[发明专利]一种顶角90°三角形槽阶梯光栅的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱仪器中使用的色散元件领域，具体涉及一种用于可见光到红外波段的阶梯光栅光谱仪中使用的阶梯光栅的制作方法。

背景技术

近年来快速发展的阶梯光栅光谱仪，利用阶梯光栅为主色散元件,辅以横向色散元件进行级次分离,用面阵CCD同时记录下宽光谱范围(可见光至红外)的谱线，整个系统体积小，工作波长范围宽，线色散率高，分辨率高。阶梯光栅作为闪耀光栅的一种特殊类型，与通常的闪耀光栅主要区别在于阶梯光栅工作时使用沟槽的“短边”，即闪耀角通常大于45°。

对于以光栅为色散元件的光谱仪器，色散率与分辨率是表征其光学特性的重要参数。线色散率：

d1dλ=mfdcosβ---(1)]]>

光栅分辨率：

R=λΔλ=mN---(2)]]>

其中，d是光栅常数，m是光谱级次，N是光栅线条总数，f代表谱仪的聚焦长度，β代表衍射角，波长λ和λ+dλ两谱线在焦面上分开的距离dl越大，线色散率越大，分辨率越高，光谱仪性能越好。为了提高光谱仪的色散率和分辨率，一种方法是减小光栅常数d，扩大光栅面积以增加光栅线条数N，制作大面积高线密度的闪耀光栅，这是阶梯光栅发展初期常用方法，难度大，且光栅线密度与面积的提高是有限的。另一方法是使用大周期(通常大于10微米)闪耀光栅，即阶梯光栅。阶梯光栅能够在宽光谱范围以较大衍射角(β)闪耀在高级次(m)，且光栅周期大而容易制作大面积的光栅结构(增加光栅刻槽数N)，结果将获得更高的线色散率和分辨率。因此，阶梯光栅实质上是一种粗光栅，刻线密度小于100线/毫米，具有较大的闪耀角，可以用于很高的干涉级次，具有极高的分辨率。普通光栅是靠增大焦距f提高色散率，而阶梯光栅是通过增大闪耀角β(50°～70°)，利用高光谱级次m(40～120级)来提高线色散率的。目前已有的文献：文献1:G.R.Harrison,The Production of Diffraction Gratings:II.The Design of Echelle Gratings and Spectrographs,J.Opt.Soc.Am.39,522-527(1949).对阶梯光栅的设计以及使用机械刻划制作阶梯光栅技术进行了介绍。文献2：红外衍射光栅的制作与评价(U.U.Graf,D.T.Jaffe,E.J.Kim,J.H.Lacy,H.Ling,J.T.Moore,and G.Rebeiz,fabrication and evaluation of an etched infrared diffration grating,Applied Optics33,96-102(1994))介绍了使用各向异性湿法刻蚀在<100>硅基底中制作阶梯光栅，光栅槽型为等腰三角形，闪耀角55°，顶角70.53°。文献3：制作有微结构的红外硅棱镜(D.J.Mar,J.P.Marsh,C.P.Deen,H.Ling,H.Choo,and D.T.Jaffe,Micromachined silicon grisms for infrared optics,Applied Optics48,1016-1029(2009).)提出了将硅做成棱镜用作红外波段色散元件，硅棱镜的一侧边上仍然使用各向异性湿法刻蚀在<100>硅基底上制作阶梯光栅结构，通过不同的切割角度获得了三种闪耀角：6.16°、54.7°及63.4°阶梯光栅，顶角70.53°。文献4：使用阶梯光栅对TE与TM偏振光实现完美闪耀(Kleemann B H.Perfect blazing with echelle gratings in TE and TM polarization[J].Optics letters,37(6):1002-10042012.)，介绍了对于阶梯光栅，实现完美闪耀的两个必要条件：三角形槽型的顶角为90°，以及不存在比自准直入射时的衍射级更高的衍射级次。阶梯光栅是阶梯光栅谱仪的核心元件，高衍射效率是阶梯光栅发展过程中所追求的目标。根据文献4,三角形槽型的阶梯光栅的顶角是否为90°将直接影响是否能获得完美闪耀，如图1的a，b，c所示，顶角是直角的三角形槽型(如图1的b所示)的衍射效率较顶角70.5°的三角形槽型(如图1的c所示)高。文献1中介绍的机械刻划光栅，槽型顶角近似直角，但刻划产生的闪耀面粗糙，且制作周期长。文献2与文献3介绍在<100>硅片上，制作以(111)晶格面为闪耀面的阶梯光栅，表面平整光滑，减小了光线的散射，但顶角不是理想的90°角，限制了光栅衍射效率的进一步提高。