[发明专利]周期可调制的亚微米衍射光栅及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚微米级周期的衍射光栅及其制备方法，属于可见光、紫外光、软X射线等检测领域和微纳加工技术器件领域。

背景技术

衍射光栅是各种光谱仪器中的核心色散元件。衍射光栅以光栅线条间的距离变化来分类，有等栅距光栅和变栅距光栅两种类型。传统的等栅距衍射光栅已可获得100纳米以下周期的高光栅线密度的结构，但必须和准直镜、聚光镜等辅助元件共同使用，准直镜和聚光镜通常由长焦距的离轴抛物面、椭球面或超环面构成，加工此类高精度的非球面非常困难,成本昂贵；另外,深紫外及软X射线会被大多数物质强烈吸收,因此在光谱仪中应尽量减少这类光学器件的使用,提高光通量。变栅距光栅是光栅的线条栅距不相等,按照一定的规律变化,光栅具有自聚焦、像差校正、高分辨率等优点，可以减少光谱仪器的光学元件数目，提高系统的光学传输效率，简化光谱仪器的设计和加工，变栅距光栅在空间光谱仪、等离子体诊断、同步辐射单色仪等领域已成功应用，在光纤通信、非球面干涉计量等方面也展现了广阔的应用前景，但目前由于受到制造工艺的限制，很难获得亚微米周期的变栅距光栅。

近年来，纳米压印技术得到了迅猛的发展。为利用纳米压印技术制备变栅距光栅提供了条件。使用可变栅距的光栅器件可以减少仪器的附件数目。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述两类光栅的技术问题，提供一种周期在亚微米级，并且可大范围，连续、精确调制周期的衍射光栅及其制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明的衍射光栅采用如下技术方案：

周期可调制的亚微米衍射光栅，该光栅的条纹结构由金属制成；所述光栅的金属条纹结构制备在高分子弹性体材料的基底上；所述光栅的初始周期在亚微米以下，光栅的周期通过控制高分子弹性体的拉伸可进行调制。

其中，所述高分子弹性体材料可采用聚硅氧烷弹性体、聚氨酯弹性体、聚脲弹性体等具有良好弹性形变性能的材料。

本发明制备周期可调制的亚微米衍射光栅的方法包括以下步骤：

（1）采用双层膜紫外光固化纳米压印技术，在硬质衬底上，通过旋转涂膜的方法在基片分别形成上下两层膜，上层为含有有机硅材料的紫外光固化压印层，下层为由C、H、O组成的水溶性高分子传递层，把具有凹凸式光栅图案的透紫外光压印模板压入纳米压印胶中，紫外光照固化后，模板上的凹凸式光栅图案被复制到紫外光固化纳米压印层上；

（2）将复制出的光栅图案，通过CHF₃/O₂离子刻蚀把具有浅槽深的光栅图案转化为传递层中具有较深槽深的光栅图案，并暴露出光栅凹槽底部的衬底；

（3）光栅结构经刻蚀后，再采用电子束蒸镀工艺，蒸镀一层金属薄膜；

（4）在蒸镀金属后的样品表面覆盖高分子弹性体，在加压和加热的条件下，得到由高分子弹性体-金属-传递层紧密接触构成的三明治结构；

（5）在70摄氏度的去离子水浴中分离上述三明治结构中的弹性体以及衬底材料，即可得附着在高分子弹性体上的金属光栅结构。

上述金属光栅结构制作于高分子弹性体材料上，通过对高分子弹性体材料在垂直或平行于光栅线条方向上进行拉伸，可使光栅周期产生改变：垂直于光栅线条方向拉伸，光栅的周期变大；平行于光栅线条方向拉伸，光栅周期缩小。由于光栅周期的变化大小与高分子弹性体材料的拉伸程度成正比关系，通过控制高分子弹性体在垂直或平行两个方向上的拉伸、缩放程度，即可精确控制光栅周期的改变大小，到达连续、精确调制的目的，依据高分子弹性体的拉伸程度，光栅周期的调制范围可达光栅初始周期的20%以上。

本发明制备的周期可调制衍射光栅，把等栅距光栅的高线密度与变栅距光栅的自聚焦、像差校正、高分辨率等优点相结合，通过对光栅周期的调制，分别达到与不同频率入射光的最优匹配，以一块可调制周期的光栅替代多块不同周期、固定栅距的光栅。

附图说明

图1是本发明衍射光栅结构的周期调制示意图，其中，1-沿光栅方向拉伸； 2-栅距缩小的光栅结构；3-垂直光栅方向拉伸；4-栅距增大的光栅结构。

图2是本发明制备周期可调制的亚微米衍射光栅的流程示意图，其中，5-紫外光固化胶；6-聚乙烯醇；7-硬质衬底；8-复合模板。

图3是本发明实施例制备的可调栅距光栅结构的扫描电子显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参照图2，本发明的具体实施方式如下：

（1）高分子弹性体基体材料的制备。