CN100470266C - 一种双频率高温光栅的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种双频率高温光栅的制作方法，属于光测力学技术领域。本发明的技术特点是在聚焦离子束显微镜这一成熟商品仪器环境下完成双频率高温光栅的制作，该方法操作简单、灵活、容易实现。通过调整聚焦离子束显微镜系统的放大倍数、束流强度、刻蚀深度、线间距等参数并利用系统自身的精密定位系统，在试件表面，或者在金属镀膜上制作出可变密度、可变深度的单向光栅、正交光栅及双频光栅，适用于各种温度环境下，各种基体材料微观变形行为的研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种光栅的制作方法，属于光测力学技术领域。
背景技术
转移或直接刻蚀在被测物体表面的光栅作为物体表面变形信息的载体，在光测力学领域中是几何云纹法、云纹干涉法和电镜云纹法中进行物体表面变形测量的基本元件。
目前较为成熟的光栅的制作方法主要有机械刻划法、全息光刻法。
机械刻划是制作光栅最传统的方法，该方法利用刻纹机在光栅材料表面刻划出一条一条的沟槽，这种方法对刻纹机的机械精度提出了很高的要求。而且机械刻划法不仅费时、制作成本高，而且所得到的光栅频率比较低，质量也不尽如人意。
全息光刻法是继机械刻划法后发展起来的一种光栅制作方法，它的出现是光栅制作技术领域中的一个里程碑，将光栅制作技术向前推进了一大步。全息光刻法的不足之处是所需光学元件较多，光路复杂，尤其是高温光栅的制作难度更大。
发明内容
本发明的目的是提供一种双频率高温光栅的制作方法，即在聚焦离子束显微镜这一成熟商品仪器环境下完成制作双频高温光栅的制作，该制作方法操作简单、灵活，所制作的光栅可适用于各种温度环境下、不同材料微观变形行为的研究。
本发明的技术方案如下：
一种高密度双频高温光栅的制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将试件切割成所需要的形状，经清洗、抛光后，将试件平放在聚焦离子束显微镜的载物台上，使镀有金属薄膜的表面朝上，在聚焦离子束显微镜的操作环境下利用高能离子束对金属镀膜表面进行单一方向低频光栅的刻蚀；光栅的频率由扫描线间距确定，扫描线间距最低可调至50nm，光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，束流强度范围为1～20000pA；
2)单一方向的低频光栅刻蚀结束之后，将扫描方向旋转90°，对金属镀膜表面的另一方向重复步骤1)进行刻蚀，进而得到正交的低频光栅；
3)低频光栅刻蚀结束之后，利用定位系统将显微镜镜头聚焦到预刻蚀高频光栅的位置，首先刻蚀单一方向的高频光栅。高频光栅的频率由扫描线间距确定，高频光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，扫描线间距最低可调至50nm，光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，束流强度范围为1-20000pA；
4)单一方向的高频光栅刻蚀结束之后，将扫描方向旋转90°，对金属镀膜表面的另一方向重复步骤3)进行刻蚀，进而得到正交的高频光栅。
本发明的优选技术方案为：在步骤1)中所述试件需要制栅的表面上镀上一层亚微米金属薄膜，膜的材料根据光栅工作状态下的环境温度决定，且与试件基体材料热膨胀系数尽可能一致，其膜厚为0.1～0.5μm。
本发明所述的高密度光栅为正交光栅及双频光栅，本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：光栅的制作过程在聚焦离子束显微镜这一成熟商品仪器中完成；制作双频光栅的工艺相对简单，灵活；光栅间距可变，深度可变，在光测力学领域有着重要的用途。栅线还可刻蚀在金属膜表面，与金属膜的耐高温性能相同。
附图说明
图1为本发明的操作流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1为本发明的操作流程图。将试件切割成所需要的形状，清洗、抛光后(或在试件需要制栅的表面先镀上一层厚度为0.1～0.5μm的金属膜)，在聚焦离子束显微镜的操作环境下利用高能离子束对金属镀膜表面进行单一方向低频光栅的刻蚀；光栅的频率由扫描线间距确定，扫描线间距最低可调至50nm，光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，束流强度范围为1～20000pA；单一方向的低频光栅刻蚀结束之后，将扫描方向旋转90°，对金属镀膜表面的另一方向按前述低频栅参数重复进行刻蚀，进而得到正交的低频光栅；低频光栅刻蚀结束之后，利用定位系统将显微镜镜头聚焦到预刻蚀高频光栅的位置，首先刻蚀单一方向的高频光栅，高频光栅的频率由扫描线间距确定，高频光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，扫描线间距最低可调至50nm，光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，束流强度范围控制在1～20000pA；单一方向的高频光栅刻蚀结束之后，将扫描方向旋转90°，对金属镀膜表面的另一方向按前述高频栅参数重复进行刻蚀，进而得到正交的高频光栅。
实施例1：
试件材料为TiNi形状记忆合金，用电切割加工成型，再进行手工抛光，在试件表面上镀上一层金膜，厚度为0.5μm。
将该试件放置在型号为DB235的聚焦离子束显微镜的载物台上，使镀有金膜的一面朝上，选用加速电压U＝30kv，束流强度I＝400pA，刻蚀深度Z＝0.4μm，放大倍数12000倍，选择正交平行线图形，设定线间距0.4μm，聚焦清晰后刻蚀，得到2500l/mm的正交光栅。然后利用定位系统移动到预刻蚀高频光栅的位置(低频光栅上的某一个区域)，设置5000l/mm正交光栅的刻蚀参数，加速电压U＝30kv，束流强度I＝30pA，刻蚀深度Z＝0.4μm，放大倍数20000倍，选择正交平行线图形，线间距0.2μm，聚焦清晰后刻蚀，得到5000l/mm和2500l/mm的正交光栅组合成的双频光栅。对于NiTi形状记忆合金试件，基底材料和镀层材料的熔点均在1000℃度以上，因此光栅也可以工作到接近此温度，设工作温度为960℃，由于镀层很薄，根据
其中ft和f20℃分别为光栅在t′和20℃时的频率。该NiTi合金材料20℃时的热膨胀系数：α＝1×10-5/℃，因此，室温(20℃)下刻制的频率为5000l/mm和2500l/mm的正交光栅，当温度升高到1000℃时，其光栅频率分别变为：4953l/mm和2477l/mm。
Claims (2)
1.一种双频光栅的制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将试件切割成所需要的形状，经清洗、抛光后，将试件平放在聚焦离子束显微镜的载物台上，使镀有金属薄膜的表面朝上，在聚焦离子束显微镜的操作环境下利用高能离子束对金属镀膜表面进行单一方向低频光栅的刻蚀；光栅的频率由扫描线间距确定，扫描线间距0.4μm，光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，束流强度为400pA；
2)单一方向的低频光栅刻蚀结束之后，将扫描方向旋转90°，对金属镀膜表面的另一方向重复步骤1)进行刻蚀，进而得到正交的低频光栅；
3)低频光栅刻蚀结束之后，利用定位系统将显微镜镜头聚焦到预刻蚀高频光栅的位置，首先刻蚀单一方向的高频光栅，高频光栅的频率由扫描线间距确定，高频光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，扫描线间距最低可调0.2μm，光栅的刻蚀深度由束流强度和刻蚀时间确定，束流强度为30pA；
4)单一方向的高频光栅刻蚀结束之后，将扫描方向旋转90°，对金属镀膜表面的另一方向重复步骤3)进行刻蚀，进而得到正交的高频光栅。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤1)中所述试件需要制栅的表面上镀上一层亚微米金属薄膜，膜的材料根据光栅工作状态下的环境温度决定，且与试件基体材料热膨胀系数尽可能一致，其膜厚为0.1～0.5μm。
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