[发明专利]一种制作全息双闪耀光栅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件的制备方法，具体涉及一种全息双闪耀光栅的制备方法。

背景技术

光栅是一种应用非常广泛而重要的高分辨率的色散光学元件，在现代光学仪器中占有相当重要的地位。

众所周知，单个栅缝衍射主极大方向实际上既是光线的几何光学传播方向，也是整个多缝光栅的零级方向，它集中着光能，而又不能把各种波长分开，而实际应用中则偏重于将尽可能多的光能集中在某一特定的级次上。为此需要将衍射光栅刻制成具有经过计算确定的槽形，使单个栅槽衍射的主极大方向(或光线几何光学传播方向)与整个光栅预定的衍射级次方向一致，这样可使大部分光能量集中在预定的衍射级次上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀(blaze)，这种光栅称为闪耀光栅。闪耀使得光栅的衍射效率得到极大的提高。

闪耀光栅虽然有着很多的优点，但是在宽波段上，如从紫外到红外波段都想获得较高的衍射效率，还是很困难，为此，出现了全息双闪耀光栅产品，以实现宽波段内，均有较高的，均匀的衍射效率。全息双闪耀光栅由于具有宽波段的高效率优势，具有非常广阔的市场前景。

现有技术中，闪耀光栅的主要制作方法有以下几类：

A.机械刻划

机械刻划是用金刚石刻刀在金、铝等基底材料上刻划出光栅的方法，早期的闪耀光栅大多用该方法制作。然而，机械刻划光栅会产生鬼线，表面粗糙度及面形误差大，严重降低了衍射效率。

B.全息曝光显影

通过全息曝光显影在光刻胶上制作闪耀光栅的方法源于20世纪60-70年代。Sheriden发明了驻波法，通过调整基片与曝光干涉场之间的角度，在光刻胶内形成倾斜的潜像分布，显影后就能得到具有一定倾角的三角形光栅。Schmahl等人提出了Fourier合成法，把三角槽形分解为一系列正弦槽形的叠加，依次采用基波条纹、一次谐波条纹等进行多次曝光，经显影即可获得近似三角形的轮廓。然而，光刻胶闪耀光栅的槽形较差，闪耀角等参数无法精确控制，因此一直没有得到推广。

C.全息离子束刻蚀

离子束刻蚀是一种应用十分广泛的微细加工技术，它通过离子束对材料溅射作用达到去除材料和成形的目的，具有分辨率高、定向性好等优点。

全息离子束刻蚀闪耀光栅的一般制作工艺如附图1所示。首先在石英玻璃基底表面涂布光刻胶，经过全息曝光、显影、定影等处理后，基底上形成表面浮雕光刻胶光栅掩模，再以此为光栅掩膜，进行Ar离子束刻蚀。利用掩模对离子束的遮挡效果，使基底的不同位置先后被刻蚀，光刻胶光栅掩模刻尽后就能在基底材料上得到三角形槽形。离子束刻蚀闪耀光栅具有槽形好，闪耀角控制较精确，粗糙度低等优点，在工程中得到了广泛应用。

D.电子束直写

这种方法本质上是一种二元光学方法，将光栅闪耀面用若干个台阶近似，电子束以台阶宽度为步长进行扫描曝光，根据每个台阶高度选择合适的曝光剂量，显影后即可得到阶梯槽形。显然，台阶划分的越细，就越接近于理想的锯齿形。

然而，由于电子束直写是逐步扫描的，若要制作面积比较大的光栅，要花费很长的时间和很高的成本，此外由于目前电子束一次直写区域的尺寸通常不过几毫米，大面积加工时存在相邻区域间的接缝误差(Stitching error)，其对衍射效率的影响还需要评估。因此该方法适合于为一些小型的原理性实验提供光栅。

当制作全息双闪耀光栅时，需要在相邻的区域形成两个不同闪耀角的光栅，并且这两个区域的光栅周期必须一致。

在上述方法中，机械刻划法通过变换刻刀、电子束直写法通过控制曝光的剂量，可以相对容易地实现双闪耀光栅结构。然而，正如前面所述，采用机械刻划法制作闪耀光栅时，会产生鬼线，表面粗糙度及面形误差大，而采用电子束直写法，制作时间长，成本高，不适用于大面积加工。而对于全息离子束刻蚀法，由于闪耀角是依赖光栅掩模槽形的，故在实现双闪耀光栅结构时存在较大的困难。

因此，有必要寻求一种新的制备全息双闪耀光栅的方法，解决上述问题。

发明内容

本发明目的是提供一种制作全息双闪耀光栅的方法，以精确地实现闪耀角的控制，提高其衍射效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制作全息双闪耀光栅的方法，所述全息双闪耀光栅的两个闪耀角分别是A闪耀角和B闪耀角，双闪耀光栅分为两个区，对应A闪耀角的为A光栅区，对应B闪耀角的为B光栅区，制作方法包括下列步骤：

(1)在光栅基片上涂布光刻胶，光刻胶的厚度根据A闪耀角确定；

(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；