CN100587524C - “之”字形衍射光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种“之”字形衍射光栅，其特征为：所述的衍射光栅其组成线条或者沟槽呈“之”字形，线条或者沟槽的积分长度沿与线条或者沟槽垂直的方向呈正弦或者余弦变化，线空比为1∶1。与现有光栅相比，本发明光栅的衍射模式在其对称轴上不存在高级衍射。以这种“之”字形结构衍射光栅替代现有的衍射光栅应用于光谱测量或者光束单色化，可以摆脱高级衍射带来的干扰或污染，提高光谱测量的精度或者单色光束的纯度。
Description
技术领域
本发明属于衍射光栅领域，具体涉及一种其线条或者沟槽具有“之”字形状特征的“之”字形衍射光栅。
背景技术
依照Christopher Palmer，和Erwin Loewn的表述，衍射光栅是一系列彼此距离与待研究的光波长相当的反射(或透射)光学元件的集合。可以被看作是一系列衍射元件的集合，例如：不透明屏上一系列的狭缝或小孔或者分布于某基板上的一系列反射沟槽的集合。衍射光栅可以以一种空间周期分布的方式改变入射到其表面的波的振幅或位相，或者同时改变其振幅和位相，从而根据波长将光衍射到不同的方向。因此衍射光栅可以用作波的波长分离元件或者波长选择元件，用于制作谱仪或者单色器。有关衍射光栅概念、历史及发展状况的表述参见《Principle of Optics，Third Edition》，Max Born和Emil Wolf著，Pergamon出版社，(1965)；《Diffraction grating Handbook，6th Edition》，Christopher Palmer，Erwin Loewn(1st Edition)著，Newport Corporation发行；《Vacuum Ultraviolet Spectroscopy I》，J.A.R.Samson，D.L.Ederer编著，第17章。“很难找出能够比衍射光栅更能够在科学研究的每一个领域提供更多重要实验信息的其它的单个元件。物理学家、天文学家、化学家、生物学家、金属学家无不把它作为具有卓越准确性和精度的例行工具，用做原子种类探测器去判定天体特征和行星大气层的成分，去研究原子分子结构，去获得一千零一条现代科学不可或缺的信息”。J.Strong，J.Opt.Soc.Am.50，1148-1152(1960)。
现有的衍射光栅可以分为透射光栅和反射光栅两大类。反射光栅包括平面光栅和凹面光栅。光栅的制作可以用机械刻划或者激光干涉和离子束刻蚀的办法实现。反射光栅中还包括等间距光栅和具有所谓平焦场特征的变间距光栅。依据光栅沟槽结构的不同，反射光栅还可分成Siebahn光栅、Laminar光栅和闪耀光栅。
存在于自然界中的或者人工合成的各种晶体可以被看作一种三维的光栅，可以应用于X光的衍射。人工合成的由低Z元素层和高Z元素层交替分布构成的多层膜通常被称作一维晶体，可以用作可见光、紫外光、软X光、硬X光或粒子束的衍射，其本质也是一种光栅。
为了提高反射光栅对某一波长区域光的衍射效率，人们还在各种反射光栅上镀上多层膜，从而形成所谓多层膜衍射光栅。
所有以上提到的光栅，包括晶体和多层膜，根据光栅方程和Bragg方程，均表现为多级衍射器[《Soft x-ray and extreme ultraviolet radiation，principles and applications》D.Attwood，Cambridge university press，(1999)；《Principle of Optics，ThirdEdition》，M.Born and E.Wolf，Pergamon，London，(1965)]。在谱学研究应用中，只有这些衍射的其中的一级是有用且重要的，衍射的其他各级，将带来污染和干扰，从而带来误差。当这些元件用于光谱仪分光时，高级衍射将叠加在测量获得的谱数据上，对其形成扭曲使之偏离对象真正的发射谱；当这种元件用作X光单色器时，波长较短的高次谐波的高级衍射将叠加混入期望的单能光束，对其形成污染。
2002年，中国工程物理研究院曹磊峰在《中国博硕士论文数据库》提交的名称为《非相干全息成像技术和透射光栅谱学》的博士论文，提出了谱学光子筛的概念，通过在不透明板上排布大量针孔，使其沿一维方向呈正弦分布，沿另一维呈随机分布，可以制成透射型谱学光子筛。这种新的器件的高级衍射可以被抑制到小于一级衍射4个多数量级的水平。
2004年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心提交了名称为《量子点阵衍射光栅》的发明专利申请(专利申请号：200410081499.X)，该发明专利申请通过在光栅基底表面准随机排布大量量子点，可以制成达到谱学光子筛衍射效果的衍射光学元件。
谱学光子筛和量子点阵衍射光栅的缺点在于：由于结构上的离散和不连续性，谱学光子筛或者量子点阵光栅一方面不能制成自支撑透射元件，局限了这种元件在真空紫外到软X光波段的应用；另一方面，当制作反射光栅时，很难将其制成能够大幅度提高衍射效率的闪耀光栅。
制作短波长波段(真空紫外到X光波段)谱学光子筛和量子点阵光栅时，构成元件的量子点需要足够小到几十纳米的尺寸的水平。这一事实一方面对目前的电子束制备掩模技术在精度方面提出了较高的要求，另一方面，实践表明，由于量子点在基底上分布的随机性和离散性，大大降低了电子束写入设备的工作效率。因此，短波长波段的量子点阵衍射光栅掩模面积不可能做得很大。
除此之外，量子点阵光栅或谱学光子筛也基本上不太可能利用机械刻划的办法制作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种“之”字形衍射光栅，其衍射模式在对称轴上的高级衍射可以抑制到比量子点阵衍射光栅更低的水平，同时易于制作，可以方便实现于目前公知公用衍射光栅的各种类型，并应用于各个可能波段。在未来光谱学测量或者光束单色化的应用中可以获得避免高级衍射污染的干净、精确的光谱或纯净的单色光束。
本发明的一种“之”字形衍射光栅，其特点是衍射光栅其组成线条或者沟槽呈“之”字形，线条或者沟槽的积分长度沿与线条或者沟槽垂直的方向呈正弦或者余弦变化，线空比为1∶1。光栅线条或者沟槽的宽度可以为亚微米量级，也可以为微米量级以上。
本发明的衍射光栅为透射光栅。
本发明的衍射光栅为反射光栅。
本发明的衍射光栅的基底表面为平面或曲面。
本发明的衍射光栅的槽形为矩形、三角形或其它形状。
本发明的衍射光栅的线条或沟槽的宽度可以依照传统平焦场光栅的要求变化，制成平焦场光栅。
本发明的衍射光栅经转印制成反光栅，经复制制成复制光栅。
本发明的衍射光栅的线条或者沟槽上镀有单层膜或多层膜制成单层膜反射光栅或多层膜反射光栅。
本发明的“之”字形衍射光栅，其结构特征为：其基本衍射单元仍为彼此平行的线条(针对透射光栅)或者沟槽(针对反射光栅)，从而结构上是连续的。本发明的光栅制备方法同现有的各类光栅的制作方法基本相同；这些线条或沟槽具有“之”字形结构，并且“之”字形结构的细节可以由正弦曲线或余弦曲线描述。
理论研究、计算模拟和演示实验结果表明，这种衍射光栅在光栅表面上，沿与线条(或沟槽)垂直方向的对称轴其透过率或反射率呈正弦规律变化。因此，在光栅衍射模式的相应对称轴上，高级衍射可以得到有效抑制。
与量子点阵光栅或谱学光子筛相比，本发明的衍射光栅的制作方法可以采用现有的各类衍射光栅相同的制作方式，且本发明的衍射光栅的衍射模式在特定对称轴上其高级衍射可以抑制到比量子点阵光栅或谱学光子筛更低的水平。
附图说明
图1为本发明的衍射光栅实施例1的制备过程步骤二的图形
图2为本发明的衍射光栅实施例1的制备过程步骤三的图形
图3为本发明的衍射光栅实施例1的制备过程步骤四的图形
图4为本发明的衍射光栅实施例1的制备过程步骤五的图形
图5为本发明的衍射光栅实施例1的制备过程步骤六的图形
图6为三种光栅衍射模式图
图7为本发明的衍射光栅实施例1的光栅结构图形
图8为实验获得的实施例1的远场衍射模式
图9为本发明的衍射光栅实施例2的自支撑透射衍射光栅的横截面示意图
图10为本发明的衍射光栅实施例2的有底衬透射衍射光栅的横截面示意图
图11是反射衍射光栅Siegbahn光栅的横截面示意图
图12是反射衍射光栅Laminar光栅的横截面示意图
图13是反射衍射光栅闪耀光栅的横截面示意图
具体实施方式
下面结合图1～图4分步说明“之”字形结构衍射光栅的图形的制备过程。
实施例1光学波段的演示性“之”字形衍射光栅
步骤一、基于公式C(x)＝(1/2±1/2cos(πx/d))d构造图1所示图形的两条余弦曲线，记下描述曲线的各点的坐标。其中C(x)为光栅的透过率函数，x为光栅表面的与光栅垂直的方向的坐标，d为光栅的周期常数。
步骤二、利用AotuCAD等软件画出图1中两条余弦曲线，再填充产生图1所示图形。
步骤三、将步骤二产生的图形沿两条余弦曲线的顶点的连线一分为二，然后沿该连线的方向平移，平移的距离等于余弦曲线的峰值高度形成图2所示的图形。
步骤四、复制图2所示的图形，周期粘贴拼接形成图3所示的图形，即“之”字形线条。
步骤五、复制图3所示的“之”字形线条依次粘贴并平行排列形成图4所示的“之”字形结构透射光栅。
步骤六、反复复制并拼接图4所示图形至实际需要的光栅大小，将背景涂黑构成图5所示图形，在白纸上打印图7所示图形，用光学相机将图形缩拍至可对可见光有明显可分辨衍射的尺寸，并冲洗底片，即制成实施例1的光学波段的演示性之字形透射衍射光栅。
步骤七、计算模拟了“之”字形透射衍射光栅(zigzag TG)衍射模式特定对称轴上衍射光强的分布以及和传统黑白透射衍射光栅(black-white TG)、量子点阵衍射光栅(quantumdots)衍射光强分布的比较；得到如图6所示的衍射模式对比图。
步骤八、利用扩束后聚焦的He-Ne激光垂直照射实施例1所示的透射衍射光栅，经滤片合适衰减后，用数码相机可以得到图8所示的衍射模式。衍射模式在制定对称轴上的高级衍射被抑制到了小于一级衍射4个多数量级的水平。
实施例2应用于红外线、可见光、紫外光或者X光的衍射光栅
步骤一，同实施例1步骤一。
步骤二，利用电子束刻蚀设备控制软件LEDIT画出图1中两条余弦曲线，填充产生图1所示图形。
步骤三，将步骤二产生的图形沿两条余弦曲线的顶点的连线一分为二，然后沿该连线的方向平移，平移的距离等于余弦曲线的峰值高度形成图2所示的图形。
步骤四，复制图2所示的图形，周期粘贴拼接形成图3所示的图形，即“之”字形线条。
步骤五，复制图3所示的“之”字形线条依次粘贴并平行排列形成图4所示的“之”字形结构透射光栅。
步骤六，反复复制并拼接图4所示图形至实际需要的光栅大小，利用电子束刻蚀设备将该图形写在敷有Ta材料薄层的薄的SiC基片上制成X光光刻掩模，进一步利用X光光刻对制成的图形进行翻刻复制，最终通过电镀技术制成如图9所示的自支撑光栅，也可以制作成如图10所示的有底衬的、高Z材料线条的“之”字形结构透射式衍射光栅。衍射光栅的槽形为矩形、三角形或其它形状。光栅的厚度一般根据需要取作百纳米量级或者微米量级，光栅的周期尺度根据需要可以选择为几百纳米到几个微米。
实施例2所述的透射衍射光栅可以应用于红外线、可见光、紫外光或者X光的衍射。
实施例3机械刻画或者粒子束刻蚀的方法制作的衍射光栅
步骤一，采用类似实施例1所述的方法，产生合适尺寸和周期常数的“之”字形光栅的图形结构。
步骤二，通过(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)分别制成步骤一之字形沟槽的Siegbahn反射衍射光栅(图11)，闪耀反射衍射光栅(图12)或者Laminar衍射光栅(图13)。
实施例4变栅距“之”字型结构衍射光栅图形
步骤一，利用平焦场闪耀光栅设计原则(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)，设计一系列的依一定规律变化的光栅线条间距dn；
步骤二，利用实施例1，步骤一到~步骤四的办法设计一系列“之”字形线条图形，依次平行排列形成变栅距“之”字型结构衍射光栅图形；
步骤三，通过机械刻画或者粒子束刻蚀的方法(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)在光栅分别制成步骤一之字形沟槽的变间距、平焦场的Siegbahn反射衍射光栅，闪耀反射衍射光栅或者Laminar衍射光栅。
实施例5复制衍射光栅
步骤一，制成实施例4或实施例5所述的反射衍射模板光栅。
步骤二，利用标准的光栅复制方法(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)制成各类复制衍射光栅。
实施例6反射衍射光栅
步骤一，制作实施例3、实施例4或实施例5所述的反射衍射光栅。
步骤二，为增加光栅衍射效率，根据具体需要在上述光栅的表面上镀上合适的单层膜或者多层膜(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)，可制成单层膜衍射光栅或多层膜反射衍射光栅。
实施例7曲面反射衍射光栅
实施例3、实施例4、实施例5和实施例6的“之”字形衍射光栅均可以做在根据实际需要的曲面基底表面上(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)，制成曲面反射衍射光栅。制作曲面反射衍射光栅时，所需的“之”字形线条的形状可在设计阶段通过计算机辅助设计的方法(具体方法和选材可参见相关公开文献，这里不作详述)，依光栅表面面型作相应调整。
Claims (10)
1.一种衍射光栅，其特征在于：构成光栅的线条或者沟槽在与光栅基面平行的方向上呈依照如下步骤产生的“之”字形状，步骤1)，基于公式C(x)＝(1/2±1/2cos(πx/d))d构造两条余弦曲线，记下描述曲线的各点的坐标，其中C(x)为光栅的透过率函数，x为光栅表面的与光栅垂直的方向的坐标，d为光栅的周期常数；步骤2)，画出步骤1)所述的两条余弦曲线，再填充形成图形；步骤3)，将步骤2)产生的图形沿两条余弦曲线的顶点的连线一分为二，然后沿该连线的方向平移，平移的距离等于余弦曲线的峰值高度形成另一图形；步骤4)，复制步骤3)生成的图形，周期粘贴拼接形成“之”字形状图形。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于：所述的线条或者沟槽的宽度为亚微米量级。
3.根据权利要求1所述的衍射光栅，其特征在于：所述的线条或者沟槽的宽度为微米量级以上。
4.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅为透射光栅。
5.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅为反射光栅。
6.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅的基底表面为平面或曲面。
7.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅的沟槽横截面为矩形、三角形或其它形状。
8.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅的线条或沟槽的宽度可以依照传统平焦场光栅的要求变化，制成平焦场光栅。
9.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅经转印制成反光栅，经复制制成复制光栅。
10.根据权利要求1～3任一所述的衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅的线条或者沟槽上镀有单层膜或多层膜制成单层膜反射光栅或多层膜反射光栅。
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