[发明专利]一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法

说明书

本发明公开了一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，通过优化原子层沉积镀膜参数，获得衍射光学器件微结构表面共形生长的膜层镀膜工艺；以优化的镀膜参数，在光学抛光的测试基板上分别镀制高折射率膜层和低折射率膜层，利用椭圆偏振光谱方法确定膜层的光学常数和厚度，确定膜层厚度和原子层沉积镀膜周期的关系；根据膜层的光学常数设计增透膜，计算增透膜中每个膜层的原子层沉积镀膜周期数；根据增透膜的结构优化设计衍射光学器件微结构，并制备衍射光学器件基板；按照增透膜中膜层从基板到空气的排列顺序，依次在衍射光学器件表面镀制各个膜层，制备增透膜。本发明提出的镀膜方法，可以有效提高衍射光学器件的光学透过率。

技术领域

本发明涉及微纳光学元件的加工领域，特别涉及用于提高衍射光学器件光透过率的一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法。

背景技术

衍射光学是通过微细加工工艺，在片基、薄膜、以及传统光学器件表面刻蚀产生多个台阶甚至连续形状的浮雕结构调控光学相位，实现极高衍射效率和新颖光学功能的一种器件。衍射光学器件是实现计算机全息成像方法检测非球面面形、超分辨成像等新颖成像光学功能的必须器件，也是实现光学系统微小型化、集成化的重要途径，近年来，微结构加工能力的发展推动了微纳光学器件加工水平的快速发展以及微纳光学器件在光学系统的大规模应用。和传统光学器件类似，衍射光学器件表面的剩余反射会导致系统的透过率偏低，需要在表面镀制增透膜才能有效提高器件的光利用效率。传统的光学薄膜镀膜方式主要为离子束溅射、热蒸发以及离子束辅助沉积等物理气相沉积方式，镀膜过程中，从蒸发源到基板蒸发分子以接近直线的路线传播，沉积的薄膜厚度和分子的入射角度等参数密切相关，在分子传输路径上存在遮挡时，即可限制遮挡区域后薄膜的生长。由于微结构的遮挡效应，利用物理气相沉积在微结构上镀膜时，微结构上面向分子束流入射方向的位置沉积薄膜更大，而背向分子束流方向无法沉积薄膜，因此不能镀制厚度均匀、性能可控的光学薄膜，所制备的薄膜缺陷多。更严重的，薄膜的不均匀会破坏衍射光学器件的微结构特征。

发明内容

为了解决衍射光学器件表面增透膜镀膜的技术问题，本发明提出采用原子层沉积镀膜方法，在衍射光学器件的不同表面同时制备具有相同薄膜堆积顺序和沉积厚度的多层介质膜，以提高衍射光学器件的透过率。具体的，本发明公开了一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，包括如下步骤：

步骤1，选择组成增透膜的高折射率膜层材料和低折射率膜层材料，并分别确定原子层沉积生长所述高折射率膜层材料和低折射率膜层材料的化学反应源材料；

步骤2，在测试基板上利用原子层沉积方法分别镀制高折射率膜层和低折射率膜层，分别确定高折射率膜层和低折射率膜层的镀膜厚度与镀膜周期的关系，以及各膜层的折射率色散；

步骤3，根据所述高折射率膜层和低折射率膜层的折射率色散，设计增透膜的膜系结构，使衍射光学器件在工作波长具有目标透过率；所述膜系结构包括膜层的总层数，以及从基板到空气之间的各个膜层的材料以及各个膜层的厚度；

步骤4，根据所述膜系结构中每个膜层的厚度，以及所述镀膜厚度和镀膜周期的关系，计算所述膜系结构中每个膜层的镀膜周期；

步骤5，根据所述膜系结构，优化调整衍射光学器件的微结构参数，并在衍射光学器件基板上制备衍射光学器件微结构；

步骤6，使用所述化学反应源材料在衍射光学器件基板的多个表面同时镀制薄膜，膜层的制备顺序和步骤3所确定的从基板到空气之间的膜层排列顺序一致，每个膜层的镀膜周期由步骤4确定。

可选的，步骤2包括以下步骤：

步骤21，优化原子层沉积镀膜工艺参数，使原子层沉积镀制的薄膜在微结构表面均匀覆盖生长；

步骤22，选择光学常数和薄膜的光学常数差异大于设定阈值的基板作为测试基板，且测试基板为单面抛光；

步骤23，利用优化的镀膜工艺参数，在测试基板的抛光表面制备不同原子层沉积镀膜周期的薄膜膜层；