CN102081181B - 化学法制备色分离光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学法制备色分离光栅的方法，采用锆酸丁酯为源，制得感光性的溶胶，通过在溶胶中加入高聚物聚乙烯吡咯烷酮，以减小在薄膜制备过程中产生的应力，使薄膜厚度可在较大范围内调节而不开裂。采用提拉法镀膜，制备均匀的单面薄膜。经过两次成膜，曝光，显影工艺，获得与设计一致的光栅结构，每周期内为特定高度的三台阶结构，呈对称分布。采用紫外线对色分离光栅进行处理，在保持疏松的骨架结构同时尽量去除有机成分。该方法设计工艺灵活，可重复性和可控性好，光栅的激光损伤阈值高，避免了光刻胶及显影液等高污染试剂的使用，可用于多种不同衍射光学元件制作领域。

Description

化学法制备色分离光栅的方法

技术领域

本发明属溶胶凝胶薄膜技术及衍射光学技术领域，涉及一种多台阶光栅的制备及其在强激光系统中的应用。

背景技术

衍射光栅作为光学仪器的一种单元核心器件，它的主要用途十分明确，即通过它来实现复色光的空间分离，随着微加工技术的不断发展，光栅的种类及应用范围得到了前所未有的拓展。它不仅应用于光谱分析，在计量学、天文学、量子光学、集成光学、光通讯、信息处理等领域的广泛应用前景更是备受关注。

色分离光栅是在1978年由达曼提出的一种基于衍射原理的位相型光栅，其结构是在每周期内由三台阶组成，当光场通过这种台阶结构时，波前被分割成强度相等的三份，由于每个台阶处的高度不同，通过台阶后波前有不同的滞后，导致形成了光程差。衍射光谱的分布是光栅衍射波面的傅里叶变换，对于不同频率的光场，色分离光栅能将光强集中到不同的衍射级次上去。2003年，周常河提出了对称式色分离光栅的理论，据此可以大大简化制备工艺，容许较大的误差范围，同时不影响对零级衍射光的衍射效率。

当今大多数用于ICF(惯性约束聚变)的固体激光器都是使用非线性变频晶体将基频激光(1.053μm)转化到二倍频光(0.527μm)直至三倍频光(0.351μm)。在激光核聚变中，短波长激光能降低快电子的产生，有利于增进激光和靶丸的耦合。一般来说，在频率转换的过程中，只有大约60％-70％的转换效率。也就是说，仍然有相当一部分的基频(1ω)和二倍频(2ω))的光混杂在三倍频光中。通过经过设计的特定结构的色分离光栅，可以使三倍频光无衍射地通过，同时基频及二倍频光被衍射到高级次，实现离轴分离。由于其结构简单，易简化光路，非线性位相延迟小，衍射效率高，色分离好，损伤阈值高等一系列优点而备受同行青睐。

国际上色分离光栅的归一化衍射效率最高为95％，在国内，从文献报道来看，目前所研制的CSG的归一化衍射效率最高为91％。目前色分离光栅的制备方法主要是以传统的方法为主，通过半导体技术中的光刻工艺，以光刻胶形成所需图形，再用离子束刻蚀或者氢氟酸化学腐蚀的方式将图形转移到基底上，制备过程需要离子束刻蚀机等昂贵仪器，同时光刻胶及显影液会造成环境污染。该制备方法属于对基底进行加工，难以控制刻蚀深度和台阶陡直度，操作步骤较多，每一台阶均需要两次刻蚀来完成。

发明内容

本发明的目的在于结合光刻工艺及溶胶凝胶技术，提出一种操作简单，成本低廉，对环境污染少的化学法制备色分离光栅的方法，主要解决的技术问题在于对制备工艺的设计，图形精确转移的控制，图形转移后处理。

为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：

一种化学法制备色分离光栅的方法，其包括以下步骤：

1)将锆酸丁酯、乙酰丙酮、苯甲酰丙酮和去离子水分别溶于无水乙醇，具体是：乙酰丙酮和苯甲酰丙酮溶液混合均匀后，缓慢地滴入锆酸丁酯溶液，使其充分反应后，将去离子水与乙醇混合液缓慢滴入，搅拌均匀，充分反应后，在溶胶中加入聚乙烯吡咯烷酮，以减小在薄膜制备过程中产生的应力，使薄膜厚度可在较大范围内调节而不开裂，从而得到光敏溶胶；

2)以孔径为0.15μm的混合纤维素酯微孔滤膜对光敏溶胶进行过滤，去除反应中产生的较大颗粒和沉淀；

3)将聚乙烯薄膜覆盖于石英玻璃基底的背面，密封后将石英玻璃基底浸入光敏溶胶并提拉成膜，然后去除背面的聚乙烯薄膜，得到单面光敏凝胶薄膜。

4)用第一掩模版与光敏凝胶薄膜紧密接触，置于高压汞灯下曝光，薄膜在无水乙醇中显影，形成占空比为2/3的单台阶光栅，以此为基底重复步骤3)，在光栅表面形成光敏凝胶薄膜，用第二掩模版覆盖薄膜，并与基底上光栅结构对准，再曝光，得到色分离光栅图形，每周期内为特定高度的三台阶结构，呈对称分布；

进一步，还可以包括步骤5)：将形成图形的色分离光栅置于高压汞灯或低压汞灯下进行紫外处理1-24小时，以去除光栅图形中残留的有机物，并保持图形结构不致坍塌，提高光栅的激光损伤阈值。

所述步骤1)中，锆酸丁酯∶乙酰丙酮∶苯甲酰丙酮∶去离子水∶无水乙醇∶聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为1∶(0～1)∶(0～1)∶(2.5-3.5)∶(20-25)∶(0-0.3)。所述步骤4)中曝光的时间为20-30min。

所述第一、第二掩模版的结构为平面玻璃表面镀铬膜，将需要透光部分镂空后形成，作用是调制透射光的空间分布，将掩模版的形状转移到光敏薄膜上；其中第一掩模版与第二掩模版的周期相同，第一掩模版的占空比为1/3，第二掩模版的占空比为2/3。

由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明采用溶胶凝胶与化学修饰相结合的制膜技术，通过简单的曝光显影技术，对薄膜进行微细加工，形成多台阶的复杂图形，图形规整，对基底不产生影响。整个制备过程中均使用常见溶剂乙醇，可减少对环境的污染。鉴于常规的热处理方式会导致结构大量收缩并发生结晶化，采用紫外线对光栅结构进行处理，在去除残存有机成分的同时保持光栅结构不致坍塌。该发明属于平面微加工工艺，可广泛用于二元衍射光学元件的制作。

附图说明

图1是光敏凝胶薄膜经过不同时间紫外照射后的光谱性质图。

图2是掩模版结构设计示意图。

图3是色分离光栅的制备流程图。

图4是单面光敏凝胶薄膜制备流程图。

图5是经过一次曝光后的光栅图形图。

图6是经过二次曝光后的色分离光栅示意图。

图7是本发明的方法的整体流程图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

将锆酸丁酯、苯甲酰丙酮、去离子水分别溶于无水乙醇，使苯甲酰丙酮和去离子水溶液先后滴加到锆酸丁酯溶液中，待充分反应后，向溶胶中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀，可得到光敏溶胶，其敏感波长位于350nm附近。采用提拉法镀膜，速度为4-6inch/min，薄膜厚度约为700nm，经过掩模曝光并显影，可以形成光栅图形。原料比例为：锆酸丁酯∶苯甲酰丙酮∶去离子水∶聚乙烯吡咯烷酮∶无水乙醇＝1∶1∶2.5∶0.2∶20。(苯甲酰丙酮与乙酰丙酮为性质相似物质，其不同在于形成的光敏物质敏感波长不同，可根据需求选择加入。)

实施例2：

将锆酸丁酯、乙酰丙酮、去离子水分别溶于无水乙醇，先将乙酰丙酮溶液逐滴加入到锆酸丁酯溶液中，待充分反应后，将乙醇与水的混合液缓慢滴入，搅拌均匀，向溶胶中加入聚乙烯吡咯烷酮，可得到光敏溶胶，其敏感波长在304nm附近。采用提拉法镀膜，速度为4-6inch/min，薄膜厚度约为700nm，经过掩模曝光并显影，可以形成光栅图形。原料比例为：锆酸丁酯∶乙酰丙酮∶去离子水∶聚乙烯吡咯烷酮∶无水乙醇＝1∶1∶2.5∶0.2∶25。

实施例3：

将锆酸丁酯、乙酰丙酮、苯甲酰丙酮，去离子水分别溶于无水乙醇，其中，乙酰丙酮先与苯甲酰丙酮直接混合，再将混合液逐滴加入到锆酸丁酯溶液中，待充分反应后，将乙醇与水的混合液缓慢滴入，搅拌均匀，向溶胶中加入聚乙烯吡咯烷酮，可得到光敏溶胶，其敏感波长范围较宽，在310-350nm。采用提拉法镀膜，速度为4-6inch/min，薄膜厚度约为700nm，经过掩模曝光并显影，可以形成光栅图形。原料比例为：锆酸丁酯∶乙酰丙酮∶苯甲酰丙酮∶去离子水∶聚乙烯吡咯烷酮∶无水乙醇＝1.4∶0.4∶1∶3∶0.2∶25。

实施例4

将锆酸丁酯、乙酰丙酮、苯甲酰丙酮，去离子水分别溶于无水乙醇，其中，乙酰丙酮先与苯甲酰丙酮直接混合，再将混合液逐滴加入到锆酸丁酯溶液中，待充分反应后，将乙醇与水的混合液缓慢滴入，搅拌均匀，得到光敏溶胶，其敏感波长在310-350nm。采用提拉法镀膜，速度为4-6inch/min，薄膜厚度约为500nm，经过掩模曝光并显影，可以形成光栅图形。原料比例为：锆酸丁酯∶乙酰丙酮∶苯甲酰丙酮∶去离子水∶无水乙醇＝1.4∶0.4∶1∶3.5∶35。聚乙烯吡咯烷酮的作用是减轻成膜时的应力，如果应力积累到一定程度会使薄膜开裂，聚乙烯吡咯烷酮不影响光敏性能，加入后的薄膜厚度可以达到700nm以上不开裂，不加入则只能在500nm附近，加入或者不加入取决于对薄膜厚度的需求，此例中是制备厚度为500nm的薄膜，因此，以不加入聚乙烯吡咯烷酮为佳。

实施例5：

把洁净的聚乙烯薄膜切成略小于基底尺寸的方块，贴于胶带上，将基底背面对准聚乙烯方块后贴于胶带上，使基底边缘与胶带接触并密封，中间位置与聚乙烯接触。将基底浸入光敏溶胶，提拉镀膜后，去除背面的胶带，即可得到单面光敏凝胶薄膜。

实施例6：

将第一掩模版与光敏凝胶薄膜紧密接触，曝光光源采用高压汞灯，功率1000W，曝光时间25min，薄膜在乙醇溶液中显影，得到与掩模版图形相反的结构，以实施例4的方案，在图形表面镀膜，并以第二掩模版与基底上原图形对准后紧密接触，使第二掩模版的透光区域位于图形中间位置，以高压汞灯曝光，经过显影，得到色分离光栅。

实施例7：

将实施例5得到的色分离光栅置于高压汞灯下，经过2-6小时照射，去除结构中残留的有机成分，并保持其骨架结构。

实施例8：

将实施例5得到的色分离光栅置于低压汞灯下，功率为70W，经过24小时照射，去除结构中残留的有机成分，并保持其骨架结构。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种化学法制备色分离光栅的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)将锆酸丁酯、乙酰丙酮、苯甲酰丙酮和去离子水分别溶于无水乙醇，具体是：乙酰丙酮和苯甲酰丙酮溶液混合均匀后，缓慢地滴入锆酸丁酯溶液，使其充分反应后，将去离子水与无水乙醇混合液缓慢滴入，搅拌均匀，充分反应后，在溶胶中加入聚乙烯吡咯烷酮，得到光敏溶胶；

2)以孔径为0.15μm的混合纤维素酯微孔滤膜对光敏溶胶进行过滤，去除反应中产生的较大颗粒和沉淀；

3)将聚乙烯薄膜覆盖于石英玻璃基底的背面，密封后将石英玻璃基底浸入光敏溶胶并提拉成膜，然后去除背面的聚乙烯薄膜，得到单面光敏凝胶薄膜；

4)用第一掩模版与光敏凝胶薄膜紧密接触，置于高压汞灯下曝光，薄膜在无水乙醇中显影，形成占空比为2/3的单台阶光栅，以此为基底重复步骤3)，在光栅表面形成光敏凝胶薄膜，用第二掩模版覆盖薄膜，并与基底上光栅结构对准，再曝光，得到色分离光栅图形。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其还包括步骤5)：将形成图形的色分离光栅置于高压汞灯或低压汞灯下进行紫外处理1-24小时，去除光栅图形中残留的有机物。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，锆酸丁酯∶乙酰丙酮∶苯甲酰丙酮∶去离子水∶无水乙醇∶聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为1∶(0～1)∶(0～1)∶(2.5-3.5)∶(20-25)∶(0-0.3)。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中曝光的时间为20-30min。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一掩模版与第二掩模版的周期相同，第一掩模版的占空比为1/3，第二掩模版的占空比为2/3。

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