基于复合光栅镜的角向偏振光产生研究

卢丽娟，李 波，王又青，赵 江

(华中科技大学激光加工国家工程研究中心，武汉430074)

引 言

近年来，由于角向偏振光具有独特的角向偏振分布且具有中心光强为0的环状强度分布特点而受到越来越多的关注，广泛应用于周期性纳米波纹制造［1］、原子引导［2］、环状开口谐振器的激励［3］、激光焊接［4］和打孔［5］等领域。角向偏振光表现出来的优势推动了人们对生成高功率角向偏振光的研究，目前已有许多方法用于产生角向偏振光，如波导1阶模式激励法［6－7］、偏振转换法［8－9］、相干合成法［10］和光栅选模法［11－13］等。其中光栅选模法适用于产生高功率的角向偏振光，比如将铜光栅［11］、多层介质光栅镜［12］用作激光器谐振腔尾镜，来产生角向偏振光，或采用多层高反射介质膜上的Si光栅得到角向偏振脉冲［13］。但是采用铜光栅得到的角向偏振光纯度较低，而多层介质光栅的结构复杂、成本较高。本文中设计并制作了一种结构简单、低成本的高偏振选择性介质－金属复合光栅镜，用作轴快流CO2激光器谐振腔的尾镜，得到了百瓦级的角向偏振光输出。

1 复合光栅镜的设计

为了与角向偏振光的环状模式及圆柱形激光增益区相吻合，将光栅栅线设计为环状结构，光栅俯视图如图1a所示。在几种常用的红外材料中，Ge的折射率高且导热性好，所以，实验中拟采用无定型Ge作为光栅区材料，低折射率材料 ZnSe作为基底。首先在ZnSe基底上镀一层厚度为d的Ge膜，然后在Ge膜上刻蚀深度为d1的光栅。本文中拟采用伪博世工艺［14］刻蚀Ge光栅，在光栅的栅槽底部引入一层随机分布的Ge纳米针，然后在Ge光栅上镀一层金膜，提高光栅对TE偏振的反射率［15］，最后再依次镀上一层YF3介质保护膜和ZnSe介质保护膜，与常见增强金膜电子束蒸发工艺相兼容。栅槽底部的Ge纳米针被金膜和介质保护膜包裹之后形成纳米柱，假设其高度为d0。由于这种光栅既具有介质和金属，也具有纳米柱结构，所以将其称为“介质－金属复合光栅”。所设计的复合光栅轮廓如图1b所示，其中T为光栅周期，a为栅脊宽度，f=a/T为占空比。为了保证光栅只有0级衍射级，光栅周期必须小于激光波长。

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

由于CO2激光的波长远大于随机分布的纳米柱结构的周期，因此可以采用Bruggeman等效折射率模型将纳米柱结构等效为一层均匀介质［16－17］，从而计算所设计光栅的反射谱特性。纳米柱层的等效折射率neff满足以下方程:

式中，Vi和ni分别为第i种膜层的体积分数和折射率。假设采用电子束蒸发的方式镀膜，则两个栅脊侧壁和栅槽底部的各膜层都通过栅槽口镀上，所以，可以认为这3个区域的膜层厚度与各自面积成正比。忽略栅脊侧壁和栅槽底部的尺寸差异，则各膜层的厚度仅取决于栅脊侧壁高度及栅槽宽度。各镀膜材料的体积可表示为:

式中，ti(i=0，1，2)分别表示所镀 Au膜、YF3膜和ZnSe膜的厚度。对一个典型的光栅结构，Au膜、YF3膜和 ZnSe 膜 的 厚 度 分 别 为 0.125μm，0.125μm 和0.08μm，光栅占空比f=0.5，刻蚀深度d1=1.8μm，纳米柱层高度d0=0.4μm，当 λ =10.6μm 时，YF3，ZnSe和Ge的折射率分别为 1.41，2.4和 4，根据 Drude模型［18］算得金的复折射为8.52+75.39j。代入(2)式算得VAu=0.1302，VYF3=0.1302，VZnSe=0.0830。由于纳米针之间可能没有完全接触，此时纳米柱层中Ge纳米针和空隙所占总体积比α=0.6566。将不同α值依次代入(2)式、(1)式可算得纳米柱层的等效折射率，再采用严格耦合波分析方法［19－20］计算得到TE偏振的反射率RTE和TM偏振的反射率RTM，反射率随α的变化情况如图2所示。由图可知，TE偏振的反射率几乎不随α变化，而TM偏振的反射率随α的变化小于10%，为方便起见，假设α=1。

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

采用严格耦合波分析方法［19－20］计算得到所设计复合光栅的反射谱，如图3中实线所示。引入纳米柱结构光栅，当λ=10.6μm时，TM和TE偏振的反射率分别为39.92%和98.55%，在9.6μm～11.6μm波段范围内，随着波长的增加，光栅的TM偏振的反射率逐渐升高，而TE偏振的反射率基本保持不变，两束偏振光的反射率之差大于20%。根据经验，当TE比TM偏振的反射率大5%以上时，就可以得到纯度较高的角向偏振光［11］。所以设计的复合光栅镜能够用作激光器谐振腔的尾镜，实现角向偏振光的输出。对于没有引入纳米柱结构的光栅(其它制作工艺完全相同)，其反射谱如图3中虚线所示，反射率在整个波段范围内都比较平坦，当λ=10.6μm时，TM和TE偏振的反射率分别为96.79%和99.14%，反射率之差仅为2.35%，偏振选择性变差。可见，纳米柱的引入提高了光栅镜的偏振选择性。

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

为了更好地研究高偏振选择性的物理机制，通过有限元法计算出λ=10.6μm的入射光在光栅中的模场分布，如图4所示。从磁场z分量Hz来看(如图4a所示)，TM偏振可以激励起光栅栅槽中的波导模，这种导模很容易泄漏至基底，从而使TM偏振的反射率降低。从电场z分量Ez来看(如图4b所示)，TE偏振在光栅顶部就被金栅脊几乎完全反射，不能激励起栅槽中的导膜，但在接近光栅表面的栅槽中，有部分TE偏振倏逝场存在。这种模场分布特性可以用金属波导理论［21］来解释。综上所述，所设计的复合光栅具有高偏振选择性，一方面在于引入了纳米柱结构，另一方面在于金栅脊对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 实验及结果分析

作者在Oxford Plasmalab 100 with ICP 180刻蚀机中采用伪博世工艺［14］分别研究了晶体Ge光栅和无定型Ge光栅的刻蚀特性，对于晶体Ge光栅，当射频功率、刻蚀功率、刻蚀气压和平台温度分别为500W，20W，1.333Pa和20℃，固定钝化气体 C4F8的流量为30cm3/min，刻蚀气体 SF6的流量分别为16cm3/min(标况下)和17cm3/min时，得到了晶体Ge光栅的扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)刻蚀形貌，如图5所示。SF6流量为16cm3/min和17cm3/min时获得的刻蚀速率分别为0.328μm/min和0.419μm/min。在较大的SF6流量下得到的光栅占空比较低，主要是因为在刻蚀中，SF6起化学刻蚀的作用，流量增大，浓度也增大，因此刻蚀速率也增大。SF6对Ge进行各向同性的刻蚀，当刻蚀气体中SF6浓度变大时，刻蚀更容易向侧壁发展，从而导致占空比降低。在这两套刻蚀参量下，均未在栅槽内发现纳米针。

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

同样，将以上两套刻蚀参量分别对无定型Ge光栅进行刻蚀，得到的无定型Ge光栅的刻蚀形貌如图6所示。相比于晶体Ge光栅，无定型Ge光栅的栅槽中均出现了随机分布的纳米针。当SF6流量为16cm3/min时，栅槽中的纳米针不规则，当把钝化气体流量增加至17cm3/min时，栅槽中的纳米针分布密集，且高度基本一致，此时的刻蚀速率为0.324μm/min。在刻蚀中，当钝化气体流量达到一定量时，反应会产生更多的聚合物，这些纳米结构的聚合物在栅槽中随机沉淀，形成掩膜，这种“自掩膜效应”是形成纳米针的主要原因［22］。由于无定型Ge光栅不容易被刻蚀，沉积在栅槽中的纳米状聚合物附着更加牢固，沉积时间久，“自掩膜效应”更为显著。

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

本文中采用SF6流量为17cm3/min的这组刻蚀参量，得到Ge光栅之后，再依次镀上0.125μm的金膜、0.125μm的YF3保护膜和0.08μm的ZnSe保护膜，得到复合光栅镜剖面轮廓的电镜图，如图7所示。可见，制作的复合光栅结构均匀，侧壁垂直，栅槽上随机分布了一层纳米柱，高度约为0.4μm，但是占空比却降低至0.43，这可能是因为在光刻时曝光或显影过度，导致了掩膜占空比降低。

Fig.7 SEM profile images of the hybrid grating

采用傅里叶红外光谱仪Bruker Vertex 70V测试制作的复合光栅镜，得到的反射谱如图8所示。可见，当λ=10.6μm时，TM和TE偏振的反射率分别为37%和85.36%。在9.8μm～10.6μm的波段范围内，该光栅镜的偏振选择性很高。TM偏振反射率RTM的测量值与理论值较为吻合，但TE偏振反射率RTE的测量值相比理论值有10%左右的下移。出现这种现象的原因除了测量误差，可能是制作的光栅镜中存在微小的缺陷，或者金栅脊中自由电子的阻尼吸收［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

把制作的光栅镜用作轴快流CO2激光器尾镜来产生角向偏振光，激光器的输出镜采用ZnSe镜片，透过率和曲率半径分别为50%和15m，放电管为直腔单排结构，谐振腔的腔长为2.6m，g参量为0.68，得到最高550W的角向偏振光输出。在距离激光输出窗口2.2m的地方放置一块有机玻璃记录光斑模式，如图9a所示，烧斑呈环状分布且中心光强为0。用一个反射率为99.5%和曲率半径为15m的球面镜代替该复合光栅镜，得到的烧斑如图9b所示，烧斑呈环状分布，但是中心光强不为0，其模式一般被认为是环状1阶模与基模按一定比例组合而成的混合模式。可见，制作的光栅镜用在激光器谐振腔中有明显的1阶模选择能力。接着，利用ZnSe布儒斯特偏振片来检验从光栅镜谐振腔中得到的环状光束的偏振特性。分别将偏振片的通光方向(蓝色箭头所指方向)设置为垂直、水平、135°和45°方向，在有机玻璃上得到的激光烧斑分别如图9c、图9d、图9e和图9f所示。通过偏振片后，光斑都被一条功率为0的截线分成了两瓣，而且截线的方向与偏振片的偏振方向平行，这说明该环状光束的偏振分布为角向分布，制作的光栅镜装置实现了角向偏振光输出。

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

3 小结

设计并制作了一种具有较少膜层的环状介质－金属复合光栅镜，用作轴快流CO2激光器的尾镜，实现了550W角向偏振光输出。由于金栅脊及栅槽中的纳米柱结构，该光栅镜能高效反射TE偏振光，并且在9.8μm～10.6μm的带宽范围内具有很高的偏振选择性。

［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－high 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，FEURER 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］ KÄMPFE 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，Fe，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.