[发明专利]一种光纤传输的非绝热近场光学诱导化学刻蚀方法

说明书

技术领域

本发明涉及量子光学器件制作领域，特别是涉及一种光纤传输的非绝热近场光学诱导化学刻蚀方法。

背景技术

随着光学与微电子学等的不断发展, 对关键零件表面精度的要求越来越高, 需要达到纳米甚至原子级。光学元件的表面加工质量不仅直接影响着器件的使用性能，而且对产品质量、可靠性及寿命也至关重要。常规的超精密光学器件制作技术只能够获得亚纳米表面精度和表面粗糙度的超光滑表面，元件精度最高可达到面形精度PV 2nm，表面粗糙度RMS 0.2nm 。但这些方法在去除表面为凸起、凹坑和纳米级精细划痕等微缺陷方面都有其不足之处，要么是加工效率不高，要么是其表面粗糙度控制的不够低，难以进一步降低表面粗糙度获得无缺陷的超光滑表面。于是，本发明的目的是针对上述问题，设计了一种光纤传输非绝热近场光学诱导化学刻蚀方法，实现无表面损伤的精密光学表面制作方法。 

发明内容

本发明为了保持光化学反应的优势，减少不必要的机械摩擦，同时为了解决上述问题的不足，从降低表面粗糙度入手，提供了一种光纤传输的非绝热近场光学诱导化学刻蚀方法。该方法可极大地降低表面粗糙度，具有针对性强、品质高、简单易行的特点。

本发明提出的光纤传输的非绝热近场光学诱导化学刻蚀方法，所述方法通过非绝热近场光学诱导化学刻蚀装置实现，所述装置包括激光器1、快门2、凸透镜3、光纤4、XYZ平台5、半导体激光器8、探测器9、探测器位置控制单元10、计算机11、XYZ 平台控制器12和反应室13，XYZ平台5上设有反应室13，反应室13一侧下部设有减压器和电磁阀，用于充入氯气，上部设有扩散泵和冷却阱，用于排出气体，激光器1的出光口通过快门2对准凸透镜3的进光口，凸透镜3的出光口对准光纤4的进光口，光线经光纤4进入反应室13垂直入射于基板表面，半导体激光器8连接探测器9，探测器9连接探测器位置控制单元10的输入端，探测器位置控制单元10的输出端连接计算机11输入端，用以检测基板是否平整，计算机11输出端连接XYZ平台控制器12，XYZ平台5通过XYZ平台控制器12进行控制；具体步骤如下：

(1)对反应室进行排空，随后充入氯气，控制氯气气压为10pa-200pa。

(2)用蘸有丙酮的棉签轻拭基板表面，将擦拭后的基板用40%的HF溶液清洗，随后用蒸馏水清洗，最后再次用丙酮清洗干净，随后放入反应室。

(3)选用波长为300-700nm,功率密度为0.25-0.35                                                的氩离子激光器1作为光源，打开快门2，光线经过凸透镜3耦合至光纤4。

(4)光线经光纤4进入反应室13垂直入射于基板，此时纳米尺度的微结构产生光学近场，导致分子与基板原子进行选择性光化学反应。一旦粗糙结构消失、光学近场消失、反应也将停止。

(5)半导体激光器8的光线经基板反射到探测器9，通过探测器位置控制单元10后连接到计算机11，以便观察基板是否平整。

(6)待反应结束、反应室冷却至室温后取出刻蚀好的基板。

本发明中，所述的基板可以是光学玻璃，或可以是晶体。

本发明中，所述光纤选用直径100微米、200微米或者500微米，数值孔径0.17、0.2或者0.22的渐变型多模石英光纤。

本发明利用基板微结构表面产生光学近场，导致Cl₂分子与微结构表面原子发生光化学反应。其原理是：基板表面分子受热激发产生电子空穴对，一方面，光电子转移到氯的自由基（氯原子）而产生氯离子，氯离子扩散到Si的晶格中与之发生反应，而且光产生于Si表面的电场可以使Cl^-扩散加强加快反应。另一方面，对于近场而言，场强是不确定的有一定的空间梯度，分子轨道的改变和分子的极化导致了分子的振动进而产生声子，此时光子、电子、声子构成虚拟的EPP(exciton-phonon-polariton)粒子具有很强的能量用以光化学反应的进行。而一旦纳米级粗糙结构消失不足以引起分子晶格的振动、光学近场消失、反应也将停止。综上所述，光纤式非绝热近场光学诱导光化学刻蚀方法最终可有效地降低光学器件表面粗糙度。

本发明的有益效果如下：

1. 过程中不发生机械接触，可以有效的去除硅基底表面的微缺陷，降低表面粗糙度，获得超光滑表面。

2.  可以有效提高加工效率，不需要其他机械辅助设备，光化反应使刻蚀速率加快。