用于强激光系统的光栅偏振器

针对强激光系统中常用的1 053nm激光器进行了偏振光栅结构的优化设计。利用严格耦合波理论分析了光栅偏振器的衍射特性及消光比,分析显示偏振光栅周期为600nm,占宽比为0.535~0.55,槽形深度为1 395nm~1 420nm时,可保证其在1 053nm波长下,透射率高于95%,消光比大于1 500。基于分析结果,利用全息光刻技术制作了高质量光刻胶光栅掩模,并采用倾斜转动的离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀的方法对该光刻胶光栅掩模进行图形转移,制作了底部占宽比为0.54,槽形深度为1 400nm的光栅偏振器。实验测量显示其透射率为92.9%,消光比达到160。与其他制作光栅偏振器方法相比,采用单光刻胶光栅掩模结合倾斜转动的离子束刻蚀工艺,不但简化了制作工艺,而且具有激光损伤阈值高、成本低的优点。由于该技术可制作大面积光栅,特别利于在强激光系统中应用。     

〈111〉晶向标定方法及其在湿法刻蚀硅光栅中的应用

在利用单晶硅的各向异性腐蚀制作光栅的过程中,掩模与硅晶向的精密对准是获取大尺寸光栅结构的前提条件,高对准精度将显著降低光栅槽型侧壁粗糙度。设计并制作了一种扇形图案,通过以该图案为掩模的预刻蚀,可快速准确发现硅基底内晶格取向。通过此方法进行晶向标定,并利用紫外光刻与湿法刻蚀,成功研制了尺寸为15mm×15mm、高度为48.3μm、周期为5μm、高宽比为20的矩形光栅结构,线条侧壁粗糙度RMS值为0.404nm;利用全息光刻与湿法刻蚀成功研制了大高宽比深槽矩形光栅及三角形槽光栅。矩形槽光栅尺寸为50mm×60mm,高度为4.8μm,周期为333nm,高宽比为100,侧壁粗糙度RMS值为0.267nm。三角形槽光栅周期为2.5μm,侧壁粗糙度RMS值为0.406nm。     

大高宽比光栅的摇床式辅助显影工艺

针对大高宽比微结构显影过程中由显影液的对流传质严重受限、光刻胶层厚、显影时间长带来的显影不均匀问题,提出了基于翘板式摇床辅助的显影方法。利用有限元法模拟了摇床工作时整个样品表面的流场分布以及显影液在不同高宽比微结构光栅表面的流场分布。模拟结果表明,通过摇床摆动可以实现显影液均匀流动。然后,提出了快速的显影参数确定方法,并通过实验给出了沟槽深宽比和显影速率之间的关系,提供了可参考的显影工艺参数,并验证了工艺参数的合理性。在显影时间为10~12 min,显影速率为0.21~0.23 m/s,沟槽深宽比为2.5,光刻胶厚度为200μm的光栅的显影均匀性优于96%。该方法可以实现大高宽比微结构的均匀显影,满足高质量大高宽比光栅的制作要求。     

真空紫外闪耀硅光栅的制作

摘 要：本文基于单晶硅在KOH溶液中的各向异性刻蚀的特性,在相对于Si（111）面偏向切割5度的单晶片上制作1200线/毫米的闪耀光栅。工艺上结合全息干涉以及光刻胶灰化技术,得到小占宽比、平滑且干净的光刻胶掩模,用湿法刻蚀将光栅图形转移到硅单晶表面的天然氧化层上,并将其作为硅各向异性刻蚀的掩模,成功获得接近于理想槽形的锯齿形闪耀光栅。经过原子力显微镜对闪耀面进行分析,表面均方根粗糙度约为0.2nm,这对光栅在短波光学上的应用显得尤为重要。经过真空紫外波段的效率测量,发现光栅在135nm波长处显示出良好的闪耀特性。此方法可以应用于极紫外和软X射线波段的光栅制作上,在获得较高的槽形效率的同时,可以大大减少其制作难度及成本。     

全息光栅制作中光栅掩模槽形形状随光刻胶特性曲线的演化规律

为分析光栅槽形形成的基本原理及槽形随光刻胶特性曲线的演化规律,建立了显影过程中光栅掩模槽形形成的演化模型。基于光刻胶溶解速率在不同曝光量区间的变化,将光刻胶特性曲线分成3个不同区域并分析各区域在光栅掩模槽形形成中的作用,讨论了在不同光刻胶特性曲线条件下光栅掩模槽形的演化规律。结果表明:当光刻胶非线性效应显著时,掩模槽形易形成矩形或梯形,此时槽深由原始胶厚决定;当光刻胶线性效应较显著时,槽形形成正弦形同时槽深有所减小。该模型正确反映了光栅槽形随光刻胶特性曲线变化的演化规律,为通过控制光刻胶特性曲线制作多种掩模槽形提供了理论依据及方法。     

真空紫外硅闪耀光栅的制作

利用单晶硅在KOH溶液中的各向异性刻蚀特性,在相对Si(111)面切偏角为5°的单晶片上制作了1200gr/mm的真空紫外闪耀光栅。结合全息干涉曝光以及光刻胶灰化技术,在单晶硅表面得到了小占宽比的高质量光刻胶掩模,用湿法刻蚀将光栅掩模图形转移到单晶硅表面的天然氧化层上,并将其作为硅各向异性湿法刻蚀的掩模,成功获得了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。用原子力显微镜分析光栅闪耀面,结果表明其表面均方根粗糙度约为0.2nm。在真空紫外波段对其进行衍射效率测量,发现光栅在135nm波长处显示出良好的闪耀特性。此方法可以应用于真空紫外和软X射线波段的光栅制作,在获得较高的槽形效率的同时,可以大大减少其制作难度及成本。     

基于精密刻划及薄膜沉积技术的光盘分束光栅研制

尝试了采用光栅刻划和镀膜技术相结合研制光盘分束光栅的方法。采用光栅刻划机在金属膜上刻制占宽比为1:1的黑白光栅,并由黑白光栅翻制出制作光盘分束光栅的掩模版。通过掩模版对涂覆在K9玻璃基底上的光刻胶实施曝光和显影形成光刻胶矩形浮雕光栅,在理论设计的误差允许范围内,对此浮雕光栅沉积SiO2薄膜、去除残余光刻胶后得到SiO2矩形光栅母版,再经复制工艺制作了环氧树脂光盘分束光栅。测试结果表明,利用光盘分束光栅的纵向和横向加工误差的互补性,可以使光栅辅助光束与读写主光束强度之比的误差控制在±0.03之内。     

宽波段全息-离子束刻蚀光栅的设计及工艺

设计和制作了一种在同一基底上具有多闪耀角的宽波段全息-离子束刻蚀光栅。提出了组合形成宽波段全息-离子束刻蚀光栅的分区设计方法,优化了3种闪耀角混合的宽波段全息光栅设计参数,并利用反应离子束刻蚀装置对该光刻胶掩模进行刻蚀图形转移,采用分段、分步离子束刻蚀技术开展了获得不同闪耀角的离子束刻蚀实验。最后在同一光栅基底上分区制作了位相相同,并具有9,18,29°3个不同闪耀角,口径为60mm×60mm,使用波段为200~900nm的宽波段全息光栅。衍射效率测试结果显示其在使用波段的最低衍射效率超过30%,最高衍射效率超过50%,实验结果与理论计算结果基本符合。与其它方式制作的宽波段光栅相比,采用宽波段全息-离子束刻蚀光栅不但工艺成熟,易于控制光栅槽形,而且光栅有效面积尺寸较大,便于批量复制。     

在金属基底上制作高深宽比金属微光栅的方法

根据光学领域对高深宽比金属微器件的需求,利用UV-LIGA工艺在金属基底上制作了具有高深宽比的金属微光栅。采用分层曝光、一次显影的方法制作了微电铸用SU-8胶厚胶胶模,解决了高深宽比厚胶胶模制作困难的问题。由于电铸时间长易导致铸层缺陷,故采取分次电铸等措施得到了电铸光栅结构;同时通过线宽补偿的方法解决了溶胀引起的线宽变小问题。在去胶工序中,采用"超声-浸泡-超声"循环往复的方法。最终,制作了周期为130μm、凸台长宽高为900μm×65μm×243μm的金属微光栅,其深宽比达到5,尺寸相对误差小于1%,表面粗糙度小于6.17nm。本文提出的工艺方法克服了现有方法制作金属微光栅时高度有限、基底易碎等局限性,为在金属基底上制作高深宽比金属微光栅提供了一种可行的工艺参考方案。     

用于分布反馈光栅的纳米压印模板制作

高质量、低成本的压印模板的获得是采用纳米压印技术制作分布反馈光栅的难点,本文采用双层金属掩模及liftoff金属剥离方法制作了适用于紫外压印技术的石英基压印模板.首先,采用电子柬光刻技术在镀钛的石英基片表面直写出DFB光栅的光刻胶图形,接着,在其表面溅射一层金属镍并进行金属剥离得到与光刻胶相对的图形,最后采用电感耦合等...     

用于1 m Seya-Namioka单色仪的 1 200 lp/mm Laminar光栅

针对国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站中1 m Seya-Namioka 单色仪对光栅的需求,采用全息离子束刻蚀工艺制作了1 200 lp/mm Laminar光栅。首先,通过光刻胶灰化技术调节光刻胶光栅掩模占空比,在理论设计的误差允许范围内,对此光栅掩模进行扫描离子束刻蚀;然后,将光栅图形转移到光栅基底中去除残余光刻胶;最后,采用离子束溅射法镀制厚约40 nm的金反射膜,采用热蒸发法镀制厚约60 nm的铝反射膜。用原子力显微镜分析光栅微结构,结果显示光栅槽深为40 nm,占空比为0.45。同步辐射在线波长扫描测试结果表明,镀铝光栅效率明显高于镀金光栅,获得的实验结果与理论计算结果基本符合。镀金光栅已替代进口光栅在线使用3 年,其寿命大大超过复制光栅,基本满足了燃烧实验站的实验研究需求。     

大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作

利用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1 mm × 1 mm,周期为300 nm,金吸收体厚度为1 μm的用于X射线显微成像技术的透射光栅。首先利用电子束光刻和微电镀技术在Si3N4薄膜上制作周期为300 nm,厚度为250 nm的高线密度光栅掩模。然后利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1 μm,占空比接近1：1,高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点     

基于严格耦合波理论的亚波长光栅优化设计

亚波长衍射光栅的衍射效率不但与入射光的特性有关,而且与光栅结构和折射率等参数有关。采用严格耦合波理论对亚波长光栅的衍射效率公式进行了推导,对不同光栅结构参数(周期、槽深,占空比)和光栅脊、槽的折射率的亚波长衍射光栅的衍射效率进行了数值计算并用MatLab软件进行仿真模拟,光栅槽深与周期的比值为0.425,占空比为0.507,并且光栅脊、光栅槽的折射率为2.37时,得到具有最佳滤波和衍射效果的亚波长光栅的优化结构。     

自由电子激光器用极紫外波段平面变栅距光栅

针对极紫外波段自由电子激光器(大连相干光源,DCLS)对高分辨能力平面变栅距光栅的需求,基于光程差以及像差原理构建了极紫外平面变栅距全息光栅。采用改进的局部优化算法给出了平面变栅距光栅的记录参数,利用全息曝光技术在硅光栅基底上制作了中心刻线密度为600gr/mm、占宽比为0.46、槽深为550nm、有效刻划面积为30mm×30mm的极紫外平面变栅距全息光栅。采用Littrow衍射法测量了平面变栅距光栅的刻线密度,并基于像差理论分析了平面变栅距光栅的理论分辨能力。结果表明:制作的600gr/mm平面变栅距光栅在有效面积内的刻线密度误差小于0.175gr/mm,在极紫外波段(50~150nm)的分辨能力大于12 000,满足自由电子激光器的设计要求。提出的设计及制作方法为制作高质量平面变栅距光栅提供了理论及技术保障。