[发明专利]1053纳米波段的金属介质膜反射式偏振分束光栅

说明书

技术领域

    本发明涉及高功率激光系统，特别是一种金属介质膜偏振分束光栅，是一种用于1053纳米波长的基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的金属介质膜反射式偏振分束光栅。

背景技术

激光以其特有的单色性好、相干长度长、指向性高、能量密度高等特性，使其成为了自然科学中的一朵奇葩。高功率激光在物理学、化学、材料科学、生命科学、环境科学、能源科学等国民经济、前沿科学研究方面有着广泛地应用；在空间通信、激光雷达、光电对抗等国家安全领域更有重大的应用潜力。激光装置的发展离不开光学元器件的传输，随着高功率激光系统的发展，脉宽越窄其脉冲频谱越丰富，由此对光学元器件的带宽和阈值均提出了更高要求。

在高功率激光系统中，偏振分束器是重要的光学器件之一，可以将光分成两束偏振模式相互垂直的偏振光。传统的偏振分束器主要是晶体或多层介质膜。但是，双折射晶体的偏振分束器体积大，价格昂贵；薄膜偏振分束器工作带宽小，膜层数多，容易产生应力，消光比不容易做的很高。随着微制造技术的发展，亚波长光栅得以表面浮雕型光栅作为偏振分束器，易于小型化和集成化。而基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带，设计的金属介质膜光栅有高激光损伤阈值、高衍射效率、宽带宽和宽角谱的性能。金属介质膜光栅宽角谱的特性可以使得激光系统设计更加灵活。金属介质膜偏振分束光栅通过成熟的镀膜技术和刻蚀技术，能够大量生产，具有重要的实用前景。

金属介质膜光栅的衍射理论，不能由标量光栅衍射方程来解析，而必须采用严格耦合波理论的算法【在先技术1：M.G..Moharam et al.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】精确地计算出结果。据我们所知，没有人针对1053纳米波段给出宽光谱，宽角谱的金属介质膜反射式偏振分束器光栅。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对1053纳米波段提供一种金属介质膜偏振分束光栅，该光栅可以将TE、TM两种偏振模式相互垂直的光分为不同方向进行传播，在入射角度50.7°，在1030～1070纳米波段TE偏振的-1级反射衍射效率和TM偏振的0级反射衍射效率均大于97%，0级和-1级消光比大于20dB。工作波长为1053纳米，入射角度为50.7°，TE偏振的-1级反射衍射效率和TM偏振的0级反射衍射效率均大于98%，0级消光比和-1级消光比大于40dB。因此能够实现宽光谱、宽角谱、高衍射效率和高消光比的金属介质膜光栅，具有重要的实用意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于1053纳米波段的金属介质膜偏振分束光栅，其特点在于是在石英基底上，依次镀制的银层、高反射膜层和矩形光栅构成，该矩形光栅的周期为680.6纳米，占空比为0.2，银层厚度为100纳米，刻蚀深度为374~476纳米。

所述的高反膜层由3层膜组成，中间层为高折射率层，其材料为TiO₂或Ta₂O₅，内层和外层为低折射率膜层，其材料为SiO₂，所述的高反射膜层是规整膜系或是非规整膜系。

所述的矩形光栅的材料为HfO₂。

本发明的依据如下：

图1为本发明金属介质膜偏振分束光栅结构的剖面图。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。由图可见光栅上方为空气（折射率为n=1），光从空气进入到矩形光栅，然后进入到高反膜层，到达银层之后被反射，再次经过膜层和光栅，最后出射到空气。TE和TM偏振进入光栅层对应不同的边界条件，产生不同的等效折射率。根据麦克斯韦方程，TE和TM偏振在膜层中同样有不同的边界条件和等效折射率。这样，在光进入金属介质膜偏振分束光栅再被反射这个过程中，光被光栅、膜层共同调制，TE偏振光集中在-1级反射，TM偏振光集中在0级反射，产生了偏振分离的效果。

在图1所示结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了基于多层介质膜的高激光损伤阈值和金属膜的宽反射带的反射式金属介质膜偏振分束光栅的衍射效率和消光比，我们得到结论：

通过对所述的金属介质膜偏振分束光栅的光栅深度、形状、周期、膜层层数和厚度优化设计，可以实现反射光在0级和-1级的偏振分离。