CN103941319A - 一种全息凹面闪耀光栅的母板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息凹面闪耀光栅的母板及其制备方法，制作步骤如下：（1）制备全息凹面光栅掩模；（2）在全息凹面光栅掩模上沉积金属层；（3）在所述金属层上涂布粘合剂；（4）将与凸模连接的金属层和所述全息凹面光栅掩模分离，清洗，获得凸面金属光栅掩模；（5）测量所述凸面金属光栅掩模的栅齿结构，获得栅齿占空比信息；采用电铸或镀膜的方式以及化学腐蚀或离子刻蚀的方式调节栅齿的占空比；（6）采用离子束刻蚀凸面金属光栅掩模，使凸面金属光栅掩模转变成三角形闪耀结构，得到全息凹面闪耀光栅的母板。本发明将凹面光栅掩模结构转移到凸面金属层上，金属层柔韧性好，光栅槽型结构转移精度高，不易开裂变形，耐用性好。

Description

一种全息凹面闪耀光栅的母板及其制备方法

技术领域

本发明涉及衍射光学元件，具体涉及一种全息凹面闪耀光栅的母板及其制备方法。

背景技术

光栅是一种应用非常广泛而重要的高分辨率的色散光学元件，在现代光学仪器中占有重要的地位。凹面光栅是光谱仪器中的一种重要色散元件, 兼有色散和成像功能，可直接构成只有一个光学作用面的光谱仪器。采用平面阵列探测器的凹面光栅光谱仪与机械扫描式光谱仪相比，具有结构简单，光谱扫描速度快、重复性好、机械故障率低等特点。基于全息技术制作的凹面光栅与机刻凹面光栅相比，噪声低,受到高端光谱仪器的青睐。凹面光栅衍射效率是其使用过程中的一个十分重要的技术指标。直接采用全息技术制作的凹面光栅，光栅为正弦型结构，效率有限，通过修改全息光栅的槽形结构可以获得更高的衍射效率，三角形闪耀光栅结构是提高光栅衍射效率的重要方式。

参考文献光学精密工程，2013（9）：2303-2308《基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅》中，采用离子束直接刻蚀凹面光栅掩模，做了分区优化，提高衍射效率。但是由于凹面基底不同区域相对离子束的角度不同，以及凹面固有的遮挡离子束弊病，导致制作三角形光栅槽形的角度沿着凹面分布变化大，有的区域甚至没有衍射效率，最终影响了凹面光栅的整体衍射效率。对于小F/#凹面光栅问题会更加严重。

 

发明内容

本发明的发明目的是提供一种全息凹面闪耀光栅的母板及其制备方法，该母板用于复制高品质全息凹面闪耀光栅。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种全息凹面闪耀光栅的母板制备方法，包括下列步骤：

      （1）布置全息记录光路，在凹面镜基底上涂布光刻胶，经曝光，显影，形成全息凹面光栅掩模；

 （2）在所述全息凹面光栅掩模上沉积金属层，金属层厚度大于光栅栅齿的高度；

 （3）在所述金属层上涂布粘合剂，将其与凸模粘合固化，所述凸模与所述金属层形状配合； 

（4）将与凸模连接的金属层和所述全息凹面光栅掩模分离，清洗，获得凸面金属光栅掩模；

（5）测量所述凸面金属光栅掩模的栅齿结构，与所需要凸面金属光栅掩模的栅齿占空比进行比较，若得到的栅齿占空比小于所需要的占空比，则通过电铸或镀膜的方式沉积金属层，增大栅齿的占空比；若得到的栅齿占空比大于所需要的占空比，则通过化学腐蚀或离子刻蚀，减小栅齿的占空比；

（6）将所述凸面金属光栅掩模围绕凸面曲率中心转动，采用离子束刻蚀系统的离子束倾斜扫描刻蚀所述凸面金属光栅掩模，使所述凸面金属光栅掩模转变成三角形闪耀结构，得到全息凹面闪耀光栅的母板。

优选的，步骤（2）中所述全息凹面光栅掩模是光刻胶材料掩模，或是经由光刻胶掩模刻蚀转移到玻璃或其他材料上制成的掩模；沉积金属层通过电铸或镀膜方式实现。

优选的，步骤（5）中采用原子力显微镜、电子显微镜或三维轮廓仪测量，获得栅齿形貌，获得占空比信息,为调节栅齿占空比提供依据。

优选的，步骤（6）中，倾斜入射到所述凸面金属光栅掩模表面的离子束为细长条形，凸面金属光栅掩模围绕凸面曲率中心转动，离子束在凸面金属光栅掩模表面来回扫描。

本发明还公开了一种由上述的制备方法得到全息凹面闪耀光栅的母板。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明将凹面光栅掩模结构转移到凸面金属层上，光栅槽型结构转移精度高，金属层柔韧性好，不易开裂变形，耐用性好；

2.本发明中的金属层厚度仅需要大于栅齿高度，因此对凹面基底像差影响很小，有利于凹面光栅转移成凸面光栅时像差的控制；

3.本发明采用电铸、镀膜方式，化学腐蚀以及离子刻蚀，对金属光栅掩模结构进行调节修正，使其结构容易满足离子刻蚀工艺要求，提高了离子刻蚀的成功率；

4.本发明刻蚀凸面金属光栅掩模，在离子束刻蚀过程，通过凸面基片绕曲率中心转动，离子束与凸面光栅掩模不同区域的角度可保持相同，不会出现凹面光栅直接刻蚀中的遮挡现象，因此可以在整个凸面光栅区域都获得三角形闪耀结构。

附图说明

图1是全息记录光路示意图；

图2是全息凹面光栅掩模；

图3是在全息凹面光栅掩模沉积金属层；

图4是在全息凹面光栅金属层表面涂布粘合剂；

图5是金属层与凸模粘合；

图6是凸面金属光栅掩模；

图7是凸面金属光栅掩模离子束刻蚀；

图8是凸面金属闪耀光栅；

图9是金属光栅掩模的栅齿占空比调节。

其中：1、凹面光栅基底；2、全息凹面光栅掩模；3、金属层；4、粘合剂层；5、凸模；6、离子束。 

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：制备一口径为20mm，曲率半径为80mm，光栅周期为500line/mm的全息凹面闪耀光栅的母板，该母板的光栅栅齿为三角形。

制备步骤如下：

(1)布置全息记录光路如图1所示，在曲率半径为80mm凹面镜基底1上涂布光刻胶，经曝光，显影，形成全息凹面光栅掩模2，光栅周期为500line/mm，栅齿的高度为500nm, 栅齿形貌为矩形；

(2)在全息凹面光栅掩模2之上采用电铸工艺沉积镍金属层3，镍金属层3厚度为2um，大于光栅栅齿的高度；

(3)在镍金属层3表面涂布环氧树脂粘合剂4，将其与一玻璃材料的凸模5粘合固化，使所述镍金属层3与所述凸模5形状配合并紧密连接，该玻璃凸模5的曲率半径为80mm，与镍金属层3半径相同；

(4)将与凸模5连接的镍金属层3和所述全息凹面光栅掩模2剥离开，清洗镍金属层3表面，去除剩余光刻胶，获得凸面金属光栅掩模；

(5)采用原子力显微镜测量凸面金属光栅掩模的栅齿结构，如测量栅齿的占空比为1：2，而所需要刻蚀工艺所需最佳占空比为1：1，采用电铸方式沉积镍金属层，调节栅齿的占空比使其达到1：1，如图9所示。

(6)将所述凸面金属光栅掩模围绕凸面曲率中心转动，采用离子束刻蚀系统的细长条形离子束倾斜扫描刻蚀凸面金属光栅掩模，离子束在凸面金属光栅表面来回扫描，使所述凸面金属光栅掩模转变成三角形闪耀结构，得到全息凹面闪耀光栅的母板。

Claims (5)

1.一种全息凹面闪耀光栅的母板制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）布置全息记录光路，在凹面镜基底上涂布光刻胶，经曝光，显影，形成全息凹面光栅掩模；

（2）在所述全息凹面光栅掩模上沉积金属层，金属层厚度大于光栅栅齿的高度；

（3）在所述金属层上涂布粘合剂，将其与凸模粘合固化，所述凸模与所述金属层形状配合； 

（4）将与凸模连接的金属层和所述全息凹面光栅掩模分离，清洗，获得凸面金属光栅掩模；

（5）测量所述凸面金属光栅掩模的栅齿结构，与所需要凸面金属光栅掩模的栅齿占空比进行比较，若得到的栅齿占空比小于所需要的占空比，则通过电铸或镀膜的方式沉积金属层，增大栅齿的占空比；若得到的栅齿占空比大于所需要的占空比，则通过化学腐蚀或离子刻蚀，减小栅齿的占空比；

（6）将所述凸面金属光栅掩模围绕凸面曲率中心转动，采用离子束刻蚀系统的离子束倾斜扫描刻蚀所述凸面金属光栅掩模，使所述凸面金属光栅掩模转变成三角形闪耀结构，得到全息凹面闪耀光栅的母板。

2.根据权利要求1所述的一种全息凹面闪耀光栅的母板制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述全息凹面光栅掩模是光刻胶材料掩模，或是经由光刻胶掩模刻蚀转移到玻璃或其他材料上制成的掩模；沉积金属层通过电铸或镀膜方式实现。

3.根据权利要求1所述的一种全息凹面闪耀光栅的母板制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中采用原子力显微镜、电子显微镜或三维轮廓仪测量栅齿形貌，获得占空比信息，为调节栅齿占空比提供依据。

4.根据权利要求1所述的一种全息凹面闪耀光栅的母板制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中，倾斜入射到所述凸面金属光栅掩模表面的离子束为细长条形，凸面金属光栅掩模围绕凸面曲率中心转动，离子束在凸面金属光栅掩模表面来回扫描。

5.根据权利要求1所述的制备方法得到全息凹面闪耀光栅的母板。