[发明专利]利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳光学制造技术，主要涉及制备大尺寸光栅的一种简单制造方法。

背景技术

衍射光栅是一种应用非常广泛且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，它广泛应用于分光、测量、甚至可控约束核聚变等各个领域，例如，大尺寸光栅用于在激光核聚变项目上对激光脉冲进行压缩，其衍射效率可以达到95％以上。

在研制大尺寸光栅方面，国内外的许多研发机构都制作出了几百毫米量级的光栅，具有代表性的主要是有两种技术方案，一种就是全息法，还有一种是扫描干涉技术。

全息光栅是利用双激光光束干涉产生的，一次曝光就可以得到大面积的光栅，是目前大尺寸光栅的主要制造方法之一。美国的Lawrence Livermore NationalLaboratory(LNL)和法国Jobin Yvon公司都采用这种技术制造大尺寸光栅。全息法制造光栅的优点是整体光栅均匀一致，波面质量高，因此是目前大尺寸光栅制造的主流技术。但这个技术要求使用大口径的透镜，因此在制作大尺寸光栅时对透镜的尺寸及平整度要求很高，特别是米级光栅的制作要求米级尺寸的大口径透镜，如此大尺寸的透镜很难加工，因此这个技术制造大尺寸光栅有加工工艺的限制，同时随着光栅尺寸的增大，曝光时间会随之增长，要求其光栅条纹能够长期稳定，对于激光器的输出功率有非常高的要求。

另一种方案是以美国的Massachusetts Institute ofTechnology(MIT)为代表的扫描干涉拼接技术，他们采用的是一种称为Scanning Beam Interference Lithography(简称SBIL)的方法[Carl G Chen and Mark L. Schattenburg，A Brief History of Gratings andthe Making ofthe MIT Nanoruler，March 11，2004]，SBIL方法类似于传统的双光束干涉方法，该方法可以通过扫描拼接来获得大尺寸，不需要大口径透镜，但是由于双光束干涉后没有一个清晰的边界，因此对拼接要求很高，而且由于其两束光不是同光路共光轴，对相干性要求很高，其条纹均匀性也不是很好。

此外，制作大尺寸光栅的方法还有机械刻划法等。用机械刻划法制得的光栅刻槽是依次刻划产生的，存在周期性和随机性位移误差，这就导致了“鬼线”(伪谱线)的产生，同时由于刻刀刃微观豁口的存在，其杂散光较强，而且制作周期相当漫长，无法有效的解决大尺寸光栅的制备问题。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提出一种利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，其优点结构简单，通过光栅的衍射级次产生多束光，在其谱面选取±1级衍射级次，产生双光束实现干涉条纹。采用4F系统使光栅清晰成像在干涉区域，通过扫描技术制作大尺寸光栅。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用光栅成像扫描光刻制备大尺寸光栅的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①构建一个实现光栅成像的光路系统，包括激光器、第一反射镜、第二反射镜、扩束装置、准直透镜、位相光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜和基板，所述的基板固定在可沿X轴即水平轴、Y轴即垂直轴精密移动的移动台上，所述的位相光栅置于一个旋转台上，所述的第一反射镜和第二反射镜与激光器的输出光路的夹角为45°，所述的激光器发出的光经过第一反射镜和第二反射镜反射后进入所述的扩束装置，经所述的扩束装置出来的光经过所述的准直透镜成为平行光，该平行光依次经所述的位相光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜照射在所述的基板上，所述的位相光栅、第一透镜、空间滤波器、第二透镜和基板构成4F成像系统；

②将所述的位相光栅固定在旋转台上，使所述的位相光栅能在垂直于入射光线的平面内旋转，以利于调整位相光栅的条纹方向和基板移动方向之间的夹角；

③在所述的基板位置安装一块相似的试验基片，调整使所述的位相光栅的光栅平面与平行光入射方向垂直，并位于成像系统的第一透镜的前焦面上，空间滤波器位于成像系统的频谱面上，驱动所述的移动台使所述的试验基片位于所述的第二透镜的后焦面上，所述的位相光栅在所述的试验基片上成实像，启动所述的光路系统，曝光一次，然后沿着Y轴移动一定距离再曝光一次，在显微镜下观察两次曝光后得到的条纹图像，再仔细调整所述的旋转台，经多次曝光试验后实现光栅的条纹方向与Y轴运动方向平行；