053纳米波段的宽带低电场增强反射金属介电光栅。
背景技术：
在高功率激光系统中，需要具有高效率、高激光破坏阈值、宽光谱的衍射光栅用于脉冲压缩。光栅的高激光破坏阈值与光栅材料内的电场强度密切相关。二元熔融石英透射光栅具有高衍射效率、高激光破坏阈值，但是由于非线性效应，它不适用于高能激光系统。 在高能激光系统中需要反射式光栅。金属光栅可以提供宽的光谱范围内的高衍射效率，但是由于金属的吸收系数较大，因此激光破坏阈值低。多层介电光栅，具有高衍射效率、高激光破坏阈值的优点，但是多层膜结构增加了其制造的复杂性，而且不易在较宽光谱范围内的高衍射效率。此外，由于膜层间应力的存在，多层介电光栅在真空环境中使用时容易破裂，因此需要减少膜层的数量，以减少膜层的总厚度。解决办法是在多层介电光栅中插入金属层。J.Neauport等人优化设计出了梯形槽混合金属介电光栅，其中使用的高、低折射率膜对的数目减少到了 在先技术 1 :J. Neauport et al. ,Opt. Express 18,23776(2010) ] Jiangjun Zheng等人在设计偏振分束器时，在介电光栅中插入一层金属层，实现了宽带的高效率的偏振分束在先技术 2 Jiangjun Zheng et al. J. Otp. A =Pure Appl. Opt. 11， 015710(2009)。如果这种光栅能同时具有低电场强度增强的优点，那么它将在高能激光系统中具有重要的应用价值。高密度光栅的衍射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在先技术3 :M. G. Moharam et al.，J. Opt. Soc. Am. Α. 12， 1077(1995)。利用严格耦合波分析，不仅能够计算光栅的衍射效率，而且可以重构电磁场的空间分布。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对1053纳米波长的激光器提供一种用于1053纳米波段的宽带低电场增强的反射光栅，该光栅可以使TE偏振光在76 78度入射角的情况下的-1级衍射效率在至少20纳米的波长带宽内(1040 1060纳米)高于90% ；光栅内部最大电场强度增强在80纳米的波长带宽内(1010 1090纳米)低于2。因此，该反射光栅在高能激光系统的脉冲压缩中具有重要的实用价值。本发明的技术解决方案如下一种用于1053纳米波段的宽带低电场增强反射金属介电光栅，其特点在于其结构为熔融石英基底上依次分别镀上铬膜层、金膜层和熔融石英层，在该熔融石英层刻蚀矩形槽光栅，该光栅的周期为558 567纳米，占空比为0. 15 0. 25，刻蚀深度为620 622 纳米，连接层厚度为488 492纳米。
本发明的技术效果基于金属反射层的反射光栅可以使TE偏振光在76 78度入射角的情况下的_1 级衍射效率在至少20纳米的波长带宽内(1040 1060纳米)高于90% ；光栅内部最大电场强度增强在80纳米的波长带宽内(1010 1090纳米)低于2。
图1是本发明宽带低电场增强反射金属介电光栅的几何结构。图中，1代表熔融石英区域(折射率为Ii1)，2代表金膜区域(折射率为n2)，3代表铬膜区域(折射率为n3)，4代表熔融石英基底区域(折射率Ii1)，5代表TE偏振模式下入射光，6代表TE模式下的-1级衍射光。θ inc为入射角，d为光栅周期，b为光栅脊宽，hr为光栅深度，h。为连接层厚度。图2是本发明宽带低电场增强反射金属介电光栅的周期为561. 8纳米，占空比为 0. 178，刻蚀深为620. 6纳米，连接层厚度为490. 6纳米，TE偏振光以77. 2度角入射时，该光栅的-1级衍射效率随入射波长的变化曲线。图3是本发明宽带低电场增强反射金属介电光栅的周期为561. 8纳米，占空比为 0. 178，刻蚀深为620. 6纳米，连接层厚度为490. 6纳米，TE偏振光以77. 2度角入射时，电场强度增强的空间分布。图4是本发明宽带低电场增强反射金属介电光栅的周期为561. 8纳米，占空比为 0. 178，刻蚀深为620. 6纳米，连接层厚度为490. 6纳米，TE偏振光以77. 2度角入射时，电场强度增强沿通过光栅脊中心直线上的分布。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明的依据如下图1显示了本发明宽带低电场增强反射金属介电光栅的几何结构。区域1、2、3、4 都是均勻的，分别为熔融石英层(折射率Ii1 = 1.45)、金膜层(折射率!!2 = 0. 28-7. 25i)、 铬膜层(折射率n3 = 3. 529-3. 579i)和熔融石英基底。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面。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3计算了反射金属介电光栅的-1级衍射效率随入射波长的变化曲线如图2所示，即当光栅的周期为 561. 8纳米，占空比为0. 178，刻蚀深度为620. 6纳米，连接层厚度为490. 6纳米，TE偏振光以77. 2度角度入射时，该光栅的-1级衍射效率在65纳米波长带宽(1017 1082纳米) 内大于90%。如图3所示，光栅的周期为561. 8纳米，占空比为0. 178，刻蚀深度为620. 6纳米， 连接层厚度为490. 6纳米时，波长1053纳米的TE偏振光入射时，电场强度增强的空间分布。可以看出，光栅内部的电场强度增强低于1.42。图4给出了电场强度增强沿通过光栅脊中心的直线的分布情况，可以看出金属层内的电场强度增强相当低。本发明一种用于中心波长为1053纳米波段的反射金属介电光栅，其结构为熔融石英基底4上依次镀上20纳米铬膜3、150纳米金膜2和熔融石英膜1，在熔融石英层1刻蚀矩形槽光栅。该光栅周期为558 567纳米，占空比为0. 15 0. 25，光栅深度为620 622纳米，连接层厚度为488 492纳米。表1给出了本发明一系列实施例，其中d为光栅周期，f为占空比，、为光栅刻蚀深度，h。为连接层的厚度，θ in。为入射角度，λ为入射波长，η为-1级衍射效率，m为光栅内部最大电场强度增强。在制作光栅的过程中，适当选择光栅周期、占空比、刻蚀深度就可以在一定的带宽内低电场强度增强。由表1可知，当光栅的周期为558 567纳米，光栅的占空比为0. 15 0. 25，刻蚀深度620 622纳米，连接层厚度为488 492纳米时，可以实现80纳米波长带宽(1010 1090纳米)内光栅内部最大电场强度增强低于2;至少20纳米波长带宽 (1040 1060纳米)内-1级衍射效率高于90%。本发明的宽带低电场增强反射金属介电光栅，具有结构简单、宽光谱、低电场增强的优点，电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，可应用于高能激光系统的脉冲压缩器中。表ITE偏振光入射时-1级衍射效率及光栅内部最大电场强度增强。
权利要求
1.一种用于1053纳米波段的宽带低电场增强反射金属介电光栅，其特征在于其结构为熔融石英基底(4)上依次分别镀上铬膜层(3)、金膜层( 和熔融石英层(1)，在熔融石英层(1)刻蚀矩形槽光栅，该光栅的周期为558 567纳米，占空比为0. 15 0. 25，刻蚀深度为620 622纳米，连接层厚度为488 492纳米。
2.根据权利要求1所述的宽带低电场增强反射金属介电光栅，其特征在于所述的光栅的周期为561. 8纳米，占空比为0. 178，光栅的刻蚀深度为620. 6纳米，连接层厚度为490. 6 纳米。
全文摘要
一种用于1053纳米波段的宽带低电场增强反射金属介电光栅，其结构为熔融石英基底上依次分别镀上铬膜层、金膜层和熔融石英层，在熔融石英层上刻蚀矩形槽光栅，该光栅的周期为558～567纳米，占空比为0.15～0.25，刻蚀深度为620～622纳米，连接层厚度为488～492纳米。本发明在TE偏振光以76～78度角入射时，可以实现80纳米波长带宽内(1010～1090纳米)光栅内部最大电场电场强度增强低于2，至少20纳米波长带宽内(1040～1060纳米)-1级衍射效率高于90％。
文档编号G02B5/18GK102193126SQ20111013894
公开日2011年9月21日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者周常河, 胡安铎 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所