[发明专利]一种凸面双闪耀光栅的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件的制备方法，具体涉及一种凸面双闪耀光栅的制备方法。

背景技术

光栅是一种应用非常广泛而重要的高分辨率的色散光学元件，在现代光学仪器中占有相当重要的地位。

众所周知，单个栅缝衍射主极大方向实际上既是光线的几何光学传播方向，也是整个多缝光栅的零级方向，它集中着光能，而又不能把各种波长分开，而实际应用中则偏重于将尽可能多的光能集中在某一特定的级次上。为此需要将衍射光栅刻制成具有经过计算确定的槽形，使单个栅槽衍射的主极大方向(或光线几何光学传播方向)与整个光栅预定的衍射级次方向一致，这样可使大部分光能量集中在预定的衍射级次上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀(blaze)，这种光栅称为闪耀光栅。闪耀使得光栅的衍射效率得到极大的提高。闪耀光栅一般又分为平面闪耀光栅和凸面闪耀光栅。其中凸面闪耀光栅是将闪耀光栅制备于球冠状凸面基片或者圆柱状凸面基片之上，由于球冠状凸面闪耀光栅由于具有高效率优势，非常适宜于成像光谱仪应用，具有非常广阔的市场前景。

现有技术中，闪耀光栅的主要制备方法有以下几类：

A.机械刻划

机械刻划是用金刚石刻刀在金、铝等基底材料上刻划出光栅的方法，早期的闪耀光栅大多用该方法制备。然而，机械刻划光栅会产生鬼线，表面粗糙度及面形误差大，严重降低了衍射效率。

B.全息曝光显影

通过全息曝光显影在光刻胶上制备闪耀光栅的方法源于20世纪60-70年代。Sheriden发明了驻波法，通过调整基片与曝光干涉场之间的角度，在光刻胶内形成倾斜的潜像分布，显影后就能得到具有一定倾角的三角形光栅。Schmahl等人提出了Fourier合成法，把三角槽形分解为一系列正弦槽形的叠加，依次采用基波条纹、一次谐波条纹等进行多次曝光，经显影即可获得近似三角形的轮廓。然而，光刻胶闪耀光栅的槽形较差，闪耀角等参数无法精确控制，因此一直没有得到推广。

C.全息离子束刻蚀

离子束刻蚀是一种应用十分广泛的微细加工技术，它通过离子束对材料溅射作用达到去除材料和成形的目的，具有分辨率高、定向性好等优点。

全息离子束刻蚀闪耀光栅的一般制备工艺如附图1所示。首先在石英玻璃基底1表面涂布光刻胶2，经过全息曝光、显影、定影等处理后，基底上形成表面浮雕光刻胶光栅掩模3，再以此为光栅掩模，进行Ar离子束刻蚀。利用掩模对离子束的遮挡效果，使基底的不同位置先后被刻蚀，将光刻胶刻完后就能在基底材料上得到三角形槽形4。离子束刻蚀闪耀光栅具有槽形好，闪耀角控制较精确，粗糙度低等优点，在工程中得到了广泛应用。

D.电子束直写

这种方法本质上是一种二元光学方法，将光栅闪耀面用若干个台阶近似，电子束以台阶宽度为步长进行扫描曝光，根据每个台阶高度选择合适的曝光剂量，显影后即可得到阶梯槽形。显然，台阶划分的越细，就越接近于理想的锯齿形。

然而，由于电子束直写是逐步扫描的，若要制备面积比较大的光栅，要花费很长的时间和很高的成本，此外由于目前电子束一次直写区域的尺寸通常不过几毫米，大面积加工时存在相邻区域间的接缝误差(Stitching error)，其对衍射效率的影响还需要评估。因此该方法适合于为一些小型的原理性实验提供光栅。

在上述方法中，机械刻划法通过变换刻刀、电子束直写法通过控制曝光的剂量，可以相对容易地实现闪耀角控制。然而，正如前面所述，采用机械刻划法制备闪耀光栅时，会产生鬼线，表面粗糙度及面形误差大，而采用电子束直写法，制备时间长，成本高，不适用于大面积加工。而对于全息离子束刻蚀法，由于闪耀角是依赖光刻胶光栅掩模槽形，故在实现闪耀角控制时存在较大的困难。

而且在制备凸面闪耀光栅时，上述方法均还需要考虑凸面的影响。一般地，机械刻划法仍然通过变换刻刀、电子束直写法通过控制曝光的剂量，可以实现闪耀光栅结构。对于全息离子束刻蚀法，由于闪耀角是依赖光刻胶光栅掩模槽形的，故在凸面基片上实现闪耀光栅结构时困难更大。

因此，有必要寻求一种新的制备凸面闪耀光栅的方法，解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够精确控制双闪耀角的凸面双闪耀光栅的制备方法。该凸面双闪耀光栅的两个闪耀角分别是A闪耀角和B闪耀角，双闪耀光栅分为两个区，对应A闪耀角的为A光栅区，对应B闪耀角的为B光栅区。

该制备方法包括步骤：

1)在基片上第一次涂布光刻胶；