CN101806930A - 减反射光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种减反射光栅的制备方法。该方法利用模式理论中的有效模折射率的概念，将减反射光栅等效成一简单的法布里-珀罗干涉仪的结构。该方法包括三步：①首先根据要求选择相应的光栅衬底材料、入射波长、入射角度、入射介质的折射率和入射方式；②将我们制备的一维矩形光栅等效成一个类似于F-P腔的结构，然后根据模式理论计算入射介质、光栅区域和出射介质的等效折射率：③根据以上减反射光栅参数采用光刻方法进行减反射光栅制备。本发明具有精度高、物理意义明确的特点，在设计和制备减反射光栅方面具有重要的应用价值。

Description

减反射光栅的制备方法

技术领域

本专利涉及减反射光栅，特别是一种减反射光栅的制备方法。

背景技术

抗反射表面在现代光学技术领域中，比如，太阳能电池、电光器件以及传感器等领域应用范围极其广泛。利用薄膜来制作这种抗反射结构是一种常用的方法，但是在薄膜技术中经常会遇到一些难以解决的问题，其中包括：热膨胀不匹配、粘合性、以及薄膜稳定性等。另一方面，研究表明利用高密度的周期结构-亚波长光栅，也可以制作出具有抗反射特性的光学表面。由于这种抗反射结构是在同一基底材料上通过刻蚀产生的，因此，在薄膜技术中遇到的上述问题在这种周期结构中并不存在。目前为止，用于设计这种抗反射周期结构的方法主要是有效介质理论【参见在先技术1：S.M.Rytov，Sov.Phys，JETP 2，466-475(1956)】。由于有效介质理论是在光栅周期远远小于入射波长的极限情况下得出的，因此，它的适用条件比较苛刻，应用范围较小，而且，只有在设计的入射角度较小，材料的折射率较低的情况下精度才较高，而当设计角度较大，材料折射率较高时则存在较大的误差。另外，有效介质理论作为一种近似理论的物理意义也不明确。光栅模式理论为人们提供了一种用以描述光在光栅中的传播行为的简单且物理意义鲜明的方法【参见在先技术2：L.C.Botten et al.，Opt.Acta 28，413-428(1981)】。但据我们所知，还没有人提出一种利用模式理论中的模折射率的概念来设计抗反射周期结构的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减反射光栅的制备方法。该方法精度高、物理意义明确，在设计制备减反射光栅方面具有重要的应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种减反射光栅的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①首先根据要求选择相应的光栅衬底材料、入射角度、入射介质的折射率、入射波长及入射方式；

②将我们制备的一维矩形光栅等效成一个类似于F-P腔的结构，然后根据模式理论计算入射介质、光栅区域和出射介质的等效折射率：

入射介质的等效折射率n_eff ⁱⁿ利用下式计算：

$n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{in}}=n_1\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

式中：n₁为入射介质折射率，θ为入射角；

光栅区域的等效折射率通过解如下的模式本征方程获得：

$\cos \left[k_g(1-f)\right]\cos \left(k_r\mathrm{f\Λ}\right)-\frac{{k_g}^2+{k_r}^2}{2k_g{k}_r}\sin \left[k_g(1-f)\mathrm{\Λ}\right]\sin \left(k_r\mathrm{f\Λ}\right)=\cos \left(\mathrm{\α\Λ}\right)---\left(2\right)$

式中： $k_r=k_0\sqrt{{n_r}^2-{n_{\mathrm{eff}{\_}_0}}^2},$ $k_g=k_0\sqrt{{n_g}^2-{n_{{\mathrm{eff}\_}_0}}^2},$ α＝k₀sinθ.，n_r-光栅脊背折射率，n_g-光栅沟槽折射率，n_eff-0-光栅区域的零阶模式的等效折射率，f-光栅占空比，Λ-光栅周期，θ-入射角，k₀-入射波在真空中的波矢(2π/λ)；

出射介质的等效折射率利用下式计算：

${n_{2\mathrm{eff}\_0}}^{\mathrm{out}}=\sqrt{{n_2}^2-{\left(\frac{k_{x0}}{k_0}\right)}^2}---\left(3\right)$

式中：k_x0＝k₀n₁ sin(θ)，n₂-出射介质，即光栅衬底材料的折射率

根据薄膜理论可知，当光栅区域的等效折射率满足如下关系，并且厚度为四分之一波长时，反射减小为零：

$n_{\mathrm{eff}\_0}=\sqrt{{n_{\mathrm{eff}}}^{\mathrm{in}}{n_{2\mathrm{eff}\_0}}^{\mathrm{out}}}---\left(4\right)$

h＝λ/(4n_{eff_0})                  (5)

解(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的联立方程，求出减反射光栅各参数：光栅周期Λ、深度h和占空比f；

③根据以上减反射光栅参数采用光刻方法进行减反射光栅制备。

利用上述的方法制备了一种用于TE偏振态的1550纳米波长的熔石英减反射光栅，特征在于该减反射光栅的光栅周期为Λ＝500纳米，占空比f＝0.38，刻蚀深度h＝340纳米。

本发明的技术效果如下：

抗反射周期结构是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有一定周期图样的光栅。对于高密度矩形光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术3：M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。本发明中，我们利用此算法验证我们提出的设计抗反射结构方法的有效性。

同时实验表明：本发明减反射光栅的制备方法具有精度高、物理意义明确，在制备减反射光栅方面具有广泛而重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明减反射光栅的几何结构示意图。

图2是图1减反射光栅的法布里-珀罗干涉仪等效结构示意图

图3是本发明石英减反射光栅透射效率随光栅深度的变化关系曲线。

图4是本发明石英减反射光栅透射效率随入射角度的变化关系曲线。

图5是全息记录光路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1是本发明减反射光栅的几何结构示意图。图2是图1减反射光栅的等效结构示意图。图1中，区域1、2都是均匀的，分别为入射介质和光栅基底材料。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。线性偏振的光波以一定角度θ入射，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。图2显示了图1减反射光栅等效的法布里-珀罗干涉仪的结构示意图。

实施例是制备一种用于1550nm波长的垂直入射时使用的石英减反射光栅。

根据本发明减反射光栅的制备方法，包括下列步骤：

①首先根据要求选择相应的光栅衬底材料石英、入射角度θ＝0、入射介质为空气，折射率n₁＝1、入射波长1550nm及入射方式：TE偏振入射；

②将我们制备的一维矩形光栅等效成一个类似于F-P腔的结构，然后根据模式理论计算入射介质、光栅区域和出射介质的等效折射率：

入射介质的等效折射率n_eff ⁱⁿ利用下式计算：

$n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{in}}=n_1\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

式中：n₁为入射介质折射率，θ为入射角；

光栅区域的等效折射率通过解如下的模式本征方程获得：

$\cos \left[k_g(1-f)\right]\cos \left(k_r\mathrm{f\Λ}\right)-\frac{{k_g}^2+{k_r}^2}{2k_g{k}_r}\sin \left[k_g(1-f)\mathrm{\Λ}\right]\sin \left(k_r\mathrm{f\Λ}\right)=\cos \left(\mathrm{\α\Λ}\right)---\left(2\right)$

式中： $k_r=k_0\sqrt{{n_r}^2-{n_{e{\mathrm{ff}\_}_0}}^2},$ $k_g=k_0\sqrt{{n_g}^2-{n_{{\mathrm{eff}\_}_0}}^2},$ α＝k₀sinθ.，n_r-光栅脊背折射率，n_g-光栅沟槽折射率，n_eff-0-光栅区域的零阶模式的等效折射率，f-光栅占空比，Λ-光栅周期，θ-入射角，k₀-入射波在真空中的波矢(2π/λ)；

出射介质的等效折射率利用下式计算：

${n_{2\mathrm{eff}\_0}}^{\mathrm{out}}=\sqrt{{n_2}^2-{\left(\frac{k_{x0}}{k_0}\right)}^2}---\left(3\right)$

式中：k_x0＝k₀n₁sin(θ)，n₂-出射介质，即光栅衬底材料的折射率

根据薄膜理论可知，当光栅区域的等效折射率满足如下关系，并且厚度为四分之一波长时，反射减小为零：

$n_{\mathrm{eff}\_0}=\sqrt{{n_{\mathrm{eff}}}^{\mathrm{in}}{n_{2\mathrm{eff}\_0}}^{\mathrm{out}}}---\left(4\right)$

h＝λ/(4n_{eff_0})                (5)

解(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的联立方程，求出减反射光栅各参数：光栅周期Λ＝500纳米、光栅深度h＝340纳米和占空比f＝0.38；

③根据以上减反射光栅参数采用光刻方法进行减反射光栅制备：

我们利用传统的微光学技术来制造这种减反射石英光栅。首先在干燥、清洁的熔融石英基片上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅(参见图5)，采用He-Cd激光器7(波长为441内米)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述衍射效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，接着再用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到熔融石英基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去除，就得到高密度深刻蚀表面浮雕结构的熔融石英光栅。

图3给出了依据耦合波理论和我们提出的法布里-珀罗干涉仪模型计算得到石英减反射光栅的衍射效率随深度的变化关系。从图中可以看出，当光栅的刻蚀深度为340纳米时，光栅的透过率达到96.8％(注意计算中已经将基底下表面的反射考虑在内了)。

图4显示了依据耦合波理论和我们提出的法布里-珀罗干涉仪模型计算，以及从实验测得的石英减反射光栅的衍射效率随入射角度的变化关系。从图中可以看出理论计算和实验结果符合的很好，进一步验证了我们方法的有效性。

实践表明：本发明减反射光栅的制备方法具有精度高、物理意义明确的特点，在制备减反射光栅方面具有广泛而重要的应用价值。

Claims (2)

1.一种减反射光栅的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①首先根据要求选择相应的光栅衬底材料、入射波长、入射角度、入射介质的折射率和入射方式；

②将我们制备的一维矩形光栅等效成一个类似于F-P腔的结构，然后根据模式理论计算入射介质、光栅区域和出射介质的等效折射率：

入射介质的等效折射率n_eff ⁱⁿ利用下式计算：

$n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{in}}=n_1\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

式中：n₁为入射介质折射率，θ为入射角；

光栅区域的等效折射率通过解如下的模式本征方程获得：

$\cos \left[k_g(1-f)\right]\cos \left(k_r\mathrm{f\Λ}\right)-\frac{{k_g}^2+{k_r}^2}{2k_g{k}_r}\sin \left[k_g(1-f)\mathrm{\Λ}\right]\sin \left(k_r\mathrm{f\Λ}\right)=\cos \left(\mathrm{\α\Λ}\right)---\left(2\right)$

式中： $k_r=k_0\sqrt{{n_r}^2-{n_{{\mathrm{eff}}_{-0}}}^2},$ $k_g=k_0\sqrt{{n_g}^2-{n_{{\mathrm{eff}}_{-0}}}^2},$ α＝k₀sinθ.，n_r-光栅脊背折射率，n_g-光栅沟槽折射率，n_eff-0-光栅区域的零阶模式的等效折射率，f-光栅占空比，Λ-光栅周期，θ-入射角，k₀-入射波在真空中的波矢(2π/λ)；

出射介质的等效折射率利用下式计算：

${n_{2\mathrm{eff}\_0}}^{\mathrm{out}}=\sqrt{{n_2}^2-{\left(\frac{k_{x0}}{k_0}\right)}^2}---\left(3\right)$

式中：k_x0＝k₀n₁ sin(θ)，n₂-出射介质，即光栅衬底材料的折射率

根据薄膜理论可知，当光栅区域的等效折射率满足如下关系，并且厚度为四分之一波长时，反射减小为零：

$n_{\mathrm{eff}\_0}=\sqrt{{n_{\mathrm{eff}}}^{\mathrm{in}}{n_{2\mathrm{eff}\_0}}^{\mathrm{out}}}---\left(4\right)$

h＝λ/(4n_{eff_0})                                        (5)

解(1)、(2)、(3)、(4)和(5)的联立方程，求出减反射光栅各参数：光栅周期Λ、深度h和占空比f；

③根据以上减反射光栅参数采用光刻方法进行减反射光栅制备。

2.利用权利要求1所述的方法制备了一种用于TE偏振态的1550纳米波长的熔石英减反射光栅，特征在于该减反射光栅的光栅周期为Λ＝500纳米，占空比f＝0.38，刻蚀深度h＝340纳米。

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