抗反射亚波长光栅的特性研究

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1、激光技术990107激光技术LASERTECHNOLOGY1999年第1期No.11999抗反射亚波长光栅的特性研究*王植恒　傅克祥　文　军　王　磊　袁景和　　摘要：利用矢量衍射理论的数值求解方法，研究了亚波长光栅结构参数对反射率的影响，特别是基底厚度对反射率的影响，这些为设计和制作具有优良的抗反射性能的二元光学元件提供了设计依据。　　关键词：亚波长光栅　矢量衍射　抗反射ResearchaboutantireflectioncharacteristicsofsubwavelengthgratingW

2、angZhiheng,FuKexiang,WenJun,WangLei,YuanJinghe(DepartmentofPhysics,SichuanUniversity,Chengdu,610064)　　Abstract：Inthispaper,usingnumericalsolutionmethodofvectordiffractiontheory,wediscussthedependenceofreflectivityuponstructuralparametersofsubwavelength

3、grating,particularlyuponsubstratethickness.Itcanbeusedasthebasisfordesignandfabricationofbinaryopticalelementwithproperantireflectionproperty.　　Key　words：subwavelength　vectortheory　antireflection引　　　言　　随着高功率激光器在战术激光武器、激光热核聚变、激光加工等领域的应用，对光学元件的光学性能提出了前所未

4、有的高要求。其中之一就是高抗反射。传统的抗反射光学薄膜由于是在不同材料上沉淀而制成的，因此，存在薄膜的膨胀收缩差异、膜层间的粘附力较小、膜层间存在杂质、局部的热吸收以及薄膜的折射率取值范围受到限制等问题，尤其是它的损伤阈值较低，限制了激光器的输出功率。近年来，随着计算机辅助设计和微电子工艺的发展，光学学科诞生了一个新的分支——二元光学。用二元光学制成的元件具有结构紧凑、重量轻、设计灵活、易于复制等优点，可直接用微电子加工技术进行加工，也可按照使用要求在一个二元光学元件上设计出能综合几种传统折射型功能

5、的光学元件。所以，二元光学的研究越来越受到人们的关注和重视。伴随加工工艺和设备的进步，制作表面结构尺寸与光波波长相当的亚波长微结构的二元光学元件已成为可能，而在亚波长范围内，传统的标量衍射理论已不适用，必须用矢量衍射理论来分析亚波长微结构元件的光学性质，理论研究已发现了一些在标量衍射理论中不具有的特殊光学性质，比如：抗反射特性。　　目前，国外对亚波长光栅的抗反射研究已有报道，但是主要集中在对抗反射现象进行理论分析，如：耦合波理论［1］、等效介质理论［2］、均层模式理论［3］等，而关于这种元件的制作仅

6、有少量的报道［4］。国内这方面的研究注重对其衍射特性的理论分析以及初步的实验研究［5～7］，有目的地专门研究和设计抗反射光栅还未见报道。我们拟在这方面万方数据file:///E

7、/qk/jgjs/jgjs99/jgjs9901/990107.htm（第1／7页）2010-3-230:40:16激光技术990107作一些探索，利用矢量衍射理论的数值求解方法［8］，研究亚波长光栅结构参数(占空比、光栅深度、基底厚度等)的变化对反射率的影响，发现不仅占空比和光栅厚度对反射率有影响，而且基底厚度对反射率也存

8、在显著影响，这是以前未见报道过的，这些为设计和制作具有优良的抗反射性能的二元光学元件提供了设计依据。1　理论基础　　采用的亚波长周期型光栅结构如图1所示。图中h为光栅深度，d为基底厚度，T1为光栅线宽，T0为光栅周期，e＝T1／T0为占空比。把求解区域划分成四个水平层，第一层为空气层，第二层为光栅层，第三层为基底层，第四层为空气层；在光栅层内，介电常数具有周期性，即ε（x）＝ε（x＋T0），而μ＝μ0。在一个光栅周期内，当x∈［0，T0－T1］时，ε＝ε0；当x∈［T0－T1，T0）时，ε＝ε0εr

9、，εr是相对介电常数。Fig.1　Thegeometryofgrating　　研究线偏振的单位振幅平面波垂直入射到光栅上时(见图1)，反射波的场分布以及反射率。这时，TE偏振的电矢量方向平行于光栅方向，而TM偏振的磁矢量方向平行于光栅方向。　　由于光栅的周期性和入射电磁波电场强度和磁场强度的周期性，所以有（x）＝（x＋T0）（1）（x）＝（x＋T0）（2）对于TE波，电矢量平行于光栅槽方向，由麦克斯韦方程可导出电场满足的微分方程［8］［（d2／dx2）＋－］En（x）