离子束刻蚀计量光栅的衍射现象

介绍了计量光栅经离 子束刻蚀后的衍射现象，实测了刻蚀表面的形貌特征，还对这种衍射现象进行了讨论。     

Ion beam etching of large aperture diffractive optical elements

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展.针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450 mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1％.建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率.利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件.     

大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀

总结了大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的研究进展。针对自行研制的KZ-400离子束刻蚀装置,提出了组合石墨束阑结构和多位置分步刻蚀策略来提高离子束刻蚀深度的均匀性,目前在450mm尺寸内的刻蚀深度均匀性最高可达±1%。建立了针对多层介质膜光栅的衍射强度一维空间分布在线检测系统以及用于透射衍射光学元件离子束刻蚀深度的等厚干涉在线检测系统,实现了对大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀终点的定量、科学控制,提高了元件离子束刻蚀工艺的成功率。利用上述技术,成功研制出一系列尺寸的多层介质膜光栅、光束采样光栅、色分离光栅以及同步辐射光栅等多种衍射光学元件。     

基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺,提出了用“解析分区法”设计闪耀凹面光栅的衍射效率.该方法能通过确定离子束入射角,在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果.经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角,利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数;以计算结果为依据,利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2,曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅,其中心闪耀角约为9.21°,峰值衍射效率为54.8％@300 nm,250 nm处衍射效率为50％,与“解析分区法”计算结果符合较好.实验结果表明,利用“解析分区法”进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行,能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺,完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作.     

全息离子束摆动刻蚀凸面闪耀光栅制备技术

高衍射效率的凸面闪耀光栅是高光谱分辨率成像光谱仪的核心分光元件,其制作方法包括机械刻划法、电子束直写法、X射线光刻法、全息离子束刻蚀法等,其中全息离子束刻蚀法因为具备良好的各向异性,不受尺寸与曲面形状限制,杂散光低,完全没有鬼线,制造时间短等优点成为现今光栅制造领域常用方法之一。传统全息离子束刻蚀凸面光栅时基底的弯曲会导致槽形闪耀角的不一致性,并且在制作小闪耀角凸面光栅时基底表面会有部分区域无法被刻蚀和槽形曲面不连续的现象,而摆动刻蚀凸面闪耀光栅可以克服上述缺点。对全息离子束刻蚀方法制作凸面闪耀光栅多方面进行了综述。     

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。     

窄光谱带宽X射线刻蚀多层膜光栅

结合X射线荧光分析和同步辐射单色器对窄光谱带宽多层膜的需求,开展了窄光谱带宽刻蚀多层膜光栅的理论和实验研究.用平均密度法从理论上阐明将多层膜刻蚀成不同刻蚀比的多层膜光栅后,光谱分辨率将得到提高.用磁控溅射方法制备了W/C多层膜,并用常规的光刻工艺对其进行刻蚀,得到了刻蚀后的多层膜光栅.掠入射X射线衍射测量表明,刻蚀后多层膜的衍射峰位置向小角方向移动,多层膜光栅没有改变剩余多层膜的结构,而且带宽减小,光谱分辨率得到提高,说明实验采用的工艺方法和工艺路线可以满足制作窄光谱带宽刻蚀多层膜光栅的要求,为今后进一步研究实用化元件打下了基础.     

紫外全息闪耀光栅的制作

通过理论计算研究了影响闪耀光栅衍射效率的因素,并利用离子束刻蚀模拟程序模拟刻蚀闪耀光栅来确定闪耀光栅的制作参数。以理论计算的闪耀光栅参数为依据,以刻蚀模拟程序为指导,基于全息-离子束刻蚀工艺制作了闪耀波长分别为250nm和330nm,光栅尺寸分别为85mm×85mm,60mm×60mm,线密度均为1200lp/mm的闪耀光栅。第一种光栅闪耀角为8.54°,非闪耀角为72°,其250nm波长自准直入射时的-1级衍射光衍射效率约为81%;第二种光栅闪耀角为11.68°,非闪耀角为74°,330nm波长自准直入射时的-1级衍射光衍射效率约为80%。实验结果表明,提出的方法可以在制作闪耀光栅的过程中实现对闪耀角的精确控制,获得的实验结果与理论计算结果符合较好。利用该方法能够在大尺寸基底上获得衍射效率75%的紫外闪耀光栅。     

用于太空望远镜的大口径薄膜菲涅尔衍射元件

为了满足空间衍射成像系统对大口径、轻量化衍射元件的需求,设计制作了直径为400mm的聚酰亚胺(PI)薄膜菲涅尔衍射元件。通过紫外光刻、离子束刻蚀等微细加工方法在石英基底上制作衍射图形,然后将衍射图形复制到PI薄膜上得到菲涅尔衍射型薄膜元件。结合有限元法探究了薄膜复制过程中热应力的变化规律及降低热应力的方法,分析了影响薄膜衍射效率的因素及薄膜制作误差、温度变化对薄膜成像的影响,最终实现了大面积薄膜与基底的分离,并通过局部氧气等离子体轰击提高了薄膜衍射效率的均匀性。经测试,薄膜菲涅尔衍射元件的厚度约为20μm,在波长633nm处的实际衍射效率平均值为33.14%,达到了理论效率的81.83%,衍射效率的均方根值RMS=0.01。实验结果表明,通过紫外光刻、离子束刻蚀和薄膜复制的方法可以得到大口径、高衍射效率的薄膜菲涅尔衍射元件。     

光纤激光诱导背面干法刻蚀制备二元衍射光学元件

为了降低激光直接辐照透明介电材料的表面加工粗糙度和激光能量密度刻蚀阈值,提高微光学元件的产出率,介绍了一种用固体介质作吸收层,激光直接作用在透明光学材料上进行微纳加工的激光诱导背面干法刻蚀工艺。首先,选用95氧化铝陶瓷作固体材料辅助吸收层,应用中心波长为1 064 nm的掺镱光纤激光器,在3.2 mm厚的熔融石英玻璃表面刻蚀了亚微米尺度的二维周期性光栅结构。然后,对刻蚀参数进行拟合并探讨了激光能量密度对刻蚀参数的影响。最后,观察该二元光学元件的衍射花样图形并讨论其衍射特性。实验制备了槽深为4.2 μm,槽底均方根粗糙度小于40 nm,光栅常数为25 μm的二维微透射光栅,其刻蚀阈值低于7.66 J/cm²。结果表明,应用该工艺制备二维透射光栅,降低了激光刻蚀透明材料的密度阈值及加工结构的表面粗糙度。     

微型可编程光栅实现光谱模拟的方法研究

当平行复色光沿微型可编程光栅基底平面的垂直方向正入射时,可以通过对可编程光栅编程状态的预先设定,使其衍射输出对应于不同目标物质的光谱。对微型可编程光栅用于光谱模拟的原理进行了分析,提出了一种利用基于梯度的最优化算法在衍射角固定时实现光谱模拟的方法。对该方法进行了实例仿真验证,结果表明了方法的可行性。     

Development of a simple system for the simultaneous measurement of pitch, yaw and roll angular errors of a linear stage

A simple measurement system has been developed and implemented for the simultaneous measurement of pitch, yaw and roll of the moving axes of a linear stage. This developed system is based on the principle of the diffractive theorem and optical triangulation. It is composed of a laser source, two quadrant detectors and a diffracting grating. The diffraction grating mounted on the moving axes of a stage reflects an incident laser beam into several diffractive rays and two quadrant detectors are set up for detecting the position of ±1st-order diffraction rays. When the diffraction grating moves, the locations where the diffractive beams are generated change and also the positions of the spots on two quadrant detectors. According to the relationship between the three angular motions of a moving stage and the output coordinates of two quadrant detectors, an inverse algorithm is used to solve these pitch, yaw and roll angular errors through a kinematic analysis .     

Planar optical waveguide temperature sensor based on etched bragg gratings considering nonlinear thermo-optic effect

This paper demonstrates the development of optical temperature sensor based on the etched silica-based planar waveguide Bragg grating. Topics include design and fabrication of the etched planar waveguide Bragg grating optical temperature sensor. The typical bandwidth and reflectivity of the surface etched grating has been ∼0.2 nm and ∼9 %, respectively, at a wavelength of ∼1552 nm. The temperature-induced wavelength change is found to be slightly non-linear over ∼200 °C temperature range. Typically, the temperature-induced fractional Bragg wavelength shift measured in this experiment is 0.0132 nm/°C with linear curve fit. Theoretical models with nonlinear temperature effect for the grating response based on waveguide and plate deformation theories agree with experiments to within acceptable tolerance.     

偏振对于光纤光栅传感器工作性能影响的研究

基于布拉格衍射理论的光纤光栅传感器应用于温度、浓度、应力等参量高精度测量,通常要求高精度的波长分辨率。当入射光波前有偏振态存在时,将会对光栅系统的波前测量结果产生误差。在保偏光纤中,偏振对于光栅的影响尤为严重。当光栅周期与光栅矢量排布方向发生改变时,它与带有偏振信息波前作用后的衍射波前也会发生变化,而且在不同的衍射级上影响会有所差异,在精密波前检测方法中往往忽略了这种差异,从而对于光学波前的高精度检测存在误差。本文基于有限时域差分算法,计算在不同偏振态光束入射以及不同光栅周期与光栅矢量排布时偏振对于检测精度的影响。最终得到在不同偏振态光束入射时,光栅采用不同期与矢量排布,对于衍射波前的误差反应。     

反射面平动式光栅光调制器的实现及机电特性分析

提出了一种新型的光栅光调制器(GLM),它由可动平板阵列和固定光栅构成,通过可动平板的垂直运动,达到调制光束的目的。为验证该结构实现的可能性,得到器件的机电特性,根据微梁的力学理论进行了电力学理论分析,通过Coventor仿真软件进行了有限元仿真。分析表明,该器件所需驱动电压为16V,无明显的迟滞现象,可动平板的有效衍射面积较大,易于实现面阵结构,提高了光学衍射效率。     

软X射线掠入射金属光栅闪耀特性的 校正傅里叶展开微分法分析

在有限电导率光栅的微分理论中引入校正傅里叶展开方法,改善了计算收敛性。运用改进后的微分理论对软X射线波段掠入射金属光栅的闪耀特性做了数值分析,通过详细考察三角槽形、正弦槽形和矩形镀金光栅的软X射线-1级衍射效率对光栅结构参数和入射光状态参数的响应程度,给出了一种在使用和制作工艺上都能够接受的光栅技术指标。结果表明,作为闪耀波长为10.33 nm的软X射线波段掠入射镀金光栅,采用81°入射的刻线密度为1 200 l/mm,倾斜角为2°,顶角大于120°的三角槽形光栅较为合适,其效率可达到50%以上。同时,得到了一些优化软X射线波段掠入射金属光栅设计的新结论。     

HfO2薄膜的离子束刻蚀特性研究

实验研究了HfO₂薄膜特性以及掩模材料AZ1350以Ar为工作气体下的离子束的刻蚀特性.给出了离子能量、离子束流密度和离子束入射角等因素与刻蚀速率的关系曲线,用最小二乘法拟合了上述因素与刻蚀斜率的函数关系方程;分析了光刻胶和基片在刻蚀过程中随刻蚀深度的变化对图形转移精度的影响,用AFM的Tapping模式测量了刻蚀前后HfO₂薄膜表面质量的变化.结果表明刻蚀速率与离子能量的平方根,及速流密度成正比,并随离子束入射角变化而变化;与刻蚀前相比,刻蚀工艺降低了因HfO₂薄膜刻蚀深度的增加引起图形转移精度下降,因此提高刻蚀选择比是获得高分辨率图形的前提.研究结果已应用到了在HfO₂/SiO₂多层膜衍射光栅的制作中.     

基于图像清晰度检测的光栅刻划平台调平装置

针对制备衍射光栅时刻划平台倾斜导致的光栅槽型误差,提出了一种基于图像清晰度检测与电动倾斜台调节的光栅刻划平台在线调平装置。建立了图像清晰度与光栅刻划平台倾角间关系的模型,应用该模型,控制光栅刻划平台在一定范围内实现了闭环动态调平。对上述理论研究进行了试验验证。试验结果表明,该调平装置简单可行;对于50mm×50mm的光栅毛胚,调平装置可控制刻划平台的水平倾角在4″以内,满足光栅刻划对平台定位精度的要求。该装置既可用于刻划前的调平准备,也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。     

Compact diffractive interferometric displacement sensor in reflection

A displacement measurement technology of diffractive interferometry has been developed in the objective of miniaturization. The interference principle has been implemented in the form of a miniature read head prototype according to a novel device configuration after a discussion on the fabrication and mouting tolerances has been made conducting to a high resolution micro-optical encoder. A read-out grating acting simultaneously as a subwavelength and a two order grating enables the miniaturization of a diffractive interferometric optical displacement sensor of the reflection type.     

全息波导耦出光栅出瞳亮度均匀性的改善

目前在AR领域，存在着全息波导显示系统的耦出光栅出瞳亮度不均匀的问题，设计并制作了一种衍射效率渐变的全息光栅以进一步提高显示光路中耦出光栅的出瞳亮度均匀性。提出移动遮挡板方案，以实现分区域地改变全息干版的曝光时间，使得到的全息光栅的衍射效率具有渐变特性，并对实验结果进行研究和分析。结果表明，系统中耦出光栅的出瞳亮度均匀性由28.57%提高到57.14%。因此采用的全息光学元件的拍摄光路和曝光方法，可以有效改善全息波导耦出光栅出瞳亮度均匀性。