CN103245487A - 一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法 - Google Patents

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朱效立
李冬梅
刘明
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Abstract

本发明公开了一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法，该方法通过切换透射光栅和镂空窗口测试衍射光强和入射光强，并计算衍射光强与入射光强度之比得透射光栅的绝对衍射效率。相对于现有测试方法，本发明在测试时操作和控制简单、方便，特别是在极紫外或者X射线衍射实验中，需要在真空的环境下进行实验，进行较复杂的操作比较困难；本发明测试得到的光强同时性比较好，由于同步辐射装置提供的光源强度会随时间发生变化，绝对衍射效率需要测试同一时刻的光强比值，本发明中窗口与光栅距离近，切换方便，使得切换前后的光强尽量接近相同；由于窗口和光栅在同一支撑结构上，制造过程和方法相同，可以保证窗口和光栅的面积大小相同，准确测得入射光强。

Description

一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法
技术领域
本发明涉及衍射光学元件测试技术领域，具体涉及一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法。
背景技术
光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。广义地说，具有周期性的空间结构或光学性能(如透射率、折射率)的衍射屏，统称为光栅。根据不同的情况光栅可以分为：透射光栅、反射光栅；平面光栅、凹面光栅、黑白光栅或正弦光栅，或者一维光栅、二维光栅或三维光栅等。
透射光栅是光栅的一种，光线可以透过并在透射后衍射形成图样，是较为常见的光栅类型。透射光栅通常是在透明基体(如玻璃、聚酯片基等)上刻镀阻光细线形成的，也可用光波干涉图对卤化银感光片曝光制成。利用透射光栅可进行衍射光谱分析，多数全息照片属透射光栅图。
透射光栅在软X光能谱测试中作为一种重要的色散元件得到了广泛应用，但要用透射光栅进行软X光能谱的定量测试，必须研究其对X光的各级绝对衍射效率，为此国外已有多家实验室对透射光栅进行过一系列的实验标定，并发展了计算透射光栅衍射效率的矩形栅线模型和梯形栅线模型。
透射光栅在某一级次上的绝对衍射效率，是指衍射到该级次衍射峰的光强度与入射光强度之比。为了测试光栅的绝对衍射效率，需要精确测试入射到光栅上的单色光强度和各个衍射峰的强度。在极紫外光或者软X射线光波段，光学实验需要在真空的条件下进行，无法方便的进行各种实验操作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法，以精确地测试透射光栅的绝对衍射效率。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法，该方法通过切换透射光栅和镂空窗口测试衍射光强和入射光强，并计算衍射光强与入射光强度之比得透射光栅的绝对衍射效率，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：在于支撑结构上制作透射光栅的同时，在该支撑结构上制作用于测试入射光强的镂空窗口；该镂空窗口与透射光栅的形状和面积相同，并平行安装在支撑结构上；
步骤2：在测试透射光栅的衍射光强时，将光源入射到透射光栅上，用探测器在衍射光场中扫描即可得到衍射光强；
步骤3：在测试透射光栅的入射光强时，将镂空窗口平移到刚才透射光栅的位置，用探测器扫描即可得到透射光栅的入射光强；
步骤4：计算衍射光强与入射光强度之比，得透射光栅的绝对衍射效率。
上述方案中，步骤1中所述镂空窗口与所述透射光栅沿着平行于z轴的方向平行安装在支撑结构上，当入射光斑位置和强度不变，将支撑结构沿着z轴方向平移相同的距离，以使镂空窗口和透射光栅之间的切换，使得二者所接受的入射光强度相同。透射光栅和镂空窗口的形状和面积相同，当入射光斑位置和强度不变时，将透射光栅和镂空窗口切换到同一位置时，入射光的面积和强度相同。
上述方案中，步骤1中所述透射光栅和所述镂空窗口制作在同一个支撑结构上，是通过相同的集成电路工艺流程和方法制作的，具有相同的精度和误差。该集成电路工艺流程和方法制作是通过电子束光刻、光学光刻以及电镀技术进行的。
上述方案中，所述透射光栅和所述镂空窗口的大小为500um×500um到1.5mm×1.5mm之间。所述透射光栅和所述镂空窗口之间的距离为5mm到15mm之间。
上述方案中，由于镂空窗口和透射光栅的形状和面积相同，在光源未发生变化的情况下，透过镂空窗口的光与先前透射光栅的入射光相同。
(三)有益效果
与现有测试方法相比，本发明产生的有益效果有：
1、本发明提供的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，在测试入射光强时，只需控制样品支架移动一小段距离即可，无需手动更换或移动装置，操作和控制简单、方便，特别是在真空环境下进行的极紫外或者X射线衍射实验中。
2、由于光源强度会随时间发生变化，需在短时间内完成入射光强的测试。本发明提供的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，只需切换窗口即可测试入射光强，镂空窗口与透射光栅距离较近，切换方便、时间短，测试得到的光强同时性比较好。
3、本发明提供的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，由于窗口和光栅在同一支撑结构上，制造过程和方法相同，可以保证窗口和光栅的形状面积相同，准确保证测试得到入射光强。
附图说明
图1为本发明提供的测试透射光栅绝对衍射效率的方法流程图
图2为依照本发明实施例的光栅测试装置光路示意图，测试是在合肥的国家同步辐射实验室光谱辐射标准和计量实验站进行的；
图3为依照本发明实施例的光栅上入射光强的测试方法的原理图；
图4为依照本发明实施例制作的光栅样品的照片；
图5为依照本发明实施例的波长为5nm时衍射峰的角度分布(左图)和10000线/毫米极紫外透射光栅的衍射峰的角度分布(右图)；
图6为依照本发明实施例的镂空X射线透射光栅的绝对衍射效率。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
测试透射光栅的绝对衍射效率需要测试衍射峰的光强度和入射光强度，为了保证测试的精确度和同时性，本发明提供了一种简单方便又高精确度的测试方案。
如图1所示，图1是本发明提供的测试透射光栅绝对衍射效率的方法流程图，该方法通过切换透射光栅和镂空窗口测试衍射光强和入射光强，并计算衍射光强与入射光强度之比得透射光栅的绝对衍射效率，具体包括以下步骤：
步骤1：在于支撑结构上制作透射光栅的同时，在该支撑结构上制作用于测试入射光强的镂空窗口；该镂空窗口与透射光栅的形状和大小相同，并平行安装在支撑结构上；
步骤2：在测试透射光栅的衍射光强时，将光源入射到透射光栅上，用探测器在衍射光场中扫描即可得到衍射光强；
步骤3：在测试透射光栅的入射光强时，将镂空窗口平移到刚才透射光栅的位置，由于镂空窗口和透射光栅的形状大小相同，在光源未发生变化的情况下，透过镂空窗口的光与先前透射光栅的入射光相同，用探测器扫描即可得到透射光栅的入射光强；
步骤4：计算衍射光强与入射光强度之比，得透射光栅的绝对衍射效率。
其中，步骤1中所述镂空窗口与所述透射光栅沿着平行于z轴的方向平行安装在支撑结构(即样品架)上，并精确测试它们之间的距离；当入射光斑位置和强度不变，只要将样品架沿着z轴方向平移相同的距离，就可以进行镂空窗口和透射光栅之间的切换，使得二者所接受的入射光强度相同。透射光栅和镂空窗口制作在同一个支撑结构上，是通过相同的集成电路工艺流程和方法制作的，具有相同的精度和误差。该集成电路工艺流程和方法制作是通过电子束光刻、光学光刻以及电镀技术进行的。透射光栅和镂空窗口的形状和面积相同，当入射光斑位置和强度不变时，将透射光栅和镂空窗口切换到同一位置时，入射光的面积和强度相同。
优选地，透射光栅和镂空窗口的大小为500um×500um到1.5mm×1.5mm之间。透射光栅与镂空窗口之间的距离为5mm到15mm之间。
为了对本发明提出的测试透射光栅绝对衍射效率的方法进行实验验证，实验中制作了镂空X射线透射光栅和极紫外透射光栅。其中镂空X射线透射光栅的栅线材料为金，栅线厚度200nm，此光栅采用自力支撑结构，没有薄膜材料进行支撑，光栅周期为300nm，线宽/周期比为0.5±0.05，侧壁底角为90°±5°，挡光材料为金，挡光层厚度为2μm，光栅面积为500μm×500μm。极紫外透射光栅的栅线材料为铬，栅线厚度为50nm，支撑的薄膜材料为氮化硅，薄膜厚度为100nm，光栅周期为100nm，线宽/周期比为0.5±0.05，侧壁底角为90°±5°，挡光材料为铬+金，金挡光层厚度为140nm，光栅面积为1.5mm×1.5mm。制作所得的实物图照片如图4所示。
镂空X射线透射光栅制作工艺流程为：衬底制备、电子束光刻、电镀光栅线条、光学套刻、电镀挡光层、腐蚀镂空。透射式极紫外光栅的制作工艺流程为：衬底制备、电子束光刻、蒸发剥离光栅线条、光学套刻、蒸发剥离挡光层、背面套刻、腐蚀开窗。
光栅的衍射测试在位于合肥的国家同步辐射实验室光谱辐射标准和计量实验站进行。测试光路示意图如图2所示，从同步辐射储存环的弯铁(Bend Magnet)发射出的X射线通过前置超环面镜、球面光栅单色器(SGM)和后置超环面镜，得到单色同步辐射光，再经过狭缝和滤片对光斑面积加以限制，并滤去杂散光和高次谐波，最后经过光栅衍射，由扫描硅光电二极管探测各级衍射光信号。图3为测试方法的原理示意图。
对于测试波段的选择，镂空的X射线透射光栅适用的波段范围很宽，由于没有衬底薄膜的吸收作用，原则上对于波长小于其周期的所有正入射光都有衍射作用，验证实验中采用的是从5.5nm到38nm的波长；对于极紫外透射光栅，由于其只用于13.5nm波长，因此，其测试也只在13.5nm波长进行。测试的结果如图5所示。
根据所测的衍射曲线和参照窗口的光强数值，计算出光栅在5.5nm至38nm范围内的绝对衍射效率曲线，如图6所示。可以看出，光栅的一级衍射效率与理论值符合较好。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测试透射光栅绝对衍射效率的方法，该方法通过切换透射光栅和镂空窗口测试衍射光强和入射光强，并计算衍射光强与入射光强度之比得透射光栅的绝对衍射效率。
2.根据权利要求1所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：在于支撑结构上制作透射光栅的同时，在该支撑结构上制作用于测试入射光强的镂空窗口；该镂空窗口与透射光栅的形状和面积相同，并平行安装在支撑结构上；
步骤2：在测试透射光栅的衍射光强时，将光源入射到透射光栅上，用探测器在衍射光场中扫描即可得到衍射光强；
步骤3：在测试透射光栅的入射光强时，将镂空窗口平移到刚才透射光栅的位置，用探测器扫描即可得到透射光栅的入射光强；
步骤4：计算衍射光强与入射光强度之比，得透射光栅的绝对衍射效率。
3.根据权利要求2所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，步骤1中所述镂空窗口与所述透射光栅沿着平行于z轴的方向平行安装在支撑结构上，当入射光斑位置和强度不变，将支撑结构沿着z轴方向平移相同的距离，以使镂空窗口和透射光栅之间的切换，使得二者所接受的入射光强度相同。
4.根据权利要求3所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，透射光栅和镂空窗口的形状和面积相同，当入射光斑位置和强度不变时，将透射光栅和镂空窗口切换到同一位置时，入射光的面积和强度相同。
5.根据权利要求2所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，步骤1中所述透射光栅和所述镂空窗口制作在同一个支撑结构上，是通过相同的集成电路工艺流程和方法制作的，具有相同的精度和误差。
6.根据权利要求5所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，该集成电路工艺流程和方法制作是通过电子束光刻、光学光刻以及电镀技术进行的。
7.根据权利要求2所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，所述透射光栅和所述镂空窗口的大小为500um×500um到1.5mm×1.5mm之间。
8.根据权利要求2所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，所述透射光栅和所述镂空窗口之间的距离为5mm到15mm之间。
9.根据权利要求2所述的测试透射光栅绝对衍射效率的方法，由于镂空窗口和透射光栅的形状和面积相同，在光源未发生变化的情况下，透过镂空窗口的光与先前透射光栅的入射光相同。
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