紫外光刻-湿法刻蚀硅中阶梯光栅的研制

湿法刻蚀技术作为中阶梯光栅的主要制备方法之一，具有制造成本低、周期短、杂光少、所制作光栅的闪耀角误差小等优点。为解决某高分辨率光谱仪在近红外波段（800～1100 nm）的分光需求，尝试选择70.52°槽顶角的湿法刻蚀硅中阶梯光栅来代替90°槽顶角的传统中阶梯光栅。依据（100）硅光栅的结构特点以及光学设计给出的光栅工作条件，利用有限元数值计算法求解电磁场分布，理论分析了硅中阶梯光栅在工作波段内多个级次的衍射特性。在此基础上，利用紫外光刻-湿法刻蚀技术，在单晶硅基底上制作了槽密度为42 lp/mm、闪耀角为54.74°、有效面积超过46 mm×28 mm的对称V形槽光栅，并根据制备实验结果分析讨论了工艺过程中硅光栅质量的重要影响因素。测试结果表明，该光栅在各工作级次对应闪耀波长下的衍射效率均在45%～55%范围内，满足指标要求。     

中阶梯光栅衍射效率及杂散光检测系统设计

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。鉴于此,基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测,该系统引入双轨结构,具有结构简单新颖、一机多能等优点。通过理论分析和计算,确定了检测系统的结构参数,设计结果表明： 该检测系统可用于测量190～1 100 nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率,同时也可用于测量200～800 nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数,实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。     

湿法和溶脱法的亚微米ZnO:Al光栅制备

以激光干涉法得到的光刻胶图案为掩模,采用湿法刻蚀和溶脱-剥离法制备了具有良好减反射特性的亚微米掺铝氧化锌（ZnO:Al, AZO）光栅。表面形貌特征和反射光谱测试结果表明,湿法刻蚀较溶脱-剥离法得到的AZO光栅表面更为粗糙,两者均方根粗糙度分别为25.4,7.6 nm。在400～900 nm波段,两种方法制备的周期和高度相同的光栅,平均总反射率分别由AZO薄膜的12.5%下降到8.3%和10.2%。两者的平均镜面反射率分别为6.2%和6.6%,平均漫反射率分别为2.1%和3.6%。湿法刻蚀得到的表面较为粗糙AZO光栅的漫反射明显减弱,从而导致总的减反特性优于溶脱-剥离法得到的表面起伏相对较小的AZO光栅。     

90°顶角中阶梯光栅的研制

结合单晶硅各向异性腐蚀和倾斜光刻技术,在14°斜切(110)单晶硅片上成功制作出90°顶角的中阶梯光栅。在1500~1600nm波段对其进行了闪耀级次衍射效率测量,测量结果的趋势与C方法计算结果基本吻合,其中在1500~1550nm波段光栅表现出良好的闪耀特性,效率为理论值的52%~75%,峰值约为58%。讨论并计算了制作工艺中的槽深误差对光栅闪耀级次衍射效率的影响。结果表明,在1500~1550nm波段,考虑槽深误差计算所得的理论闪耀级次衍射效率约为完美槽形计算效率的77%~85%。     

应用碳化硅表面改性技术降低全息-离子束刻蚀光栅刻槽的粗糙度

采用具有良好比刚度和热稳定性的碳化硅材料作为基底,使用全息-离子束刻蚀技术制作了光栅。碳化硅材料表面固有缺陷导致制作的光栅刻槽表面粗糙度高,槽底和槽顶粗糙度分别达到了29.6 nm和65.3 nm (R_q)。通过等离子辅助沉积技术在碳化硅表面镀制一层均匀的硅改性层,经过抛光可以获得无缺陷的超光滑表面。XRD测试表明制备的硅改性层为无定形结构。原子力显微镜的测试结果表明:经过抛光后,表面粗糙度为0.64 nm(R_q)。在此表面上制作的光栅刻槽表面粗糙度明显降低,槽底和槽顶粗糙度分别为2.96 nm和7.21 nm,相当于改性前的1/10和1/9。     

新型便携式中阶梯光栅光谱仪光学设计与消杂散光研究

中阶梯光栅光谱仪凭借着高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性成为了现代光谱仪器研究的热点和重点。为了进一步缩小它的体积,提高仪器信噪比和检出限,设计了一种新型结构的中阶梯光栅光谱仪,其折叠主光路的设计可以在不改变成像质量、不降低光谱分辨率的前提下减小仪器体积,光学尺寸小于165 mm×70 mm×65 mm,光谱分辨率为0.06 nm@200 nm。同时设计了挡板、光阑等结构减小仪器的杂散光,经过光线追迹仿真实验,新型中阶梯光栅光谱仪杂散光低于2×10-5,显著地提高了仪器的信噪比。     

相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度

 通过分析光线通过微球壳层后各界面的相位分布,讨论了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的基本原理,研究了微球上部壳层对内表面粗糙度测量的影响,得到了聚苯乙烯,聚a甲基苯乙烯微球的内表面形貌特征图像,测量数据与原子力显微镜测量数据在同一量级。以微球壳层对超光滑碳化硅及单晶硅片表面形貌的调制作用为研究对象,讨论了微球的外表面粗糙度以及微球壁厚对内表面粗糙度测量结果的影响,确定了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的不确定度,实验结果表明：对于表面粗糙度小于30 nm、厚度小于9 mm的微球,测量不确定度小于0.4 nm。     

金刚石线锯切割多晶硅片的气相刻蚀制绒研究

采用气相刻蚀制绒法研究金刚石线锯切割多晶硅片制绒.加热体积比1∶3、总体积400 mL的HF-HNO3酸混合溶液到90℃,使酸混合溶液受热产生气相,利用气相对金刚石线锯切割多晶硅片表面进行制绒.结果表明,制绒15 min之后,硅片表面的切割纹被完全去除;小腐蚀坑密布硅片表面,尺寸小于1μm,而传统湿法酸制绒所形成的腐蚀坑尺寸大于10μm.气相刻蚀后的金刚石线锯切割多晶硅片表面的微观粗糙度比传统酸混液制绒后的金刚石线锯切割多晶硅片表面的微观粗糙度高3倍多.气相制绒效果明显,并仅有12.11％的低反射率.     

金刚石线锯切割多晶硅片的气相刻蚀制绒研究（英文）

采用气相刻蚀制绒法研究金刚石线锯切割多晶硅片制绒.加热体积比1:3、总体积400mL的HF-HNO3酸混合溶液到90℃,使酸混合溶液受热产生气相,利用气相对金刚石线锯切割多晶硅片表面进行制绒.结果表明,制绒15min之后,硅片表面的切割纹被完全去除;小腐蚀坑密布硅片表面,尺寸小于1μm,而传统湿法酸制绒所形成的腐蚀坑尺寸大于10μm.气相刻蚀后的金刚石线锯切割多晶硅片表面的微观粗糙度比传统酸混液制绒后的金刚石线锯切割多晶硅片表面的微观粗糙度高3倍多.气相制绒效果明显,并仅有12.11%的低反射率.     

异质结太阳电池硅衬底绒面陷光结构的优化

硅异质结(SHJ)太阳电池作为备受关注的新型高效太阳电池,是在单晶硅表面沉积非晶硅薄膜制备而成的。将绒面结构的单晶硅衬底应用于异质结太阳电池,可以减少光的反射,增强光吸收的效率,从而提高太阳电池短路电流密度。利用湿法化学腐蚀对单晶硅衬底表面进行制绒,通过优化影响绒面形貌的几个关键参数,包括异丙醇浓度、时间、衬底类型和硅酸钠的含量,最终通过在n型单晶硅衬底上制绒,使波长为1011 nm处最低反射率从制绒前的34.7%降低到了9.14%,将制绒衬底应用到异质结太阳电池上,短路电流由32.06 m A/cm-2提升到36.16 m A/cm-2,有效地改善了SHJ太阳电池的性能。     

飞秒激光辅助刻蚀制备蓝宝石光栅(特邀)

利用飞秒激光辅助刻蚀技术,在蓝宝石表面实现了周期、占空比及高度可调的光栅结构。解决了飞秒激光加工硬脆材料时表面质量较差、碎屑堆积导致的加工精度降低和难以制备深结构的问题。蓝宝石光栅结构的粗糙度从78 nm(激光直写后)降低到了7 nm(干法刻蚀后),实现了周期为800 nm光栅,以及深宽比为4的蓝宝石微结构的制备。飞秒激光辅助刻蚀技术能够制备蓝宝石表面高平滑光栅,并对光栅各级次衍射效率进行提升。     

摆动刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅

通过摆动离子束刻蚀方法,制作了用于短波红外高光谱成像光谱仪的凸面闪耀光栅。该方法通过在光栅子午方向上进行摆动刻蚀,解决了凸面光栅子午方向的闪耀角一致性问题。建立了摆动刻蚀模型来分析摆动速度、束缝宽度等工艺参数对槽型演化的影响,并计算了优化的刻蚀工艺参数。制备了基底尺寸为67 mm,曲率半径为156.88 mm,刻线密度为45.5 gr/mm,闪耀角为2.2°的凸面闪耀光栅,并对其表面形貌及衍射效率进行了测量。实验结果表明,摆动刻蚀法能够制作出闪耀角一致性好、衍射效率高的小闪耀角凸面光栅,满足成像光谱仪对光谱分辨率和便携性的使用要求。     

溶胶-凝胶法制备氧化锌薄膜的压电行为

"采用溶胶-凝胶技术在单晶硅Si(111)上制备了ZnO压电薄膜,并以扫描电镜、X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)进行了表征．XRD衍射实验表明ZnO薄膜随着膜厚的增大,其(002)取向逐渐增强;AFM研究了薄膜的表面形貌、粗糙度与晶粒大小的结果表明,ZnO压电薄膜的粗糙度与晶粒寸随着薄膜厚度的增大而减小．粗糙度为2.188~0.914 nm．利用PFM研究压电系数,发现随着薄膜厚度的增加,(002)生长方向增强,压电系数逐渐增大;当力参数小于薄膜的表面粗糙度时,压电系数测量不准确且在较大幅度     

高分辨率分光光度计光学系统的研究

以高输出能量和低杂散光为系统设计的中心思想,目的为实现小型化、高分辨率、易于操作维护的光学分光系统。提出以非对称式切尔尼特纳(C-T)结构为分光结构,以平面全息衍射闪耀光栅为分光元件。不仅提高了结构的优化自由度,同时系统的输出能量和杂散光方面都得到了显著的改善。通过Zemax光学软件的模拟和优化,结果表明系统光谱范围在400~800nm内,具有较宽的谱线展宽,光谱分辨优于1nm,系统的光学像差控制在容限范围内。结构体积约为95mm×90mm×44mm,满足高输出能量、高分辨率、低杂散光、小型化的设计。     

冲击波实验用铝楔形靶加工技术

采用单点金刚石车削技术制备加工铝楔形靶,发现金刚石车削加工楔形靶实际轮廓为圆锥面。通过Veeco NT1100白光干涉仪对表面轮廓及粗糙度进行了测量,结果表明平面部分表面粗糙度小于50 nm,最大峰谷值小于100 nm,斜面部分表面粗糙度小于200 nm。分析认为斜面部分粗糙度测量数值较大是由刀具工作角度变化导致的,而测量轮廓线非圆锥体母线又导致粗糙度测量结果大于实际值。     

基于铋纳米颗粒的自由沉降法 制作X射线吸收光栅

利用深反应离子刻蚀技术或湿法腐蚀在硅上制作光栅结构,将与光栅浸润的液体作为载体携带铋纳米颗粒进入光栅结构内,形成致密排列,从而制作出X射线吸收光栅.致密地填充了周期为42μm、刻蚀深度为150μm的光栅结构,比较了其与微铸造法制作的铋块体吸收光栅的X射线吸收性能,并通过填充周期为24μm和6μm的光栅结构,研究了光栅周期与填充致密性之间的关系.扫描电镜测试结果显示自由沉降法可有效制作较大周期光栅,但对周期为6μm光栅结构填充的致密性不佳。分析结果表明,对于小周期吸收光栅,需筛选所用填充颗粒,以保证颗粒粒径远小于光栅槽宽.基于纳米颗粒的自由沉降法可降低光栅制作成本及技术门槛,方便实现大面积吸收光栅的制作.     

光栅刻划机直线度误差补偿的研究

中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅, 它以高的衍射级次和大的衍射角来工作, 具有高分辨率、全波闪耀等特性。已广泛应用于高端光谱仪器之中,极大地促进了航天航空、天文、医疗、军事、环境等尖端科技的发展。但是专业的刻划系统需要定制,价格昂贵。使用已成熟的超精密加工设备来加工中阶梯光栅,可以大大降低中阶梯光栅母版的制备成本。超精密单点金刚石车床制备中阶梯光栅时,系统直线度不好,存在较大的累积误差,导致中阶梯光栅衍射波前较差,达不到制备要求。为了减小超精密单点金刚石车床固有的直线度误差,对超精密单点金刚石车床进行了误差补偿。首先,以累积误差曲线为依据进行第一次补偿。实验结果表明,当补偿系数为0.75～0.85时,此时衍射波前的PV(峰谷值)值在约400 nm,一次直线度补偿效果到达极限。然后,以闪耀级的衍射波前曲线为依据进行第二次直线度补偿,二次补偿后的衍射波前PV值为约83 nm。补偿后的结果表明衍射波前得到大幅改善,有利于提高所制备光栅的质量,在光栅实际刻划中具有指导作用。     

导模共振滤波器用二氧化钛薄膜制备及研究

利用原子层沉积技术在具有二维结构的石英玻璃上制备出二氧化钛（TiO2）薄膜,并在不同的温度下进行退火处理。对样品的晶体结构、表面形貌、表面粗糙度以及光谱特性进行研究,结果表明：当热处理温度为200～400℃时,所制备的二氧化钛薄膜具有较好的锐钛矿结构,无其他杂相存在。随着热处理温度的增加,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,薄膜折射率变大,但表面粗糙度均小于0.4 nm。研究了由单层二维结构光栅和光波导层（二氧化钛薄膜）组成的导模共振滤波器,采用严格耦合波理论分析了该装置在不同条件下的光谱特性。结果表明,通过改变光波导层二氧化钛薄膜的折射率,可以控制该装置共振波长的位置,并保持窄线宽特性。该装置的波长控制范围为946.9～967.9 nm,半峰全宽小于0.8 nm。     

中阶梯光栅光谱仪信号光斑位置的质心提取算法

中阶梯光栅光谱仪二维谱图中,信号光斑位置的提取精度直接影响光谱分析精度,是中阶梯光栅光谱仪研制中的关键问题之一。为保证中阶梯光栅光谱仪的高分辨率特征(其分辨率一般为几千以上,本仪器光谱分辨率为15 000),信号光斑的位置提取误差应小于0.03mm(小于2个像素)。在分析中阶梯光栅光谱仪谱图特征的基础上,提出了一种基于质心法的信号光斑位置提取算法,即通过搜索信号光斑探测窗口进行光斑判读以及信号光斑质心计算,实现了信号光斑位置的精确读取。实验结果表明,采用该算法可以有效地去除噪声光斑的干扰,实现信号光斑位置的快速精确读取,位置提取误差小于2个像素,波长误差小于0.02nm,满足本仪器要求。     

飞秒激光湿法刻蚀微纳制造

飞秒激光微加工作为一种新型微纳制造技术,在复杂三维构型制作方面具有其独特的优势,但激光加工效率问题严重制约了飞秒激光微加工技术走向实际工程应用,提出一种飞秒激光湿法刻蚀微纳制造方法,以提高飞秒激光微加工的效率为突破口,通过调控激光与物质相互作用获得材料的目标靶向改性,进而结合化学湿法刻蚀实现硬质材料上的高效和高精度三维微加工,采用这一方法制作出的微透镜尺寸为80 m,球冠高6.7 m,表面粗糙度小于10 nm。利用这种方法,实现了不同结构与特性的高质量微透镜阵列的超精密制备,在石英内部也实现了螺旋微通道的复杂三维结构,螺旋通道直径为20 m,长径比超过100。