[发明专利]1064纳米波段偏振无关高效率二维反射达曼光栅

说明书

技术领域

本发明涉及反射式光栅，特别是一种1064纳米波段偏振无关高效率二维反射达曼光栅。

背景技术

光栅是光学系统中的基本元件，已经成为了现代光学技术中一种十分重要的光学元件，在科学研究和国民经济中都扮演着重要的角色。达曼光栅是一种可以将入射单色光在傅里叶变换的远场处高效率地生成均匀光强点阵的二值位相光栅。正交二值位相光栅,由于其具有设计简单、制作工艺成熟、无需精确套准等优点,因而被广泛使用。二维光栅在三维位移测量系统、三维扫描成像系统中都有着十分重要的作用。由于传统的反射光栅存在衍射效率较低、损耗大、加工难度大等不足，限制了反射光栅的应用。熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量，由熔融石英加工金属介电光栅，可以实现很高的衍射效率。上海光机所胡安铎等人设计了一种一维偏振无关宽带反射光栅，在TE和TM偏振光在中心波长800nm对应的利特罗角入射的情况下，该光栅可以实现-1级高效率衍射【在先技术1，申请号：201110456924.9】。

周常河等人已经给出了传统达曼光栅位相突变点的数值解【在先技术2：Zhou C,Liu L.Applied optics.34(1995)】。但是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.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。利用、结合严格耦合波分析及模拟退火算法，优化设计该二维反射达曼光栅。据我们所知，目前为止，还没有人针对常用1064纳米波段给出制作的金属膜介电光栅的二维偏振无关高效率反射达曼光栅。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种1064纳米波长的偏振无关高效率二维反射达曼光栅。当TE或TM偏振光垂直入射时，该光栅可以使入射光分成四束反射光，实现反射光的总衍射效率大于85％。因此，该反射光栅具有重要的实用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于中心波长1064纳米波段的偏振无关高效率二维反射达曼光栅，其特点在于该二维反射达曼光栅是在熔融石英基底上依次镀上100纳米三氧化二铝膜、128纳米金膜、三氧化二铝膜和熔融石英膜，其中三氧化二铝膜为连接层，在所述的熔融石英膜上刻蚀矩形槽光栅，该二维反射达曼光栅二维的周期相同且为1917～1927纳米，达曼光栅相位突变点的坐标为归一化周期的0.265～0.275，光栅深度为730～740纳米，连接层厚度为92～102纳米。

所述的光栅的周期为1922纳米，达曼光栅相位突变点的坐标为归一化周期的0.27，光栅的刻蚀深度为734纳米，连接层厚度为97纳米。

本发明的技术效果如下：

特别是该光栅的周期为1922纳米，归一化相位突变点坐标为0.27，光栅的刻蚀深度为734纳米，连接层厚度为97纳米，该光栅反射光的总效率大于85％。利用激光直写装置，可以大批量、低成本地生产。刻蚀深度较小，易加工，光栅性能稳定、可靠，具有重要的实用前景。本发明具有使用灵活方便、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件。

附图说明

图1是本发明1064纳米波长的偏振无关高效率二维反射达曼光栅的简化一维光栅几何结构图。

其中，1代表熔融石英区域(折射率为n₁)，2代表三氧化二铝膜区域(折射率为n₂)，3代表金膜区域(折射率为n₃)，4代表三氧化二铝膜区域(连接层，折射率为n₂)，5代表熔融石英基底区域(折射率n₁)，6代表垂直入射光，7、8分别代表±1级衍射光。x₁代表x方向位相突变点，d代表光栅周期，h_r代表光栅刻蚀深度，h_c代表连接层厚度，h_g代表金膜厚度。

图2是本发明1064纳米波长的偏振无关高效率二维反射达曼光栅的几何结构。图中d代表光栅周期，x₁代表x方向相位突变点，y₁代表y方向相位突变点。黑色区域代表未刻蚀部分，即光栅脊；白色区域代表刻蚀区域，即光栅槽。