CN103901519B - 矩形孔单级衍射光栅 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矩形孔单级衍射光栅，光栅由规则透光矩形孔基元在不透光基底二维方向周期性重复排列而成，光栅的基元矩形孔长宽比为3：2，矩形孔的长边与一维的轴线方向成45°夹角，同一维相邻的两个矩形孔对角线交点间的距离与矩形孔长边边长的比例为。与现有光栅比，本发明的单级衍射光栅能有效抑制高级衍射，能够消除2n、3n级衍射（n为非零整数），能将5级及更高级衍射抑制到1级衍射的0.16%及以下的水平。本发明的单级衍射光栅能够实现自支撑，有较高的衍射效率，具有二值化特征，规则的矩形孔基元规则排布，使得光栅易于制作、易于在实际中推广应用。

Description

矩形孔单级衍射光栅

技术领域

本发明涉及衍射光栅领域，具体涉及一种由矩形孔透光/反光基元构成的二维规则排布的单级衍射光栅。

背景技术

光栅自18世纪80年代被发现以来，被广泛应用于物理学、天文学、化学、生物学等各个领域。大家主要应用光栅作为谱仪的核心元件来获取光谱，或者应用光栅作为单色器的核心元件获得单色光束，从而再进一步获取更多信息。

现有的光栅有透射式和反射式两大类，细分又有平面光栅和凹面光栅、等间距光栅和变线距光栅、闪耀光栅、全息光栅、多层膜光栅等。晶体的内部质点在三维空间成周期性重复排列，因此是一种天然的光栅，常用于X射线的衍射。

根据光栅方程和布拉格方程，上述光栅都有多级衍射的特性，在实际应用时，往往只有衍射的某一级次是真正需要的，其余的高级衍射会对所测光谱造成污染，带来误差，也会使单色光束遭受高次谐波的污染。

正弦光栅能实现可见光及波长更长电磁波的单级衍射，但是由于X射线穿透物质时既有振幅衰减，又有相位变化，因此正弦光栅也不能实现X射线短波波段的单级衍射。

为摆脱光栅高级衍射的问题，2002年，中国工程物理研究院曹磊峰在其博士论文《非相干全息成像技术和透射光栅谱学》中提出了谱学光子筛，这种新的光学元件可以较好地抑制高级衍射。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（申请号为200410081499.X），量子点阵光栅可以较好地遏制高级衍射现象的发生。2006年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心提交了名为《“之”字形衍射光栅》的发明专利申请（申请号为200610022736.4），“之”字形光栅的衍射模式在其对称轴上不存在高级衍射。

在制作加工时，谱学光子筛和量子点阵光栅均不能实现自支撑，也难以实现真空紫外到X光波段的应用，并且光栅结构基元在基底分布的随机和离散性使得电子束写入设备工作效率低，难以制作大面积的短波波段的谱学光子筛和量子点阵光栅掩模。

“之”字形光栅能够实现自支撑，虽然“之”字形光栅能在对称轴上实现单级衍射，但是其离轴较近的方向仍然存在许多较高亮度的高级衍射点，这些高级衍射点会在实际应用时带来一定干扰。

综上，现有的单级衍射光栅存在不能实现自支撑、难于制作、难以实现X射线波段应用等问题。为了克服上述问题，本发明旨在提供一种既能实现自支撑、又便于实际加工制作、同时又有较高的一级绝对衍射效率的单级衍射光栅，特别是能实现光栅在X射线波段的实际应。

发明内容

本发明的一种矩形孔单级衍射光栅，其特征是衍射光栅由规则矩形孔基元在基底二维方向周期性重复排列而成，光栅的基元矩形孔长宽比为3：2，矩形孔的长边与一维的轴线方向成45°夹角，同一维相邻的两个矩形孔对角线交点间的距离与矩形孔长边边长的比例为。

本发明的光栅是透射式光栅。

本发明的光栅是反射式光栅。

本发明的光栅的基底表面为平面或曲面。

本发明的光栅适用于可见光、紫外光、X射线等各个电磁波段。

本发明的光栅的基元尺寸可为亚微米量级，也可为微米量级及以上。

本发明的光栅可以转印为反光栅，也可以复制为复制光栅。

与现有普通光栅相比，本发明光栅能有效抑制高级衍射，能有效改善高级衍射污染，提高光谱的纯度和精度，提高单色光束的纯度。

与现有单级衍射光栅相比，本光栅最大的优势在于：

1、能实现自支撑；

2、基元为规则的矩形，规则的基元在基底周期性重复排列，大大提高了制作光栅掩模的效率和面积，降低了加工难度，易于实现制作X射线波段的光栅（例如制作1000线/毫米的X射线光栅，则最小的尺寸为 471nm）；

3、有较高的一级绝对衍射效率，计算机模拟与理论推导表明，远场衍射时，本发明光栅（透射式）一级绝对衍射效率高于3%；

4、更易于实际推广应用，特别是真空紫外到软X射线波段。

附图说明

图1为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的结构示意图；

图2为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的矩形孔基元及其尺寸比例示意图；

图3为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的计算机模拟衍射斑点图；

图4为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的计算机模拟衍射轴线图（对数坐标）；

图5和图6为占空比为1/3的普通光栅计算机模拟衍射轴线图（图5）与本发明所述矩形孔单级衍射光栅的计算机模拟衍射轴线图（图6）的对比图；

图7为本发明所述矩形孔单级衍射光栅不同入射波长的计算机模拟衍射轴线图；

图8为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的透射式平面光栅制作流程图；

图9为本发明所述矩形孔单级衍射光栅的反射式平面光栅制作流程图。

具体实施方式

实施例1

X射线波段透射式平面矩形孔单级衍射光栅的制备

下面结合附图具体说明适用于软X射线波段1000线/毫米透射式平面矩形孔单级衍射光栅的制备过程，以及本发明的矩形孔单级衍射光栅的衍射效果的计算机模拟结果以及与普通光栅衍射效果的对比。

a：确定光栅基元尺寸

软X射线波长为几纳米到几十纳米，故选取光栅常数d=1um，光栅线密度为1000线/毫米，则透射矩形孔基元长为=707nm，宽=471nm；

b：将如图1所示结构的光栅按照步骤a中的尺寸转化为LEDIT格式文件；

c：在双面抛光的（100）晶面的硅片上镀一层金膜，然后涂上一层光刻胶，对硅片基底开孔，形成一块镂空的自支撑金薄膜；

d：利用数控聚焦电子束光刻设备，由步骤b中产生的LEDIT文件控制，将如图1所示结构的二元周期性矩形孔光子筛图形在步骤c产生的薄膜上进行电子束曝光，然后利用显影液和定影液进行显影，得到光栅光刻胶图形；

e：利用刻蚀溶液对显影区域的金膜进行恰当时间的化学腐蚀，在显影区形成通孔；

f：去除光刻胶，即得到适用于软X射线波段1000线/毫米透射式平面矩形孔单级衍射光栅，也可将此光栅作为X射线曝光的掩模板。

图8是透射式平面光栅制作流程图，与步骤c、步骤d、步骤e、步骤f相对应。

为更好地说明本发明的矩形孔单级衍射光栅的单级衍射作用，以下对本发明的光栅的衍射特性进行计算机模拟，同时将结果与同参数的普通光栅进行对比。模拟的光栅参数如本实施例步骤a所述，普通光栅线密度为1000线/毫米，占空比为1/3，光栅尺寸为50um×50um，接收屏距光栅1米，入射方式为正入射，入射光波长为5nm，模拟结果参考图3、图4、图5和图6。图3为本发明光栅的衍射斑点图。图4为本发明的光栅衍射的水平轴上的衍射光强分布（对数坐标），可以看出，本发明的矩形孔单级衍射光栅在轴上可以消除2n、3n级衍射（n为非零整数），能将5级及更高级衍射抑制到1级衍射的0.16%及以下的水平。图5是普通光栅衍射的水平轴上的衍射光强分布图，图6是本发明的光栅衍射的水平轴上的衍射光强分布（线性坐标），对比图5和图6，更能体现本发明的光栅的单级衍射特性。

实施例2

X射线光刻复制光栅的制备

a：同实施例1中步骤c；

b：将实施例1中产生的掩模板作为曝光原图，在本实施例步骤a产生的薄膜上进行X射线曝光；

c：同实施例1中步骤e；

d：去除光刻胶，得到射式平面矩形孔单级衍射光栅复制光栅。

实施例3

反光栅的制备

a：通过转印的方式，采用与实施例1或者实施例2相同的硅片、金膜和光刻胶材料，在金膜下加一层透光的基底作为支撑，制作与实施例1或者实施例2相反的图形结构，即可制成透射式平面矩形孔单级衍射光栅的反光栅，反光栅的衍射模式与实施例1或者实施例2的衍射模式相同。

实施例4

X射线反射式平面矩形孔单级衍射光栅的制备

下面结合图9具体说明适用于软X射线波段1000线/毫米反射式平面矩形孔单级衍射光栅的制备过程。

a：同实施例1步骤a；

b：同实施例1步骤b；

c：同实施例1步骤c，增加金膜的厚度；

d：同实施例1步骤d；

e：去除显影区域的残胶，将衬底装好放进亚硫酸盐金电镀液进行电镀；

f：去除光刻胶，即得到反射式平面矩形孔单级衍射光栅。

图9是反射式平面光栅制作流程图，与步骤c、步骤d、步骤e、步骤f相对应。

实施例5

凹面光栅的制作

a：将实施例4中制得的反射式平面矩形孔单级衍射光栅压弯为适当曲面即可制成反射式曲面矩形孔单级衍射光栅

实施例6

可见光波段矩形孔单级衍射光栅的制备

下面结合图1、图2和图7说明适用于可见光矩形孔单级衍射光栅的制备。

a：确定光栅基元尺寸

可见光波长范围约为390nm~760nm。因此选取光栅常数d=10um，光栅线密度为100线/毫米，则透射矩形孔基元长为=7.07um，宽=4.71um；

b：可见光的透射式矩形孔单级衍射光栅的制备同实施例1中步骤b~步骤f；

c：可见光的X射线光刻复制光栅的制备同实施例2；

d：可见光反光栅的制备同实施例3；

e：可见光的反射式矩形孔单级衍射光栅的制备同同本实施例步骤a和实施例4步骤b~步骤f；

f：可见光凹面光栅的制作同实施列5。

为更好地理解本发明的光栅对可见光的单级衍射和分光效果，以下对本发明的光栅的衍射特性进行计算机模拟，参考图7所示。模拟参数为，光栅线密度为100线/毫米，光栅常数为10um，光栅尺寸为500um×500um，接收屏距离光栅面1米，入射方式为正入射，入射波长分别为500nm、600nm和700nm。由图7可以看出，本发明的矩形孔单级衍射光栅对不同波长的入射光具有分光作用，一级衍射的位置与入射波长一一对应。

实施例7

紫外光波段矩形孔单级衍射光栅的制作

a：选取合适的光栅常数和光栅线密度

紫外光波长范围约为几十纳米到三百多纳米，因此选择光栅常数d=5um，光栅线密度为200线/毫米，则透光矩形孔基元长为=3.54um，宽=2.36um；

b：紫外光的透射式矩形孔单级衍射光栅的制备同实施例1中步骤b~步骤f；

c：紫外光的X射线光刻复制光栅的制备同实施例2；

d：紫外光反光栅的制备同实施例3；

e：紫外光的反射式矩形孔单级衍射光栅的制备同同本实施例步骤a和实施例4步骤b~步骤f；

f：紫外光凹面光栅的制作同实施列5。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种矩形孔单级衍射光栅，其特征在于：所述光栅由规则矩形孔基元在基底二维方向周期性重复排列而成，光栅的基元矩形孔长宽比为3：2，矩形孔的长边与一维的轴线方向成45°夹角，同一维相邻的两个矩形孔对角线交点间的距离与矩形孔长边边长的比例为。

2.根据权利要求1所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述基元间距为亚微米量级。

3.根据权利要求1所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述基元间距为微米量级及以上。

4.根据权利要求1~3中任一所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅为透射光栅，矩形孔为不透光薄膜基底上的透光通孔。

5.根据权利要求1~3中任一所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅为反射光栅，矩形基元是不透光基底上的凸起反光基元。

6.根据权利要求5所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅基底表面为平面或曲面。

7.根据权利要求4所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅转印成反光栅。

8.根据权利要求1所述的单级衍射光栅，其特征在于：所述的衍射光栅复印成为复制光栅。