用于强激光系统的光栅偏振器

2016-02-11吴建宏郭培亮

光学精密工程 2016年12期

刘全，吴建宏，郭培亮

(1.苏州大学物理与光电·能源学部苏州纳米科技协同创新中心，江苏苏州 215006;2.苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室教育部现代光学技术重点实验室，江苏苏州 215006)

用于强激光系统的光栅偏振器

刘全1,2*，吴建宏1,2，郭培亮1

针对强激光系统中常用的1 053 nm激光器进行了偏振光栅结构的优化设计。利用严格耦合波理论分析了光栅偏振器的衍射特性及消光比，分析显示偏振光栅周期为600 nm，占宽比为0.535～0.55，槽形深度为1 395 nm～1 420 nm时，可保证其在1 053 nm波长下，透射率高于95%，消光比大于1 500。基于分析结果，利用全息光刻技术制作了高质量光刻胶光栅掩模，并采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法对该光刻胶光栅掩模进行图形转移，制作了底部占宽比为0.54，槽形深度为1 400 nm的光栅偏振器。实验测量显示其透射率为92.9%，消光比达到160。与其他制作光栅偏振器方法相比，采用单光刻胶光栅掩模结合倾斜转动的离子束刻蚀工艺，不但简化了制作工艺，而且具有激光损伤阈值高、成本低的优点。由于该技术可制作大面积光栅，特别利于在强激光系统中应用。

高功率激光系统；光栅偏振器；严格耦合波理论；全息光刻；离子束刻蚀

1 引言

在强激光系统中会大量使用各种偏光器件。例如美国“国家点火装置”中使用的大口径偏振片，其和大口径等离子体电极普克尔斯盒共同构成光隔离器[1]。偏振片通常有双折射晶体、偏振分光膜和高分子膜3种实现方法[2-4]：自然界存在的双折射晶体具有偏振分光功能，但天然的双折射晶体数量较少且价格昂贵；多层膜技术是目前实现偏振的最常用技术，但不同膜层所用的材料不同，精确控制每层膜的厚度，其工艺复杂, 成本较高；高分子膜起偏器/检偏器是将需要的偏振光透过，把不需要的偏振光吸收，对所透过的偏振光存在较大的吸收损耗。同时，偏振片具有越高的消光比，相应的成本也越高。

光栅作为一种常用的光学元件，在各类光学系统中起着重要作用[5-7]。当光栅的周期尺寸接近或者小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，利用光栅的偏振特性，可制作各种偏光器件，如偏振光检测器、偏振分束器、相位延迟器和各种波片等[8-9]。同时在强激光系统中，熔石英光栅具有几乎等同于熔石英材料本身的高损伤阈值。可见熔石英亚波长光栅可以设计出针对任意波长的偏振光栅；具有较高的激光损伤阈值；可集成化和小型化；制作成本相对较低等，具有广阔的应用前景。

现有的亚波长光栅的制作技术，根据所使用的波段主要分为两大类：一、在可见光波段，由于光栅周期一般要小于250 nm，故使用电子束直写制作光栅掩模，再利用反应离子刻蚀(RIE)或者反应离子束刻蚀(RIBE)将光栅结构转移到基片上，如T. Glaser等人[10]设计制作了543～633 nm波段的偏振光栅，使用电子束直写制作掩模，采用CF4反应离子束刻蚀进行深槽制作，实验获得最大消光比为135；二、在近红外波段，除了可以使用电子束直写制作光栅掩模外，还可以利用全息光刻来制作光栅掩模，再利用反应离子刻蚀(RIE)将光栅结构转移到基片上，如周常河等人[11]设计制作了1 550 nm的偏振分束光栅，就是使用全息光刻制作掩模，采用感应耦合等离子体刻蚀深槽形，实验获得最大消光比为145。在深槽刻蚀制作时，为了获得更好的刻蚀选择比，一般都使用双层掩模，即光刻胶掩模和金属铬掩模。

本文针对强激光系统中常用的1 053 nm激光器，进行了偏振光栅结构的优化设计。实验上采用全息光刻技术制作高质量光栅掩模；再使用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀进行高深宽比结构的刻蚀。实验证明所采用的高质量单层光刻胶掩模，在保证实现偏振光栅的高深宽比结构要求的同时，简化了制作工艺，具有激光损伤阈值高、操作简便和成本低等优点。

2 光栅偏振器的设计

图1所示为偏振光栅结构示意图，n1和n2分别为空气和石英的折射率，Λ为光栅的周期，a为线宽，d为槽深。占宽比f=a/Λ。入射平面波以littrow角入射，TE、TM波将被分别衍射到-1级和0级。消光比C0定义为TM波的0级透射率除以TE波的0级透射率。C-1定义为TE波的-1级衍射除以TM波的-1级衍射。

图1 偏振光栅结构示意图Fig.1 Structure of polarization grating

针对强激光系统的使用条件，采用严格耦合波理论[12-14]优化设计了偏振光栅槽形结构，分析了偏振光栅的衍射特性及消光比，详细分析了制作过程中可能带来的结构变化对偏振光栅特性的影响。特别需要考虑TM波的0级透射率要尽量高，同时消光比C0也要尽量大。

决定光栅偏振衍射特性的关键因素是光栅周期与入射波长的关系，当周期远大于入射波长时，光栅不具有偏振特性；当周期小于入射波长时，光栅表现出明显的偏振特性。对于波长为1 053 nm的激光，初步选定光栅周期Λ<1 000 nm。

首先，分析占宽比为0.5时衍射效率随周期和槽深变化的情况，如图2所示。可以看出当光栅周期位于570～620 nm，槽深位于1 200～1 350 nm时，TM波的0级透射率和消光比C0都较高。

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

在此基础之上，分析了周期为600 nm时，衍射效率和消光比与槽深变化的关系，如图3、图4所示。

图3 衍射效率和槽深的关系Fig.3 Diffraction efficiency as a function of groove depth

图4 消光比和槽深的关系Fig.4 Extinction ratio as a function of groove depth

可见，当槽深在1 300～1 380 nm，0级(TM)的透射率大于95%，消光比在500以上。当槽深为1 340 nm时，0级(TM)的透射率在99%附近，-1级(TE)的衍射效率接近90%，相应的消光比C0=2 700；C-1=7 500。

对于深刻蚀光栅，由于离子束刻蚀过程中再沉积等效应，实现小于0.5的占宽比会非常困难，故接着分析占宽比为0.6时，衍射效率随周期和槽深变化的情况，如图5所示。可以看出，当周期在590～610 nm，槽深在1 500～1 600 nm时，TM波的0级透射率和消光比都比较高。在此基础之上，分析了周期为600 nm时，衍射效率和消光比与槽深变化的关系如图6、图7所示。

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

图6 衍射效率和槽深的关系Fig.6 Diffraction efficiency as a function of groove depth

图7 消光比和槽深的关系Fig.7 Extinction ratio as a function of groove depth

由图6和图7可以看出，当槽深为1 500～1 550 nm时，消光比C0仍可在1 000以上，0级(TM)的透射率在90%附近。

基于以上分析，对于1 053 nm的激光光源，为了实现高消光比和高能量利用率，选择周期为600 nm，分析了衍射效率随占宽比和槽深变化的情况，如图8所示。

图8 衍射效率和占宽比、槽深的关系(Λ=600 nm)Fig.8 Diffraction efficiencies with different duty cycle and groove depths (Λ=600 nm)

从图8可以看出，当光栅占宽比为0.44～0.55，槽深位于1 220～1 420 nm时，0级(TM)的透射率大于95%，同时具有较好的消光比C0。为了明确C0的分布情况，图9给出了计算结果，可以发现，消光比C0大于500的光栅槽形结构分布在一条带中，而消光比C0大于1 500时，要求的光栅槽形结构占宽比为0.535～0.55；槽深为1 395～1 420 nm。

图9 消光比和占宽比、槽深的关系Fig.9 Extinction ratio with different duty cycle and depths

3 实验结果及讨论

偏振光栅利用微纳加工技术，通过全息光刻、显影、离子束刻蚀等多步工艺在熔石英基板上加工而成。首先需要制作高质量的光刻胶光栅掩模，掩模的高度要尽量高，以保证在后续的刻蚀过程中能够实现深刻蚀，实验上制作了周期为600 nm的光栅掩模，掩模高度在600 nm附近。其次采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法，实现了对深刻蚀光栅槽形的精确控制，实验中Ar离子束刻蚀的工作参数：工作气压为2×10-2Pa，加速电压为240 V，离子束流为140 mA，离子能量为400 eV。CHF3反应离子束刻蚀的工作参数为：工作气压为1.3×10-2Pa，加速电压为240 V，离子束流为110 mA，离子能量为400 eV。

图10(a)所示为光刻胶光栅掩模，其槽深是600 nm，底部占宽比是0.45；10(b)所示为采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀得到的刻蚀光栅，槽深为1 400 nm，底部占宽比为0.54，槽形侧壁陡直。但是由于在选择刻蚀倾斜角时，无法保证始终能够刻蚀到深槽结构的槽底，造成了部分时刻刻蚀到深槽结构的侧壁，形成了图10(b)所示的2台阶结构。

图10 偏振光栅的电镜照片Fig.10 SEM photograph of grating polarizer

最后，在littrow条件下，使用1 053 nm的激光测试了光栅偏振器的偏振性能。使用偏振分束棱镜将激光光束分成TE、TM两束，分别测试各自的0级透射率，测量装置如图11所示。测量得到0级(TM)透射率为92.9%，0级(TE)透射率为0.58%，消光比达到160。与理论分析结果(图9)比较，透射率接近理论值，而消光比相差较大，主要原因是理论上的计算模型是理想矩形槽形，而实际槽形由于制作中在选择刻蚀倾斜角时，无法保证始终能够刻蚀到深槽结构的槽底，在此过程中造成了部分时刻刻蚀到深槽结构的侧壁，形成了2台阶结构。

图11 透射率测试系统Fig.11 Experimental setup for measuring the transmittance

4 结论

本文针对强激光系统中常用的1 053 nm激光器，利用严格耦合波理论优化设计了1 053 nm波长下光栅偏振器的微结构，得到偏振光栅周期为600 nm，占宽比为0.535～0.55，槽形深度在1 395～1 420 nm时，才能保证透射率高于95%，同时消光比大于1 500。实验上采用全息光刻技术制作高质量光栅掩模；再使用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀进行高深宽比结构的刻蚀。制作了底部占宽比为0.54，槽形深度为1 400 nm的光栅偏振器。实验测量结果表明：透射率为92.9%，消光比达到160。偏振性能可以满足强激光系统的需求。实验证明所采用的高质量单层光刻胶掩模，在保证实现偏振光栅的高深宽比结构要求的同时，简化了制作工艺，具有激光损伤阈值高、操作简便和成本低等优点。特别是该技术可以实现大面积光栅制作，利于强激光系统应用。

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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.

国家自然科学基金资助项目(No. 60907017)；上海市全固态激光器与应用技术重点实验室开放课题资助项目(No. 2014ADL02)

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

O436.1；O436.3

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2962