[发明专利]基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅

说明书

本发明公开了一种用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅，包括自内向外依次镀制的石英基底、金属层、匹配层和光栅刻蚀层，所述光栅刻蚀层包括自内向外依次镀制的第一低折射率膜层和第一高折射率膜层，所述匹配层包括自内向外依次镀制的第二低折射率膜层与第二高折射率膜层，所述光栅刻蚀层的周期为1200～1300纳米，占空比为0.2～0.4，第一低折射率膜层的厚度为100～160纳米，第一高折射率膜层的厚度为240～310纳米，第二高折射率层的厚度为90～150纳米；第二低折射率膜层的厚度为240～300纳米，所述的金属层的厚度大于50纳米。本发明具有宽光谱、宽角谱、高衍射效率等特点，且对不同偏振的入射光表现出完全不同的衍射特性。

技术领域

本发明涉及反射光栅技术领域，具体涉及一种基于金属多层介质膜的偏振选择反射式光栅。

背景技术

通常情况下，金属多层介质膜光栅在高功率激光系统中应用非常广泛，这是由于它不仅拥有很高的衍射效率同时还拥有高抗激光损伤阈值等特性。然而，金属多层介质膜光栅除了可以用作高功率超短脉冲激光系统的脉冲压缩光栅以外，还可以作为偏振选择光栅。传统的偏振选择光栅通常是由多层介质膜结构组成，这种偏振选择光栅具有的缺点是带宽比较窄，且对入射光的入射角度的变化非常敏感。因此，为了适应新型光学设备的需求，发明一种同时具有高衍射效率、足够宽的衍射带宽的偏振选择光栅是有强烈的应用需求的。

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【参见在先技术1：M. G.. Moharam et al., J. Opt. Soc. Am. A. 12,1077(1995)】精确地计算出结果。现有技术中没有针对1550纳米中心波段给出宽光谱，宽角谱、高衍射效率的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于1550纳米中心波长的具有高衍射效率的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种用于1550纳米中心波长的基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅，包括自内向外依镀制次的石英基底、金属层、匹配层和光栅刻蚀层，所述光栅刻蚀层包括自内向外依次镀制的第一低折射率膜层和第一高折射率膜层，所述匹配层包括自内向外依次镀制的第二低折射率膜层与第二高折射率膜层，所述光栅刻蚀层的周期为1200～1300纳米，占空比为0.2～0.4，第一低折射率膜层的厚度为100～160纳米，第一高折射率膜层的厚度为240～310纳米，第二高折射率层的厚度为90～150纳米；第二低折射率膜层的厚度为240～300纳米，所述的金属层的厚度大于50纳米。

本发明由基底、金属层、多层介质膜和表面浮雕结构组成，基底为石英基底，匹配层为多层介质膜，是由高低折射率材料交替组成的膜堆，利用多层介质膜的干涉原理可以对特定波长、特定角度和特定的偏振态进行设计得到高反射率。一方面由于金属的宽光谱特性，另一方面减少介质膜的层数来降低膜堆内的机械应力，在石英基底与匹配层之间进行镀金属层。表面浮雕结构为光栅刻蚀层，也为高低折射率材料交替组成。光栅上方为空气，折射率等于1，一束入射光从空气进入到光栅，然后经过匹配层，进入到高反金属层，到达金属层之后被反射，再次经过匹配层和光栅刻蚀层，最后出射到空气。由此可见，入射光在进入金属介质膜偏振选择性光栅再被反射这个过程中，光被光栅、膜层共同调制，其中TE偏振光集中在-1级反射，产生了宽波长范围下高衍射效率的效果；而TM偏振光则被均匀地反射在-1级和0级之间，此外-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下也高。通过对所述基于金属多层介质膜偏振选择反射式光栅深度、形状、周期、膜层层数以及厚度优化设计，该光栅对TE入射偏振光可以实现宽波长范围内-1级衍射效率高于98%；此外，该光栅可以实现将TM偏振入射光均匀地反射到-1级和0级之间，并且-1级和0级的衍射效率之和在宽波长范围下高于98%。达到高衍射效率的同时表明发明有较宽的衍射光谱，衍射角谱以及较好的工艺容差。