盧麗娟，李 波，王又青，趙 江

(華中科技大學(xué)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(dú)特的角向偏振分布且具有中心光強(qiáng)為0的環(huán)狀強(qiáng)度分布特點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于周期性納米波紋制造［1］、原子引導(dǎo)［2］、環(huán)狀開口諧振器的激勵(lì)［3］、激光焊接［4］和打孔［5］等領(lǐng)域。角向偏振光表現(xiàn)出來的優(yōu)勢推動(dòng)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(dǎo)1階模式激勵(lì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。本文中設(shè)計(jì)并制作了一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本的高偏振選擇性介質(zhì)－金屬復(fù)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(fù)合光柵鏡的設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，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(dǎo)熱性好，所以，實(shí)驗(yàn)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(jī)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(hù)膜和ZnSe介質(zhì)保護(hù)膜，與常見增強(qiáng)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(hù)膜包裹之后形成納米柱，假設(shè)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(jié)構(gòu)，所以將其稱為“介質(zhì)－金屬復(fù)合光柵”。所設(shè)計(jì)的復(fù)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(yuǎn)大于隨機(jī)分布的納米柱結(jié)構(gòu)的周期，因此可以采用Bruggeman等效折射率模型將納米柱結(jié)構(gòu)等效為一層均勻介質(zhì)［16－17］，從而計(jì)算所設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)和折射率。假設(shè)采用電子束蒸發(fā)的方式鍍膜，則兩個(gè)柵脊側(cè)壁和柵槽底部的各膜層都通過柵槽口鍍上，所以，可以認(rèn)為這3個(gè)區(qū)域的膜層厚度與各自面積成正比。忽略柵脊側(cè)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(cè)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(gè)典型的光柵結(jié)構(gòu)，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(dāng) λ =10.6μm 時(shí)，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(fù)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(shí)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(yán)格耦合波分析方法［19－20］計(jì)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(shè)α=1。

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

采用嚴(yán)格耦合波分析方法［19－20］計(jì)算得到所設(shè)計(jì)復(fù)合光柵的反射譜，如圖3中實(shí)線所示。引入納米柱結(jié)構(gòu)光柵，當(dāng)λ=10.6μm時(shí)，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(yàn)，當(dāng)TE比TM偏振的反射率大5%以上時(shí)，就可以得到純度較高的角向偏振光［11］。所以設(shè)計(jì)的復(fù)合光柵鏡能夠用作激光器諧振腔的尾鏡，實(shí)現(xiàn)角向偏振光的輸出。對于沒有引入納米柱結(jié)構(gòu)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(gè)波段范圍內(nèi)都比較平坦，當(dāng)λ=10.6μm時(shí)，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(jī)制，通過有限元法計(jì)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(lì)起光柵柵槽中的波導(dǎo)模，這種導(dǎo)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(lì)起柵槽中的導(dǎo)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(dǎo)理論［21］來解釋。綜上所述，所設(shè)計(jì)的復(fù)合光柵具有高偏振選擇性，一方面在于引入了納米柱結(jié)構(gòu)，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(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

作者在Oxford Plasmalab 100 with ICP 180刻蝕機(jī)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(dāng)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(biāo)況下)和17cm3/min時(shí)，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(shí)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?yàn)樵诳涛g中，SF6起化學(xué)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(jìn)行各向同性的刻蝕，當(dāng)刻蝕氣體中SF6濃度變大時(shí)，刻蝕更容易向側(cè)壁發(fā)展，從而導(dǎo)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(jìn)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(jī)分布的納米針。當(dāng)SF6流量為16cm3/min時(shí)，柵槽中的納米針不規(guī)則，當(dāng)把鈍化氣體流量增加至17cm3/min時(shí)，柵槽中的納米針分布密集，且高度基本一致，此時(shí)的刻蝕速率為0.324μm/min。在刻蝕中，當(dāng)鈍化氣體流量達(dá)到一定量時(shí)，反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生更多的聚合物，這些納米結(jié)構(gòu)的聚合物在柵槽中隨機(jī)沉淀，形成掩膜，這種“自掩膜效應(yīng)”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(shí)間久，“自掩膜效應(yīng)”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(hù)膜和0.08μm的ZnSe保護(hù)膜，得到復(fù)合光柵鏡剖面輪廓的電鏡圖，如圖7所示。可見，制作的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)均勻，側(cè)壁垂直，柵槽上隨機(jī)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?yàn)樵诠饪虝r(shí)曝光或顯影過度，導(dǎo)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(fù)合光柵鏡，得到的反射譜如圖8所示。可見，當(dāng)λ=10.6μm時(shí)，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(jié)構(gòu)，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(jī)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(qiáng)為0。用一個(gè)反射率為99.5%和曲率半徑為15m的球面鏡代替該復(fù)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(qiáng)不為0，其模式一般被認(rèn)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?？梢?，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(yàn)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(lán)色箭頭所指方向)設(shè)置為垂直、水平、135°和45°方向，在有機(jī)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(shí)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(jié)

設(shè)計(jì)并制作了一種具有較少膜層的環(huán)狀介質(zhì)－金屬復(fù)合光柵鏡，用作軸快流CO2激光器的尾鏡，實(shí)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(jié)構(gòu)，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。

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