用于強激光系統(tǒng)的光柵偏振器

劉 全，吳建宏，郭培亮

(1.蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215006;2.蘇州大學(xué) 江蘇省先進光學(xué)制造技術(shù)重點實驗室 教育部現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215006)

用于強激光系統(tǒng)的光柵偏振器

劉 全1,2*，吳建宏1,2，郭培亮1

(1.蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215006;2.蘇州大學(xué) 江蘇省先進光學(xué)制造技術(shù)重點實驗室 教育部現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)重點實驗室，江蘇 蘇州 215006)

針對強激光系統(tǒng)中常用的1 053 nm激光器進行了偏振光柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。利用嚴(yán)格耦合波理論分析了光柵偏振器的衍射特性及消光比，分析顯示偏振光柵周期為600 nm，占寬比為0.535～0.55，槽形深度為1 395 nm～1 420 nm時，可保證其在1 053 nm波長下，透射率高于95%，消光比大于1 500?；诜治鼋Y(jié)果，利用全息光刻技術(shù)制作了高質(zhì)量光刻膠光柵掩模，并采用傾斜轉(zhuǎn)動的離子束刻蝕結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕的方法對該光刻膠光柵掩模進行圖形轉(zhuǎn)移，制作了底部占寬比為0.54，槽形深度為1 400 nm的光柵偏振器。實驗測量顯示其透射率為92.9%，消光比達到160。與其他制作光柵偏振器方法相比，采用單光刻膠光柵掩模結(jié)合傾斜轉(zhuǎn)動的離子束刻蝕工藝，不但簡化了制作工藝，而且具有激光損傷閾值高、成本低的優(yōu)點。由于該技術(shù)可制作大面積光柵，特別利于在強激光系統(tǒng)中應(yīng)用。

高功率激光系統(tǒng)；光柵偏振器；嚴(yán)格耦合波理論；全息光刻；離子束刻蝕

1 引 言

在強激光系統(tǒng)中會大量使用各種偏光器件。例如美國“國家點火裝置”中使用的大口徑偏振片，其和大口徑等離子體電極普克爾斯盒共同構(gòu)成光隔離器[1]。偏振片通常有雙折射晶體、偏振分光膜和高分子膜3種實現(xiàn)方法[2-4]：自然界存在的雙折射晶體具有偏振分光功能，但天然的雙折射晶體數(shù)量較少且價格昂貴；多層膜技術(shù)是目前實現(xiàn)偏振的最常用技術(shù)，但不同膜層所用的材料不同，精確控制每層膜的厚度，其工藝復(fù)雜, 成本較高；高分子膜起偏器/檢偏器是將需要的偏振光透過，把不需要的偏振光吸收，對所透過的偏振光存在較大的吸收損耗。同時，偏振片具有越高的消光比，相應(yīng)的成本也越高。

光柵作為一種常用的光學(xué)元件，在各類光學(xué)系統(tǒng)中起著重要作用[5-7]。當(dāng)光柵的周期尺寸接近或者小于入射光波長時，將表現(xiàn)出較強的偏振特性，利用光柵的偏振特性，可制作各種偏光器件，如偏振光檢測器、偏振分束器、相位延遲器和各種波片等[8-9]。同時在強激光系統(tǒng)中，熔石英光柵具有幾乎等同于熔石英材料本身的高損傷閾值?？梢娙凼啿ㄩL光柵可以設(shè)計出針對任意波長的偏振光柵；具有較高的激光損傷閾值；可集成化和小型化；制作成本相對較低等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的亞波長光柵的制作技術(shù)，根據(jù)所使用的波段主要分為兩大類：一、在可見光波段，由于光柵周期一般要小于250 nm，故使用電子束直寫制作光柵掩模，再利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或者反應(yīng)離子束刻蝕(RIBE)將光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片上，如T. Glaser等人[10]設(shè)計制作了543～633 nm波段的偏振光柵，使用電子束直寫制作掩模，采用CF4反應(yīng)離子束刻蝕進行深槽制作，實驗獲得最大消光比為135；二、在近紅外波段，除了可以使用電子束直寫制作光柵掩模外，還可以利用全息光刻來制作光柵掩模，再利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)將光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片上，如周常河等人[11]設(shè)計制作了1 550 nm的偏振分束光柵，就是使用全息光刻制作掩模，采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕深槽形，實驗獲得最大消光比為145。在深槽刻蝕制作時，為了獲得更好的刻蝕選擇比，一般都使用雙層掩模，即光刻膠掩模和金屬鉻掩模。

本文針對強激光系統(tǒng)中常用的1 053 nm激光器，進行了偏振光柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。實驗上采用全息光刻技術(shù)制作高質(zhì)量光柵掩模；再使用傾斜轉(zhuǎn)動的離子束刻蝕結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕進行高深寬比結(jié)構(gòu)的刻蝕。實驗證明所采用的高質(zhì)量單層光刻膠掩模，在保證實現(xiàn)偏振光柵的高深寬比結(jié)構(gòu)要求的同時，簡化了制作工藝，具有激光損傷閾值高、操作簡便和成本低等優(yōu)點。

2 光柵偏振器的設(shè)計

圖1所示為偏振光柵結(jié)構(gòu)示意圖，n1和n2分別為空氣和石英的折射率，Λ為光柵的周期，a為線寬，d為槽深。占寬比f=a/Λ。入射平面波以littrow角入射，TE、TM波將被分別衍射到-1級和0級。消光比C0定義為TM波的0級透射率除以TE波的0級透射率。C-1定義為TE波的-1級衍射除以TM波的-1級衍射。

圖1 偏振光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of polarization grating

針對強激光系統(tǒng)的使用條件，采用嚴(yán)格耦合波理論[12-14]優(yōu)化設(shè)計了偏振光柵槽形結(jié)構(gòu)，分析了偏振光柵的衍射特性及消光比，詳細(xì)分析了制作過程中可能帶來的結(jié)構(gòu)變化對偏振光柵特性的影響。特別需要考慮TM波的0級透射率要盡量高，同時消光比C0也要盡量大。

決定光柵偏振衍射特性的關(guān)鍵因素是光柵周期與入射波長的關(guān)系，當(dāng)周期遠(yuǎn)大于入射波長時，光柵不具有偏振特性；當(dāng)周期小于入射波長時，光柵表現(xiàn)出明顯的偏振特性。對于波長為1 053 nm的激光，初步選定光柵周期Λ<1 000 nm。

首先，分析占寬比為0.5時衍射效率隨周期和槽深變化的情況，如圖2所示。可以看出當(dāng)光柵周期位于570～620 nm，槽深位于1 200～1 350 nm時，TM波的0級透射率和消光比C0都較高。

圖2 衍射效率和周期、槽深的關(guān)系(f=0.5)Fig.2 Diffraction efficiencies of polarization grating with different groove depths and periods (f=0.5)

在此基礎(chǔ)之上，分析了周期為600 nm時，衍射效率和消光比與槽深變化的關(guān)系，如圖3、圖4所示。

圖3 衍射效率和槽深的關(guān)系Fig.3 Diffraction efficiency as a function of groove depth

圖4 消光比和槽深的關(guān)系Fig.4 Extinction ratio as a function of groove depth

可見，當(dāng)槽深在1 300～1 380 nm，0級(TM)的透射率大于95%，消光比在500以上。當(dāng)槽深為1 340 nm時，0級(TM)的透射率在99%附近，-1級(TE)的衍射效率接近90%，相應(yīng)的消光比C0=2 700；C-1=7 500。

對于深刻蝕光柵，由于離子束刻蝕過程中再沉積等效應(yīng)，實現(xiàn)小于0.5的占寬比會非常困難，故接著分析占寬比為0.6時，衍射效率隨周期和槽深變化的情況，如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)周期在590～610 nm，槽深在1 500～1 600 nm時，TM波的0級透射率和消光比都比較高。在此基礎(chǔ)之上，分析了周期為600 nm時，衍射效率和消光比與槽深變化的關(guān)系如圖6、圖7所示。

圖5 衍射效率和周期、槽深的關(guān)系(f=0.6)Fig.5 Diffraction efficiencies of polarization grating with different groove depths and periods (f=0.6)

圖6 衍射效率和槽深的關(guān)系Fig.6 Diffraction efficiency as a function of groove depth

圖7 消光比和槽深的關(guān)系Fig.7 Extinction ratio as a function of groove depth

由圖6和圖7可以看出，當(dāng)槽深為1 500～1 550 nm時，消光比C0仍可在1 000以上，0級(TM)的透射率在90%附近。

基于以上分析，對于1 053 nm的激光光源，為了實現(xiàn)高消光比和高能量利用率，選擇周期為600 nm，分析了衍射效率隨占寬比和槽深變化的情況，如圖8所示。

圖8 衍射效率和占寬比、槽深的關(guān)系(Λ=600 nm)Fig.8 Diffraction efficiencies with different duty cycle and groove depths (Λ=600 nm)

從圖8可以看出，當(dāng)光柵占寬比為0.44～0.55，槽深位于1 220～1 420 nm時，0級(TM)的透射率大于95%，同時具有較好的消光比C0。為了明確C0的分布情況，圖9給出了計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，消光比C0大于500的光柵槽形結(jié)構(gòu)分布在一條帶中，而消光比C0大于1 500時，要求的光柵槽形結(jié)構(gòu)占寬比為0.535～0.55；槽深為1 395～1 420 nm。

圖9 消光比和占寬比、槽深的關(guān)系Fig.9 Extinction ratio with different duty cycle and depths

3 實驗結(jié)果及討論

偏振光柵利用微納加工技術(shù)，通過全息光刻、顯影、離子束刻蝕等多步工藝在熔石英基板上加工而成。首先需要制作高質(zhì)量的光刻膠光柵掩模，掩模的高度要盡量高，以保證在后續(xù)的刻蝕過程中能夠?qū)崿F(xiàn)深刻蝕，實驗上制作了周期為600 nm的光柵掩模，掩模高度在600 nm附近。其次采用傾斜轉(zhuǎn)動的離子束刻蝕結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕的方法，實現(xiàn)了對深刻蝕光柵槽形的精確控制，實驗中Ar離子束刻蝕的工作參數(shù)：工作氣壓為2×10-2Pa，加速電壓為240 V，離子束流為140 mA，離子能量為400 eV。CHF3反應(yīng)離子束刻蝕的工作參數(shù)為：工作氣壓為1.3×10-2Pa，加速電壓為240 V，離子束流為110 mA，離子能量為400 eV。

圖10(a)所示為光刻膠光柵掩模，其槽深是600 nm，底部占寬比是0.45；10(b)所示為采用傾斜轉(zhuǎn)動的離子束刻蝕結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕得到的刻蝕光柵，槽深為1 400 nm，底部占寬比為0.54，槽形側(cè)壁陡直。但是由于在選擇刻蝕傾斜角時，無法保證始終能夠刻蝕到深槽結(jié)構(gòu)的槽底，造成了部分時刻刻蝕到深槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，形成了圖10(b)所示的2臺階結(jié)構(gòu)。

圖10 偏振光柵的電鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM photograph of grating polarizer

最后，在littrow條件下，使用1 053 nm的激光測試了光柵偏振器的偏振性能。使用偏振分束棱鏡將激光光束分成TE、TM兩束，分別測試各自的0級透射率，測量裝置如圖11所示。測量得到0級(TM)透射率為92.9%，0級(TE)透射率為0.58%，消光比達到160。與理論分析結(jié)果(圖9)比較，透射率接近理論值，而消光比相差較大，主要原因是理論上的計算模型是理想矩形槽形，而實際槽形由于制作中在選擇刻蝕傾斜角時，無法保證始終能夠刻蝕到深槽結(jié)構(gòu)的槽底，在此過程中造成了部分時刻刻蝕到深槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁，形成了2臺階結(jié)構(gòu)。

圖11 透射率測試系統(tǒng)Fig.11 Experimental setup for measuring the transmittance

4 結(jié) 論

本文針對強激光系統(tǒng)中常用的1 053 nm激光器，利用嚴(yán)格耦合波理論優(yōu)化設(shè)計了1 053 nm波長下光柵偏振器的微結(jié)構(gòu)，得到偏振光柵周期為600 nm，占寬比為0.535～0.55，槽形深度在1 395～1 420 nm時，才能保證透射率高于95%，同時消光比大于1 500。實驗上采用全息光刻技術(shù)制作高質(zhì)量光柵掩模；再使用傾斜轉(zhuǎn)動的離子束刻蝕結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕進行高深寬比結(jié)構(gòu)的刻蝕。制作了底部占寬比為0.54，槽形深度為1 400 nm的光柵偏振器。實驗測量結(jié)果表明：透射率為92.9%，消光比達到160。偏振性能可以滿足強激光系統(tǒng)的需求。實驗證明所采用的高質(zhì)量單層光刻膠掩模，在保證實現(xiàn)偏振光柵的高深寬比結(jié)構(gòu)要求的同時，簡化了制作工藝，具有激光損傷閾值高、操作簡便和成本低等優(yōu)點。特別是該技術(shù)可以實現(xiàn)大面積光柵制作，利于強激光系統(tǒng)應(yīng)用。

[1] 董云, 鄭奎興. 用于大型激光系統(tǒng)的機械光束隔離器[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2001, 38 (2): 11-17. DONG Y, ZHENG K X. Mechanical light beam isolator for large powerful laser system [J].Las.Optoelect.Prog., 2001, 38 (2): 11-17. (in Chinese)

[2] 廖延彪. 偏振光學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2003. LIAO Y B.PolarizationOptics[M]. Beijing: Science Press, 2003. (in Chinese)

[3] 賴延清，蔣良興，田忠良，等. 液晶顯示器用偏光片[J].激光與光電子學(xué)進展，2007，44(7)：46-51. LAI Y Q, JIANG L X, TIAN ZH L,etal.. Polarizer used for liquid crystal display[J].Las.Optoelect.Prog., 2007, 44(7): 46-51. (in Chinese)

[4] LI L,DOBROWOLSKI J. High-performance thin-film polarizing beam splitter operating at angles greater than the critical angle[J].Appl.Opt., 2000, 39: 2754-2771.

[5] BOKOR N,SHECHER R,DAVIDSON N,etal.. Achromatic phase retarder by slanted illumination of a dielectric grating with period comparable with the wavelength[J].Appl.Opt., 2001, 40(13): 2076-2080.

[6] 李欣, 施政, 賀樹敏, 等. 微機電可調(diào)硅基三族氮化物光柵[J]. 光學(xué) 精密工程，2014，22(11):2945-2949. LI X, SHI ZH, HE SH M,etal.. MEMS-tunable Ⅲ-nitride grating on silicon substrate[J].Opt.PrecisionEng., 2014, 22(11): 2945-2949. (in Chinese)

[7] 姜巖秀, 巴音賀希格, 趙旭龍, 等. 自由電子激光器用極紫外波段平面變柵距光柵[J]. 光學(xué) 精密工程, 2015, 23(8):2117-2124. JIANG Y X, BAYANHESHIG, ZHAO X L,etal.. Plane holographic varied-line -space grating for DCLS in EUV region [J].Opt.PrecisionEng., 2015, 23(8): 2117-2124. (in Chinese)

[8] SOARES L L,CESCATO L. Metallized photoresist grating as a polarizing beam splitter[J].Appl.Opt., 2001, 40 (32): 5906-5910

[9] PAJEWSKI L,BORGHI R,SCHETTINI G,etal.. Design of a binary grating with subwavelength features that acts as a polarizing beam splitter [J].Appl.Opt., 2001, 40(32): 5898-5905.

[10] GLASER T,SCHR?TER S,BARTELT H,etal.. Diffractive optical isolator made of high-efficiency dielectric gratings only[J].Appl.Opt., 2002, 41(18): 3558-3566.

[11] WANG B,ZHOU CH H,WANG SH Q,etal.. Polarizing beam splitter of a deep-etched fused-silica grating[J].Opt.Lett., 2007, 32(10): 1299-1301.

[12] MOHARAM M G,GRANN E B, POMMET D A,etal.. Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings[J].J.Opt.Soc.Am.,1995,A12(5): 1068-1076.

[13] 劉全，吳建宏. 光柵的標(biāo)量衍射理論與耦合波理論的分析比較[J].激光雜志，2004，25(2)：31-34. LIU Q, WU J H. Analysis and comparison of the scalar diffraction theory and coupled-wave theory about grating [J].LaserJournals, 2004, 25(2): 31-34. (in Chinese)

[14] 樊叔維. 任意槽形光柵衍射特性的矢量理論分析與計算[J]. 光學(xué) 精密工程, 2000, 8(1):5-10. FAN SH W. Vector theory analysis and numerical calculation for any shape profile dielectric gratings[J].Opt.PrecisionEng., 2000, 8(1): 5-10. (in Chinese)

Grating polarizers for high power laser systems

LIU Quan1,2*, WU Jian-hong1,2, GUO Pei-liang1

(1.CollegeofPhysics,OptoelectronicsandEnergy&CollaborativeInnovationCenterofSuzhouNanoScienceandTechnology,SoochowUniversity,Suzhou215006,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedOpticalManufacturingTechnologiesofJiangsuProvince,KeyLaboratoryofModernOpticalTechnologiesofEducationMinistryofChina,SoochowUniversity,Suzhou215006,China) *Correspondingauthor,E-mail:liuquan@suda.edu.cn

The structure of a grating polarizer in common 1053 nm lasers was optimized for high power laser systems. The diffraction characteristics and extinction ratio of the grating polarizer were investigated by using rigorous coupled-wave theory. The results show when the grating period, duty cycle and the groove depth of the grating are 600 nm, 0.535-0.55 and 1 395-1 420 nm at a wavelength of 1053 nm, respectively, the extinction ratio could be more than 1500, and the optical transmittance of the TM-polarized wave could be over 95%. Based on the above analysis, a high quality photoresist grating mask was made by holographic lithography. Then, it was transferred to the fused silica substrate by tilted rotating ion beam etching and reactive ion beam etching to fabricate a grating polarizer with the period of 600 nm, bottom duty cycle of 0.54 and the groove depth 1 400 nm. Experimental measurements on the grating polarizer show that the optical transmittance is 92.9% and the extinction ratio is 160. Compared with other fabricating methods for the grating polarizer, the proposed method only requires a single layer of photoresist grating mask, which simplifies the fabricating process, enjoys low costs and guarantees the high damage threshold of the grating. As the method can fabricate large scale gratings, it is suitable for applications to the high power laser systems.

high power laser system; grating polarizer; rigorous coupled-wave theory; holographic lithography; ion beam etching

2016-09-27；

2016-12-05.

國家自然科學(xué)基金資助項目(No. 60907017)；上海市全固態(tài)激光器與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室開放課題資助項目(No. 2014ADL02)

1004-924X(2016)12-2962-07

O436.1；O436.3

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2962

劉 全(1978-)，男，安徽滁州人，博士，副研究員，2001年于安徽師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2004年于蘇州大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2013年于蘇州大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事微納光學(xué)、衍射光學(xué)、微納制造技術(shù)等方面的研究。E-mail: liuquan@suda.edu.cn

吳建宏(1960-)，男，江蘇蘇州人，研究員，博士生導(dǎo)師，1982年于蘇州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,1988年于蘇州大學(xué)獲得碩士學(xué)位，2005年于上海理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事全息學(xué)、光信息處理、全息光學(xué)元件等方面的研究。E-mail: jhwu@suda.edu.cn