专利名称：宽带金属介电反射光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及反射式光栅，特别是一种中心波长为800纳米波段的宽带金属介电反射光栅。
背景技术：
在啁啾脉冲放大技术中，需要具有宽光谱、高效率、高激光破坏阈值的反射式光栅。从反射式光栅的实现形式看，金属光栅和多层膜介电栅均可以实现很高的衍射效率。 然而，金属光栅虽然能够在较宽的光谱范围内实现高效率，但是金属固有的吸收特性，使得其激光破坏阈值相对较低，因此不适合应用于高能激光系统中。多层膜结构的介电光栅， 也可以实现很高的衍射效率，而且具有较高的激光破坏阈值，但是由于多层膜结构的存在， 这种光栅的加工极其困难。此外，由于应力的存在，多层介电光栅在真空环境中使用时容易破裂，这也为其应用带来了不便。因此，需要减少膜层的数量。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. Expressl8, 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) ]0与多层膜介电反射光栅相比，这种光栅所使用的膜层的数量大为减少。上海光学精密机械研究所曹红超等人发明了金属嵌入式熔融石英宽带反射光栅 (申请号200910(^4514. 4)可以使TE偏振光-1级衍射效率在130纳米波长带宽内衍射效率大于90%。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(19%)。利用严格耦合波分析，可以计算光栅的衍射效率。结合严格耦合波分析及模拟退火算法，可以优化设计反射光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对800纳米波长的激光器提供一种中心波长为800 纳米波段的宽带金属介电反射光栅，该光栅可以使TE偏振光在利特罗角入射的情况下的-1级衍射效率在200纳米的波长带宽内(700 900纳米)高于90%。本发明具有结构简单、宽带、高效率的优点，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800纳米波段的宽带金属介电反射光栅，其特点在于其结构为熔融石英基底上依次分别镀上铬膜、金膜和熔融石英膜，在该熔融石英层刻蚀矩形槽光栅，该光栅的周期为800 855纳米，占空比为0. 3 0. 4，刻蚀深度为575 595纳米，连接层厚度为10 30纳米。本发明的依据如下图1显示了本发明宽带金属介电反射光栅的几何结构。区域1、2、3、4都是均勻的， 分别为熔融石英(折射率Ii1 = 1.45)、金膜(折射率 =0. 1808-5. 11731i)、铬膜(折射率叫=3. 15832-3. 46007 )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。入射光从空气中以角度Qi = SirT1(XAZd))(定义为利特罗角)入射，λ 表示入射波长，d表示光栅周期。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计算了金属介电反射光栅的-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 830纳米，占空比为0. 4，刻蚀深度为590纳米，连接层厚度为30纳米，TE偏振光以利特罗角入射时，该光栅的-1级衍射效率在200纳米波长带宽(700 900纳米)内大于90%。
图1是本发明宽带金属介电反射光栅的几何结构。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 i为入射角，d为光栅周期，b为光栅脊宽，h,为光栅深度，h。为连接层厚度。图2是本发明宽带金属介电反射光栅的周期为830纳米，占空比为0. 4，刻蚀深度为590纳米，连接层厚度为30纳米，TE偏振光以利特罗角入射时，该光栅的-1级衍射效率随入射波长的变化曲线。
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。本发明一种用于中心波长为800纳米波段的宽带金属介电反射光栅，其结构为熔融石英基底4上依次镀上145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。该光栅的周期为800 855纳米，占空比为0. 3 0. 4，刻蚀深度为575 595纳米，连接层厚度为10 30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，Qi为入射角度，λ为入射波长，η为-1级衍射效率。由表1可知，当光栅的周期为800 855纳米，占空比为0. 3 0. 4，刻蚀深度为 575 595纳米，连接层厚度为10 30纳米时，可以实现200纳米波长带宽(700 900纳米)内-1级衍射效率高于90%。本发明的宽带金属介电反射光栅，具有结构简单、宽光谱的优点，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偏振光以利特罗角入射时-1级衍射效率。
权利要求
1.一种用于800纳米波段的宽带金属介电反射光栅，特征在于其结构为熔融石英基底 (4)上依次分别镀上铬膜(3)、金膜( 和熔融石英膜(1)，在熔融石英层(1)上刻蚀矩形槽光栅，该光栅的周期为800 855纳米，占空比为0. 3 0. 4，刻蚀深度为575 595纳米， 连接层厚度为10 30纳米。
2.根据权利要求1所述的宽带金属介电反射光栅，其特征在于所述的光栅的周期为 830纳米，占空比为0. 4，光栅的刻蚀深度为590纳米，连接层厚度为30纳米。
全文摘要
一种适用于中心波长800纳米波段的宽带金属介电反射光栅，其结构为熔融石英基底上依次镀上铬膜、金膜和熔融石英膜，在熔融石英膜层上刻蚀矩形槽光栅。光栅周期为800～855纳米，占空比为0.3～0.4，光栅深度为575～595纳米，连接层厚度为10～30纳米。TE偏振光以利特罗角入射时，可以实现200纳米波长带宽内(700～900纳米)-1级衍射效率高于90％。本发明可以由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺以及镀膜技术加工而成，取材方便，造价小，具有重要的实用前景。
文档编号G02B5/18GK102360090SQ20111029795
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月30日 优先权日2011年9月30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