[发明专利]一种机械切削-离子束刻蚀制备光栅方法

说明书

本发明公开了一种机械切削‑离子束刻蚀制备光栅方法，克服制作高密度刻线的衍射光栅过程中，切削刀具刀尖圆角使得光栅衍射效率下降的影响。本发明是一种在机械切削基础上采用离子束刻蚀的方法，通过一块机械切削母板光栅复制而来的子板光栅，在其表面镀上Al或GaAs膜等其他反射膜，并选择合适离子束入射角进行离子束刻蚀，刻槽槽底圆弧部分离子束刻蚀速率比刻槽其它部分快，可清除圆弧，使得圆弧刻蚀成尖角，且光栅闪耀角在离子束刻蚀过程中保持不变，刻槽深度增加，提高光栅衍射效率。与一般全息‑离子束刻蚀光栅相比，本发明提供的机械切削‑离子束刻蚀制备光栅方法，易于实现小闪耀角简便，易显著提高光栅使用波段的衍射效率等优势。

技术领域

本发明涉及一种光谱仪器中所采用的衍射光学元件(衍射光栅)的制作技术领域，具体涉及一种采用机械切削-离子束刻蚀制备光栅方法。

背景技术

衍射光栅为光谱仪器中所采用的重要分光元件，而其衍射效率是一项重要技术指标。光栅衍射效率高，有助于提高光谱仪器的信噪比，也有助于提高仪器对弱信号探测能力。

随着国家以及民众对环境安全和保护日益重视和关注，特别对大气污染物以及污染源监测；针对电力和铁路等行业安全运行的电晕放电检测需求；林业部门对森林火灾预警防范需求；以及在生物医学、刑侦、公安文检等领域需求。紫外波段成像光谱仪器在这些领域运用具有其他波段成像光谱仪器无法替代的优势，然而紫外波段的光容易被大气吸收，同时光电探测器在紫外波段探测响应也低，限制着紫外波段成像光谱仪器在这些领域的发展。因此，通过提高紫外波段成像光谱仪器中的衍射光栅的衍射效率是一条成本低、效果显著的途径。衍射光栅刻槽一般采用具有三角形槽形，同时还需要小闪耀角(小于8°)来满足紫外波段高衍射效率要求；采用曲面面型衍射光栅具有光的色散、聚光性能，有助于减少光学元件数量，简化仪器构成；另外紫外波长短,采用高密度刻线有助于减少仪器体积,减轻重量。

采用单一精密机床机械切削可以切削出良好的三角形槽形，光栅刻线的粗糙度小于2nm(rms)，波阵面误差在0.5um左右，同时能精确切削出小闪耀角(小于8°)，但在切削高刻线密度衍射光栅时，由于圆弧刀具刀尖存在圆弧，使得光栅衍射效率显著下降(当使用刀尖圆弧半径1um/2um的圆弧刀具切削刻线密度为600线/mm时，使用波段的最高衍射效率只为49.04％)，无法满足紫外波段(240-400nm)高衍射效率要求。而采用全息-离子束刻蚀方法，尽管刻蚀效率高，但对于离子束刻蚀具有小闪耀角(小于8°)的衍射光栅加工比较困难，同时刻蚀出的三角形槽形不规则。

本发明提出了一种采用机械切削-离子束刻蚀制备方法，先通过机械切削出具有良好的三角形槽形及小闪耀角(小于8°)的高刻线密度(200线/mm或以上)的原刻衍射光栅(母板衍射光栅)，再复制出子板衍射光栅，最后通过离子束刻蚀方式把衍射光栅刻槽底部圆弧部分刻蚀成尖角，同时保持光栅闪耀角不变，从而增加了刻槽深度，提高了光栅衍射效率。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种采用机械切削-离子束刻蚀制备方法，以克服目前精密机械切削高刻线密度衍射光栅的衍射效率低；全息-离子束刻蚀方法刻蚀小闪耀角的衍射光栅困难以及其刻槽的三角形槽形不规则等问题，能够获得比精密机械切削更深的刻槽深度，提高光栅衍射效率，还可以获得比全息-离子束刻蚀更规则的三角形槽形，以及更小闪耀角的光栅刻槽。

本发明提供的技术方案是：一种机械切削-离子束刻蚀制备光栅方法，包括如下步骤：

步骤一、机械切削出具有高密度刻线并具有小闪耀角的原刻衍射光栅，原刻衍射光栅作为母板衍射光栅，用于复制子板衍射光栅；

步骤二、确定用于复制子板衍射光栅的镀膜材料及膜层厚度；确定离子束在子板衍射光栅表面的入射角，使复制衍射光栅的刻槽槽底圆弧部分得以清除，具有小闪耀角的刻槽轮廓面最宽化；

步骤三、对机械切削的原刻衍射光栅进行子板衍射光栅复制，并在复制子板衍射光栅过程中镀膜，用于离子束刻蚀加工；