全息离子束刻蚀衍射光栅

全息离子束刻蚀衍射光栅集中了机械刻划光栅的高效率和全息光栅的无鬼线、低杂散光、高信噪比的优点．全息离子束刻蚀已作为常规工艺手段应用于真空紫外及软x射线衍射光栅的制作．文章对全息离子束刻蚀衍射光栅的制作方法、主要类型、研究现状和应用进行了综述．     

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。     

离子束刻蚀软X射线透射光栅实验研究

利用全息-离子束刻蚀方法研制出了聚酰亚胺薄膜为衬底的金软X射线透射光栅.研究了光栅制作中曝光量、显影条件和离子束刻蚀工艺等因素对光栅参数的影响,并给出了在惯性约束激光核聚变实验研究中的应用结果,     

用三角形闪耀光栅实现分束器

用闪耀光栅实现了光栅分束器。给出了该分束器衍射光强分布的解析表达,讨论了影响分束性能的各种因素,并把复杂的优化设计问题转变为简单的求条件极值问题,使编程简单,计算速度快。数值模拟表明,当分别扇出2束和4束光时,衍射效率可分别达到92.50%和95.75%,扇出光束能量均匀,各级衍射效率的方差分别在10-5和10-6的数量级。与其它分束器进行了比较。     

提高离子束刻蚀亚微米光栅侧壁陡直度的方法

现代亚微米光栅的应用通常要求栅脊侧壁陡直。通过比较两种配备不同离子源的刻蚀机的反应离子束刻蚀结果,认为影响亚微米光栅侧壁陡直度的一个重要因素是离子束发散角(束散角),且小束散角有利于获得陡直的光栅侧壁。国内应用最广泛的双栅考夫曼刻蚀机束散角较大(大于13°),致使用常规方法获得的熔石英光栅的侧壁倾角仅为77°。针对此刻蚀机,尝试了三种提高侧壁陡直度的方法:旋转倾斜刻蚀法、交替倾斜刻蚀法和二次金属掩模法,分别把侧壁倾角提高到86°、86°和82°。最后从掩模侧壁收缩速率和槽底部与顶部离子通量的差异对束散角对侧壁陡直度的影响给予解释,并说明了上述三种方法的工作机理。     

闪耀光栅的二元近似结构

摘要利用闪耀光栅的特点可制作高效的波导耦合器。采用时域有限差分法(FDTD)方法，模拟计算了二元闪耀光栅的一阶衍射效率和衍射角随光栅不同结构参数而变化的相关特征，所得结果对实际二元闪耀光栅的制备有重要参考价值。     

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。     

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.     

亚波长闪耀光栅矢量衍射效率计算

将矢量衍射数值算法—严格耦合波分析用于精确计算亚波长闪耀光栅的衍射效率,并分析其衍射特性。建立了闪耀光栅的电磁介质模型,并将楔形不规则结构简化为多层矩形光栅结构,通过电磁场的介质分布建立严格耦合波方程。根据边界条件求解出各层的电磁场分布,再通过增透矩阵方法将各层电磁场依次迭代,求解出了整个结构的衍射效率。计算分析显示,对闪耀角为11.3°、周期为500 nm的金属铝闪耀光栅可以得到高于90%的衍射效率和相应的闪耀级次。实验表明这种矢量衍射数值算法具有较高的准确性,可以推广应用于高致密刻线复杂光栅的衍射计算分析。     

大口径多层介质膜光栅衍射效率测量及其在制作工艺中的应用

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件.为了满足国内强激光系统的迫切需求, 在大口径多层介质膜光栅的研制过程中,建立了单波长自准直条件下的衍射效率测量方法及其误差分析. 结果表明误差主要由探测器的噪声和测试人员的差异产生,对衍射效率测试精度的影响是±1%. 在此基础上,将光栅衍射效率及其分布测量技术应用于光栅制作工艺中, 作为大口径光栅无损检测的一种手段,如判断光栅掩模是否能进行离子束刻蚀、 离子束刻蚀的在线监测和是否需要再刻蚀,从而实现对大口径多层介质膜光栅离子束刻蚀过程的定量、 科学控制,提高了离子束刻蚀光栅制作工艺的成功率.利用上述技术,已成功研制出多块最大尺寸为 430 mm× 350 mm、线密度1740线/mm、平均衍射效率大于95%的多层介质膜光栅. 实验结果表明,该方法操作简单、测量快速准确,不必检测光栅微结构. 为大口径多层介质膜光栅研制的无损检测工程化奠定了基础.     

二元光学液晶闪耀光栅的特性分析

在二元光学理论的基础上,结合波动光学理论和液晶指向矢的计算提出一种新的二元光学液晶闪耀光栅设计.对液晶光栅电极施加阶梯分布的电压使之形成相位阶梯形分布,推导出液晶闪耀光栅的衍射效率.结果表明,通过改变周期单元光栅电极数日而改变光栅常数,可以改变光衍射角度,一级衍射角度调节范围0°～10°;调节电极电压可以使特定级次衍射光效率达到90%以上,使该级次得到闪耀.     

HfO2顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀

多层介质膜光栅是高功率激光系统的关键光学元件. 为了满足国内强激光系统的迫切需求,首先利用考夫曼型离子束刻蚀机开展了HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀实验研究. 采用纯Ar及Ar和CHF₃混合气体作为工作气体进行离子束刻蚀实验,获得了优化的离子源工作参数. 结果表明,与纯Ar离子束刻蚀相比,Ar和CHF₃混合气体离子束刻蚀时的HfO₂/光刻胶的选择比大. HfO₂的离子束刻蚀过程中再沉积效应明显,导致刻蚀光栅占宽比变大. 根据刻蚀速率分布制作的掩模遮挡板可以提高刻蚀速率均匀性,及时清洗离子源和更换灯丝,可保证刻蚀工艺的重复性. 利用上述技术已成功研制出多块最大尺寸为80 mm×150 mm、线密度1480线/mm、平均衍射效率大于95%的HfO₂顶层多层介质膜脉宽压缩光栅. 实验结果与理论设计一致,为大口径多层介质膜脉宽压缩光栅的离子束刻蚀提供了有益参考. 关键词： 光栅 多层介质膜 离子束刻蚀     

角分辨光电子能谱光束线1200line/mm光栅研制

国家同步辐射实验室新建了覆盖5～40 eV的低能区高分辨率角分辨光电子能谱光束线.其球面光栅单色仪包含了三块光栅,即300,600和1200 line/mm球面层式(Laminar)光栅.采用全息离子束刻蚀工艺,在硅光栅基片上成功地刻蚀出1200 line/mm、占空比0.35、槽深35 nm、有效刻划面积大于120 ...     

计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法

为使凹面光栅的衍射能量更多地集中在所需要的级次上,提出了利用机械刻划的方法在凹面基底上制作变刻槽角度的凹面闪耀光栅,并利用菲涅耳-基尔霍夫衍射公式推导了同时在主截面和非主截面内计算凹面闪耀光栅衍射效率的理论方法,弥补了以往只在主截面内考虑衍射效率的不足,最后利用Matlab仿真软件模拟了衍射效率随波长的变化曲线,并对比了在不同制作和使用参数下衍射效率峰值的变化规律,为今后凹面光栅的设计和制作提供了参考价值。     

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将“光程函数级数展开法”和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。     

利用硅上倾斜V形槽结构制作闪耀光栅

以偏离〈100〉面25.24°的硅〈113〉晶面为基底,采用氧化、光刻等平面工艺,在其上制成光栅常数为36μm的二氧化硅光栅图形作掩模,用常规的硅各向异性腐蚀,在硅上形成连续倾斜的V形槽结构,制成槽距为36μm波长6328(?)时衍射效率达69%的闪耀光栅,进一步缩小槽距,可望获得实用的闪耀光栅.     

纳秒激光刻蚀玻璃基质铬薄膜直写微光栅结构

利用波长为351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对蒸镀在石英玻璃衬底上的铬薄膜直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过实验,分析了激光能量和脉冲数与微光栅结构槽形和一级衍射效率之间的关系.利用光学显微镜和原子力显微镜检测分析光栅槽形,测得槽深为253 nm的最佳微光栅结构,并测得其在波长为532 nm的激光的一级衍射效率为6.5%.结果表明：在激光能量为1 150 μJ时,适当增加曝光脉冲数有利于提高制备光栅的槽深和一级衍射效率.     

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。     

凹折射微透镜阵列的离子束刻蚀制作

利用光刻热熔成形工艺及离子束刻蚀制作 12 8× 12 8元凹微透镜阵列。所制硅及石英凹微透镜的典型基本图形分别为凹球冠形、凹柱形和矩顶凹面形。分析了在光致抗蚀剂柱凹微透镜图形制作过程中的膜系匹配特性 ,与制作该种微透镜有关的光掩模版的主要结构参数 ,以及光致抗蚀剂掩模工艺参数的控制依据等。探讨了在凹微透镜器件制作基础上利用成膜工艺开展平面折射微透镜器件制作的问题。采用扫描电子显微镜 (SEM)和表面轮廓仪测试了所制石英凹微透镜阵列的表面微结构形貌。给出了所制石英凹微透镜阵列远场光学特性的测试结果。     

亚微米尺寸元件的离子束刻蚀制作

采用软光刻技术中的微接触印刷(μCP)技术、表面诱导的水蒸气冷凝、表面诱导的去湿行为,在金基底上制作出了亚微米的环状周期结构聚合物掩膜.通过对离子束刻蚀过程中各个参量对刻蚀元件的表面光洁度、轮廓保真度和线宽分辨的影响分析,结合掩膜的实际情况选择出了合适的离子束入射角、离子能量、束流密度和刻蚀时间等参量.依照这些参量刻蚀出了高质量的亚微米尺寸环状周期结构元件.通过对刻蚀出的元件的检测发现,刻出的元件表面光洁度、轮廓保真度和侧壁陡峭度都非常好.