大面积10000线/毫米软X射线金属型透射光栅的设计、制作与检测

基于严格的矢量耦合波理论,优化设计了用于13.4nm软X射线干涉光刻的透射型双光栅掩模版. 采用电子束光刻技术,在国内首次成功制作了周期为100nm的大面积金属型透射光栅.光栅面积为1.5mm ×1.5mm,Cr浮雕厚度为50nm,Gap/period为0.6,衬底Si₃N₄厚度为100nm. 此光栅将用于上海光源软X射线干涉光刻实验站.利用其1级衍射光和2级衍射光将可以经济高效地制作周期为50和25nm的大面积周期结构.最后,测量了该光栅对波长为13.4nm 同步辐射光的衍射光强度,并且推算得出该光栅的1级和2级衍射效率分别为4.41%和0.49%,与理论设计值比较符合.实验结果与理论模拟结果的对比表明该光栅侧壁陡直,Gap/period的控制也与设计值符合. 关键词： 软X射线金属型透射光栅 严格耦合波方法 衍射效率 软X射线干涉光刻     

自支撑透射光栅的设计、制作和测试

采用标量衍射理论和严格耦合波理论分别计算和讨论了金自支撑透射光栅的衍射效率随波长和光栅周期变化的情况并设计了光栅的结构参数.制作了周期为300 nm、线宽/周期比为055、厚度为200 nm、总面积为1 mm×1 mm、有效面积比为65%的金自支撑透射光栅.在国家同步辐射实验室检测了该光栅在55—38 nm波长范围内的绝对衍射效率.检测结果表明所制作的光栅在8 nm附近具有接近10%的最大衍射效率,并且该光栅对于波长15—35 nm范围内的极紫外波段具有基本稳定的衍射效率. 关键词： 自支撑透射光栅 电子束光刻 电镀     

宽带镀金正弦光栅（英文）

为了满足强激光系统中大尺寸镀金光栅对糟深均匀性的要求,采用梯形光栅-涂胶-离子束溅射镀膜和全息光刻-离子束溅射镀膜两种方法,分别制作了线密度为1 740线/mm,槽深为210nm的宽带镀金正弦光栅.测得其TM波、-1级自准值平均衍射效率在750~850nm范围内大于87%,最高可达90%.这两种方法易控制光栅槽深,去掉光刻胶后基底可继续使用,且制作的光栅的衍射效率和带宽能满足国内一般宽带镀金脉冲压缩光栅的使用要求.     

宽带镀金正弦光栅

为了满足强激光系统中大尺寸镀金光栅对糟深均匀性的要求,采用梯形光栅-涂胶-离子束溅射镀膜和全息光刻-离子束溅射镀膜两种方法,分别制作了线密度为1 740线/mm,槽深为210 nm的宽带镀金正弦光栅.测得其TM波、-1级自准值平均衍射效率在750～850 nm范围内大于87％,最高可达90％.这两种方法易控制光栅槽深,去掉光刻胶后基底可继续使用,且制作的光栅的衍射效率和带宽能满足国内一般宽带镀金脉冲压缩光栅的使用要求.     

1000线/毫米软X射线自支撑闪耀透射光栅的设计与制作

基于标量衍射理论讨论了软X射线自支撑闪耀透射光栅的特性并设计了光栅的结构参数. 采用全息光刻和湿法腐蚀技术, 成功制作了周期1 μm、占空比0.1---0.2、高宽比约100、栅线厚度10 μm、 有效面积比为65%的自支撑闪耀透射光栅. 单元尺寸为15mm× 15mm的硅绝缘体上含有四个5 mm× 5 mm的自支撑闪耀透射光栅窗口. 在国家同步辐射实验室检测了该光栅在5---50 nm波长范围内的衍射效率. 波长扫描测量结果表明, 闪耀效应明显地发生在类似镜面的光栅侧壁镜面反射方向上, 闪耀级次位置及其特征与标量理论预测的一致. 衍射效率的实测结果基本与理论模拟符合, 只是因光栅结构上的缺陷致使衍射效率偏低, 峰值只有理论值的38---49%. 实验结果证明了闪耀透射光栅的概念和湿法制作工艺的可行性.     

梯形介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了梯形介质膜光栅的衍射机理模型,利用该模型讨论了底角为70°的梯形介质膜光栅-1级的衍射行为.通过对梯形介质膜光栅的占空比、槽深和剩余厚度的优化,设计了应用于1053 nm和51.2°角度入射的梯形介质膜光栅.对于顶层为HfO2的介质膜光栅,当槽深为200 nm,剩余厚度为100 nm,占空比为0.35时.其衍射效率优于99.5%,而对于顶层为SiO2的梯形光栅,为获得99.5%的衍射效率.其槽深为800 nm,剩余厚度为320 nm.而且,获得同样的衍射效率,顶层为HfO2的梯形光栅具有更宽的光谱特性.数值计算表明,严格耦合波理论模型对梯形介质膜光栅衍射效率的计算具有很好的收敛性和稳定性.     

3333lp/mm X射线透射光栅的研制

针对X射线透射光栅摄谱仪中的高线密度光栅,研究了采用电子束曝光和X射线曝光技术结合制作高线密度X射线透射光栅的工艺技术.首先利用电子束曝光和微电镀技术在镂空的薄膜上制备母光栅X射线掩模版,然后利用X射线曝光和微电镀技术小批量复制光栅.在国内首次完成了3333lp/mm X射线透射光栅的研制,栅线宽度为150nm,周期为300nm,金吸收体厚度为500nm.衍射效率标定的结果表明,该光栅的占空比合理、侧壁陡直,具有良好的色散特性,能够满足空间探测、同步辐射和变等离子诊断等多个领域的应用.     

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%。     

用傅里叶合成法获得具有锯齿槽形的闪耀全息光栅

本文描述了一种用简单的光路系统实现傅里叶合成而获得闪耀全息光栅的方法.用干涉计量法调整光路,提高了工艺精度.本实验制作的全息闪耀光栅具有较好的锯齿槽形,闪耀特性显著, 1级衍射效率超过了50%,比-1级效率提高约11倍.最后探讨了如何提高衍射效率,控制闪耀波长及增大刻划面积等问题.     

自支撑透射光栅的设计、制作和测试

采用标量衍射理论和严格耦合波理论分别计算和讨论了金自支撑透射光栅的衍射效率随波长和光栅周期变化的情况并设计了光栅的结构参数.制作了周期为300 nm、线宽/周期比为055、厚度为200 nm、总面积为1 mm×1 mm、有效面积比为65%的金自支撑透射光栅.在国家同步辐射实验室检测了该光栅在55—38 nm波长范围内的绝对衍射效率.检测结果表明所制作的光栅在8 nm附近具有接近10%的最大衍射效率,并且该光栅对于波长15—35 nm范围内的极紫外波段具有基本稳定的衍射效率.     

亚波长介质偏振分束光栅的衍射特性

 采用严格耦合波理论并结合矩阵LU分解法,分析了亚波长介质光栅的刻槽深度、占空比、入射角、入射波长等参数对TE偏振和TM偏振0级衍射效率的影响。结果表明:在1 550 nm波长处,出现瑞利反常现象。由此提出利用瑞利反常现象设计工作波长为1 550 nm的偏振分束光栅,通过优化设计确定了最佳设计参数,即光栅周期为l0/2,瑞利入射角为30°,刻槽深为0.9l0,占空比为0.5。结果表明,参数优化后的偏振分束光栅可以使TE偏振0级反射波和TM偏振0级透射波同时达到近100%的衍射效率。     

基于光谱合束技术的透射光栅模拟设计

半导体激光器光谱合束技术能够实现近衍射极限的高功率激光输出,已成为当前研究热点。衍射光栅的性能直接决定光谱合束的激光输出效果。模拟设计了一种针对940 nm波长、熔融石英材料的亚波长透射光栅。基于严格耦合波理论对光栅结构进行初步设计,运用Rsoft软件依次对光栅占空比、脊高和周期等参数进行优化确定,同时分析了各个参数对光栅衍射效率的影响。所设计的透射式光栅实现第-1级衍射级次的波分复用功能,衍射效率达到91.2%(TE模式),同时压缩其他衍射级次,使其衍射效率降到1.2%以下。同时在光栅入射角度59°±3°范围内保持90%以上的衍射效率,实现高功率激光输出的同时具有较高的误差容错率,易于调节,满足光谱合束技术的要求。     

大面积金纳米线光栅的制备

利用激光干涉光刻和金纳米颗粒胶体溶液制备了宽度在100 nm以下且总面积达到平方厘米量级的金纳米线光栅结构.制备过程中,首先在表面镀有厚度约为200 nm的铟锡氧化物薄膜的面积为1 cm×1 cm的玻璃基片表面旋涂光刻胶,然后利用紫外激光干涉光刻制备光刻胶纳米光栅结构.有效控制干涉光刻过程中的曝光量、显影时间,获得小占空比的光刻胶光栅.再以光刻胶纳米光栅作为模板,旋涂金纳米颗粒胶体溶液.充分利用金纳米颗粒胶体溶液在光刻胶表面浸润性差的特点,限制旋涂后留存在光刻胶光栅槽中金纳米颗粒的数量,从而达到限制金纳米线宽度的目的.最后在250℃将样品进行退火处理5 min.获得了周期为400 nm且占空比小于1:4的金纳米线光栅结构,其有效面积为1 cm².以波导共振模式与粒子等离子共振模式间耦合作用为特征的光谱学响应特性验证了波导耦合金属光子晶体的成功制备,为小传感体积新型生物传感器的开发提供了性能良好的金属光子晶体芯片.     

Broadband and high efficiency metal multi-layer dielectric grating based on non-quarter wave coatings as reflective mirror

This article deals with designing broadband and high efficiency metal multi-layer dielectric grating (MMDG) used to compress and stretch ultra-short laser pulse. The diffraction characteristics of MMDG are analysed with the method of rigorous coupled-wave method. The multi-layer dielectric used as reflective mirror is made up of non-quarter wave coatings. Taking the diffraction efficiency of the -1 order as the value of merit function, the parameters such as groove depth, residual thickness, duty cycle, and reflective mirror are optimized to obtain broadband and high diffraction efficiency. The optimized MMDG shows an ultra-broadband working spectrum with the average efficiency exceeding 97% over 160 nm wavelength centred at 1053 nm and TE polarization. The optimized MMDG should be useful for chirped pulse amplification.     

高密度相位光栅的偏振选择性

高密度光栅具有与传统光栅不同的性质,其衍射特性往往是偏振相关的。本文针对1550nm波长TE/TM偏振入射光和0.5的光栅占空比,利用严格耦合波分析数值计算了不同光栅周期下0级及-1级的衍射效率。研究表明,相比周期为1550nm的光栅,当周期为1200nm时,偏振相关衍射效应明显增强,当光栅周期为890nm时,TE偏振光的衍射效率随着光栅深度呈正余弦变化,而TM偏振光的衍射效率始终集中在0级,具有偏振选择性。通过模式方法,利用模式中的有效折射率概念,研究了不同周期下被入射光所激发的两种光波模式通过光栅区域传播所累积的相位差;基于双光束干涉,模拟了0级和-1级的衍射效率。结果表明,利用严格耦合波分析的数值计算结果符合模式方法的理论预期,对于高密度相位光栅的偏振选择性给予了合理的物理机制解释。     

单级衍射量子点阵光栅的聚焦离子束直写法制备及光学性能检测

采用聚焦离子束直写技术,成功制作了面积为200μm×200μm,线密度500 mm 1,圆孔直径800 nm,金吸收体厚度为500 nm的单级衍射量子点阵光栅.研究了该光栅在波长442 nm激光下不同传输距离的衍射特性以及相对衍射效率.实验结果表明,量子点阵光栅不存在高级衍射,只保留了±1级和0级衍射,具有良好的单级衍射特性.1级衍射与0级衍射间距随传输距离的增大而增大,实测值与理论计算值相符.     

Connecting-layer-based polarizing beam splitter grating with high efficiency for both TE and TM polarizations

We describe a novel polarizing beam splitter (PBS) of transmission connecting-layer-based grating, which can show high efficiency for TE polarization in the ?1st order and TM polarization in the 0th order. According to the modal method, grating duty cycle and period are prescribed to obtain high efficiency for TM polarization. Using the rigorous coupled-wave analysis, grating depth and thickness of the connecting layer are optimized to achieve high efficiency for TE polarization. The presented PBS has advantages of wideband properties for incident wavelength and angle. Most importantly, the efficiency is improved greatly for TE polarization compared with the reported PBS based on fused-silica grating.