基于復合光柵鏡的角向偏振光產(chǎn)生研究

盧麗娟，李 波，王又青，趙 江

(華中科技大學激光加工國家工程研究中心，武漢430074)

引 言

近年來，由于角向偏振光具有獨特的角向偏振分布且具有中心光強為0的環(huán)狀強度分布特點而受到越來越多的關注，廣泛應用于周期性納米波紋制造［1］、原子引導［2］、環(huán)狀開口諧振器的激勵［3］、激光焊接［4］和打孔［5］等領域。角向偏振光表現(xiàn)出來的優(yōu)勢推動了人們對生成高功率角向偏振光的研究，目前已有許多方法用于產(chǎn)生角向偏振光，如波導1階模式激勵法［6－7］、偏振轉(zhuǎn)換法［8－9］、相干合成法［10］和光柵選模法［11－13］等。其中光柵選模法適用于產(chǎn)生高功率的角向偏振光，比如將銅光柵［11］、多層介質(zhì)光柵鏡［12］用作激光器諧振腔尾鏡，來產(chǎn)生角向偏振光，或采用多層高反射介質(zhì)膜上的Si光柵得到角向偏振脈沖［13］。但是采用銅光柵得到的角向偏振光純度較低，而多層介質(zhì)光柵的結構復雜、成本較高。本文中設計并制作了一種結構簡單、低成本的高偏振選擇性介質(zhì)－金屬復合光柵鏡，用作軸快流CO2激光器諧振腔的尾鏡，得到了百瓦級的角向偏振光輸出。

1 復合光柵鏡的設計

為了與角向偏振光的環(huán)狀模式及圓柱形激光增益區(qū)相吻合，將光柵柵線設計為環(huán)狀結構，光柵俯視圖如圖1a所示。在幾種常用的紅外材料中，Ge的折射率高且導熱性好，所以，實驗中擬采用無定型Ge作為光柵區(qū)材料，低折射率材料 ZnSe作為基底。首先在ZnSe基底上鍍一層厚度為d的Ge膜，然后在Ge膜上刻蝕深度為d1的光柵。本文中擬采用偽博世工藝［14］刻蝕Ge光柵，在光柵的柵槽底部引入一層隨機分布的Ge納米針，然后在Ge光柵上鍍一層金膜，提高光柵對TE偏振的反射率［15］，最后再依次鍍上一層YF3介質(zhì)保護膜和ZnSe介質(zhì)保護膜，與常見增強金膜電子束蒸發(fā)工藝相兼容。柵槽底部的Ge納米針被金膜和介質(zhì)保護膜包裹之后形成納米柱，假設其高度為d0。由于這種光柵既具有介質(zhì)和金屬，也具有納米柱結構，所以將其稱為“介質(zhì)－金屬復合光柵”。所設計的復合光柵輪廓如圖1b所示，其中T為光柵周期，a為柵脊寬度，f=a/T為占空比。為了保證光柵只有0級衍射級，光柵周期必須小于激光波長。

Fig.1 a—top view of hybrid grating b—scheme of hybrid grating

由于CO2激光的波長遠大于隨機分布的納米柱結構的周期，因此可以采用Bruggeman等效折射率模型將納米柱結構等效為一層均勻介質(zhì)［16－17］，從而計算所設計光柵的反射譜特性。納米柱層的等效折射率neff滿足以下方程:

式中，Vi和ni分別為第i種膜層的體積分數(shù)和折射率。假設采用電子束蒸發(fā)的方式鍍膜，則兩個柵脊側壁和柵槽底部的各膜層都通過柵槽口鍍上，所以，可以認為這3個區(qū)域的膜層厚度與各自面積成正比。忽略柵脊側壁和柵槽底部的尺寸差異，則各膜層的厚度僅取決于柵脊側壁高度及柵槽寬度。各鍍膜材料的體積可表示為:

式中，ti(i=0，1，2)分別表示所鍍 Au膜、YF3膜和ZnSe膜的厚度。對一個典型的光柵結構，Au膜、YF3膜和 ZnSe 膜 的 厚 度 分 別 為 0.125μm，0.125μm 和0.08μm，光柵占空比f=0.5，刻蝕深度d1=1.8μm，納米柱層高度d0=0.4μm，當 λ =10.6μm 時，YF3，ZnSe和Ge的折射率分別為 1.41，2.4和 4，根據(jù) Drude模型［18］算得金的復折射為8.52+75.39j。代入(2)式算得VAu=0.1302，VYF3=0.1302，VZnSe=0.0830。由于納米針之間可能沒有完全接觸，此時納米柱層中Ge納米針和空隙所占總體積比α=0.6566。將不同α值依次代入(2)式、(1)式可算得納米柱層的等效折射率，再采用嚴格耦合波分析方法［19－20］計算得到TE偏振的反射率RTE和TM偏振的反射率RTM，反射率隨α的變化情況如圖2所示。由圖可知，TE偏振的反射率幾乎不隨α變化，而TM偏振的反射率隨α的變化小于10%，為方便起見，假設α=1。

Fig.2 Volume ratio of nano－tip and air gap versus reflectivity

采用嚴格耦合波分析方法［19－20］計算得到所設計復合光柵的反射譜，如圖3中實線所示。引入納米柱結構光柵，當λ=10.6μm時，TM和TE偏振的反射率分別為39.92%和98.55%，在9.6μm～11.6μm波段范圍內(nèi)，隨著波長的增加，光柵的TM偏振的反射率逐漸升高，而TE偏振的反射率基本保持不變，兩束偏振光的反射率之差大于20%。根據(jù)經(jīng)驗，當TE比TM偏振的反射率大5%以上時，就可以得到純度較高的角向偏振光［11］。所以設計的復合光柵鏡能夠用作激光器諧振腔的尾鏡，實現(xiàn)角向偏振光的輸出。對于沒有引入納米柱結構的光柵(其它制作工藝完全相同)，其反射譜如圖3中虛線所示，反射率在整個波段范圍內(nèi)都比較平坦，當λ=10.6μm時，TM和TE偏振的反射率分別為96.79%和99.14%，反射率之差僅為2.35%，偏振選擇性變差?？梢?，納米柱的引入提高了光柵鏡的偏振選擇性。

Fig.3 Reflective spectra of hybrid grating，when T=4μm，d=2.2μm，d1=1.8μm，f=0.5，d0=0.4μm，t0=0.125μm，t1=0.125μm，t2=0.08μm，α =1

為了更好地研究高偏振選擇性的物理機制，通過有限元法計算出λ=10.6μm的入射光在光柵中的模場分布，如圖4所示。從磁場z分量Hz來看(如圖4a所示)，TM偏振可以激勵起光柵柵槽中的波導模，這種導模很容易泄漏至基底，從而使TM偏振的反射率降低。從電場z分量Ez來看(如圖4b所示)，TE偏振在光柵頂部就被金柵脊幾乎完全反射，不能激勵起柵槽中的導膜，但在接近光柵表面的柵槽中，有部分TE偏振倏逝場存在。這種模場分布特性可以用金屬波導理論［21］來解釋。綜上所述，所設計的復合光柵具有高偏振選擇性，一方面在于引入了納米柱結構，另一方面在于金柵脊對TE偏振具有高反射性。

Fig.4 Magnetic field distribution Hzof TM wave and electric field distribution Ezof TE wave when λ =10.6μm，T=4μm，d=2.2μm，d1=1.8μm，f=0.5，d0=0.4μm，t0=0.125μm，t1=0.125μm，t2=0.08μm，α =1

2 實驗及結果分析

作者在Oxford Plasmalab 100 with ICP 180刻蝕機中采用偽博世工藝［14］分別研究了晶體Ge光柵和無定型Ge光柵的刻蝕特性，對于晶體Ge光柵，當射頻功率、刻蝕功率、刻蝕氣壓和平臺溫度分別為500W，20W，1.333Pa和20℃，固定鈍化氣體 C4F8的流量為30cm3/min，刻蝕氣體 SF6的流量分別為16cm3/min(標況下)和17cm3/min時，得到了晶體Ge光柵的掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)刻蝕形貌，如圖5所示。SF6流量為16cm3/min和17cm3/min時獲得的刻蝕速率分別為0.328μm/min和0.419μm/min。在較大的SF6流量下得到的光柵占空比較低，主要是因為在刻蝕中，SF6起化學刻蝕的作用，流量增大，濃度也增大，因此刻蝕速率也增大。SF6對Ge進行各向同性的刻蝕，當刻蝕氣體中SF6濃度變大時，刻蝕更容易向側壁發(fā)展，從而導致占空比降低。在這兩套刻蝕參量下，均未在柵槽內(nèi)發(fā)現(xiàn)納米針。

Fig.5 SEM profile images of crystal Ge grating at different SF6flow

同樣，將以上兩套刻蝕參量分別對無定型Ge光柵進行刻蝕，得到的無定型Ge光柵的刻蝕形貌如圖6所示。相比于晶體Ge光柵，無定型Ge光柵的柵槽中均出現(xiàn)了隨機分布的納米針。當SF6流量為16cm3/min時，柵槽中的納米針不規(guī)則，當把鈍化氣體流量增加至17cm3/min時，柵槽中的納米針分布密集，且高度基本一致，此時的刻蝕速率為0.324μm/min。在刻蝕中，當鈍化氣體流量達到一定量時，反應會產(chǎn)生更多的聚合物，這些納米結構的聚合物在柵槽中隨機沉淀，形成掩膜，這種“自掩膜效應”是形成納米針的主要原因［22］。由于無定型Ge光柵不容易被刻蝕，沉積在柵槽中的納米狀聚合物附著更加牢固，沉積時間久，“自掩膜效應”更為顯著。

Fig.6 SEM profile images of amorphous Ge grating at different SF6flow

本文中采用SF6流量為17cm3/min的這組刻蝕參量，得到Ge光柵之后，再依次鍍上0.125μm的金膜、0.125μm的YF3保護膜和0.08μm的ZnSe保護膜，得到復合光柵鏡剖面輪廓的電鏡圖，如圖7所示?？梢姡谱鞯膹秃瞎鈻沤Y構均勻，側壁垂直，柵槽上隨機分布了一層納米柱，高度約為0.4μm，但是占空比卻降低至0.43，這可能是因為在光刻時曝光或顯影過度，導致了掩膜占空比降低。

Fig.7 SEM profile images of the hybrid grating

采用傅里葉紅外光譜儀Bruker Vertex 70V測試制作的復合光柵鏡，得到的反射譜如圖8所示。可見，當λ=10.6μm時，TM和TE偏振的反射率分別為37%和85.36%。在9.8μm～10.6μm的波段范圍內(nèi)，該光柵鏡的偏振選擇性很高。TM偏振反射率RTM的測量值與理論值較為吻合，但TE偏振反射率RTE的測量值相比理論值有10%左右的下移。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因除了測量誤差，可能是制作的光柵鏡中存在微小的缺陷，或者金柵脊中自由電子的阻尼吸收［23］。

Fig.8 Reflective spectra of measured value and theoretical value，when T=4μm，d=2.2μm，d1=1.8μm，f=0.43，d0=0.4μm，t0=0.125μm，t1=0.125μm，t2=0.08μm，α =1

把制作的光柵鏡用作軸快流CO2激光器尾鏡來產(chǎn)生角向偏振光，激光器的輸出鏡采用ZnSe鏡片，透過率和曲率半徑分別為50%和15m，放電管為直腔單排結構，諧振腔的腔長為2.6m，g參量為0.68，得到最高550W的角向偏振光輸出。在距離激光輸出窗口2.2m的地方放置一塊有機玻璃記錄光斑模式，如圖9a所示，燒斑呈環(huán)狀分布且中心光強為0。用一個反射率為99.5%和曲率半徑為15m的球面鏡代替該復合光柵鏡，得到的燒斑如圖9b所示，燒斑呈環(huán)狀分布，但是中心光強不為0，其模式一般被認為是環(huán)狀1階模與基模按一定比例組合而成的混合模式。可見，制作的光柵鏡用在激光器諧振腔中有明顯的1階模選擇能力。接著，利用ZnSe布儒斯特偏振片來檢驗從光柵鏡諧振腔中得到的環(huán)狀光束的偏振特性。分別將偏振片的通光方向(藍色箭頭所指方向)設置為垂直、水平、135°和45°方向，在有機玻璃上得到的激光燒斑分別如圖9c、圖9d、圖9e和圖9f所示。通過偏振片后，光斑都被一條功率為0的截線分成了兩瓣，而且截線的方向與偏振片的偏振方向平行，這說明該環(huán)狀光束的偏振分布為角向分布，制作的光柵鏡裝置實現(xiàn)了角向偏振光輸出。

Fig.9 Burned acrylic patterns on plexiglass for different resonator cavities and burned acrylic patterns through different polarizers

3 小結

設計并制作了一種具有較少膜層的環(huán)狀介質(zhì)－金屬復合光柵鏡，用作軸快流CO2激光器的尾鏡，實現(xiàn)了550W角向偏振光輸出。由于金柵脊及柵槽中的納米柱結構，該光柵鏡能高效反射TE偏振光，并且在9.8μm～10.6μm的帶寬范圍內(nèi)具有很高的偏振選擇性。

［1］ LUO K，QIAN S，WANG X，et al.Two－dimensional microstructures induced by femtosecond vector light fields on silicon［J］.Optics Express，2012，20(1):120－127.

［2］ FATEMI F K，BASHKANSKY M，OH E，et al.Efficient excitation of the TE01hollow metal waveguide mode for atom guiding［J］.Optics Express，2010，18(1):323－332.

［3］ SCHEUER J.Ultra－h(huán)igh enhancement of the field concentration in split ring resonators by azimuthally polarized excitation［J］.Optics Express，2011，19(25):25454－25464.

［4］ WEBER R，MICHALOWSKI A，AHMED M A，et al.Effects of radial and tangential polarization in laser material processing［J］.Physics Procedia，2011，12(A):21－30.

［5］ MEIER M，ROMANO V，F(xiàn)EURER T.Material processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation［J］.Applied Physics，2007，A86(3):329－334.

［6］ GROSJEAN T，COURJON D，SPAJER M.An all－fiber device for generating radially and other polarized light beams［J］.Optics Communications，2002，203(1/2):1－5.

［7］ YIRMIYAHU Y，NIV A，BIENER G，et al.Excitation of a single hollow waveguide mode using inhomogeneous anisotropic subwavelength structures［J］.Optics Express，2007，15(20):13404－13414.

［8］ STALDER M，SCHADT M.Linearly polarized light with axial symmetry generated by liquid－cystal polarization converters［J］.Optics Letters，1996，21(23):1948－1950.

［9］ MACHAVARIANI G，LUMER Y，MOSHE I，et al.Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized beams［J］.Optics Letters，2007，32(11):1468－1470.

［10］ MA P，ZHOU P，MA Y，et al.Generation of azimuthally and radially polarized beams by coherent polarization beam combination［J］.Optics Letters，2012，37(13):2658－2660.

［11］ NIZIEV V G，YAKUNIM V P，TURKIN N G.Generation of polarisation－nonuniform modes in a high－power CO2laser［J］.Quantum Electronics，2009，39(6):505－514.

［12］ RUMPEL M，HAEFNER M，SCHODER T，et al.Circular grating waveguide structures for intracavity generation of azimuthal polarization in a thin－disk laser［J］.Optics Letters，2012，37(10):1763－1765.

［13］ K?MPFE T，TONCHEV S，TISHCHENKO A V，et al.Azimuthally polarized laser mode generation by multilayer mirror with wideband grating－induced TM leakage in the TE stopband［J］.Optics Express，2012，20(5):5392－5401.

［14］ PARK S，Di GIACOMO S J，ANISHA R，et al.Fabrication of nanowires with high aspect ratios utilized by dry etching with SF6∶C4F8and self－limiting thermal oxidation on Si substrate［J］.Vacuum Science and Technology，2010，B28(4):763－768.

［15］ HECHT E，ZAJAC A.Optics［M］.4th ed.San Francisco，California，USA:Addison－Wesley，2002:226－227.

［16］ NIKLASSON G A，GRANQVIST C G，HUNDERI O.Effective medium models for the optical properties of inhomogeneous materials［J］.Applied Optics，1981，20(1):26－30.

［17］ CHEN H，LIU H，WU C，et al.Gallium nitride nanorod arrays as low－refractive－index transparent media in the entire visible spectral region［J］.Optics Express，2008，16(11):8106－8116.

［18］ ORDAL M A，LONG L L，BELL R J，et al.Optical properties of the metals Al，Co，Cu，Au，F(xiàn)e，Pb，Ni，Pd，Pt，Ag，Ti，and W in the infrared and far infrared［J］.Applied Optics，1983，22(7):1099－1120.

［19］ MOHARAM M G，GAYLORD T K.Rigorous coupled－wave analysis of grating diffraction［J］.Journal of the Optical Society of America，1981，71(7):811－818.

［20］ MOHARAM M G，GAYLORD T K.Diffraction analysis of dielectric surface－relief grating［J］.Journal of the Optical Society of America，1982，72(10):1385－1392.

［21］ XU M，URBACH H P，de BOER D K G，et al.Wire－grid diffraction gratings used as polarizing beam splitter for visible light and applied in liquid crystal on silicon［J］.Optics Express，2005，13(7):2303－2320.

［22］ KIM T S，YANG H Y，KIL Y H，et al.Inductively－coupled BCl3/O2plasma etching of germanium［J］.Korean Physical Society，2009，55(5):1799－1802.

［23］ YU X J，KWOK H S.Optical wire－grid polarizers at oblique angles of incidence［J］.Journal of Applied Physics，2003，93(8):4407－4412.