CN104765086B - 一种具有单级衍射特性的梯形基元光栅 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有单级衍射特性的梯形基元光栅，其核心思想是以一定形状的基元按照一定的排布使得沿光栅周期方向的透过率或反射率呈梯形函数分布,其中两种设计方式的制作具体过程为：以梯形基元，沿光栅基底面上的一维方向顺序叠放在一起，或以一个梯形基元与另一相同参数的倒立梯形间隔的顺序叠放在一起，构建出沿光栅周期方向具有特定梯形透过率或反射率函数；沿光栅基底面另外一维则以光栅周期为间隔长度进行复制；梯形基元为等腰梯形，上底边、下底边与光栅周期相关，梯形高根据实际应用情况而定。这样制作出来的梯形基元光栅不仅可完全忽略高级衍射，梯形基元光栅的正负一级绝对衍射率理论值为6.93%，衍射效率超过相同周期和占空比的正弦光栅的衍射效率，这样的光栅将为光谱分析、光源单色化等方面带来新的契机。

Description

一种具有单级衍射特性的梯形基元光栅

技术领域

本发明涉及衍射光栅领域，更具体的说，涉及一种用作谱仪分光元件或者单色器波长分离/选择元件的梯形基元光栅，并涉及通过从该梯形基元光栅转印制得的反光栅和复制光栅，并涉及这些光栅的制造方法。

背景技术

衍射光栅是一种古老的光学元件，由美国天文学家David. Rittenhouse发明（哈特雷 著. 贾惟义，秦小梅 译. 衍射光栅，1990），德国物理学家J.V. Fraunhofer首次将其应用于严肃的科学研究（刘战存. 衍射光栅发展历史的回顾. 物理实验），通过测量太阳光谱推断了遥远的太阳表面的物质组分。衍射光栅可看作是多组衍射元件的集成，如多组狭缝、孔或者多组高反射的沟槽。光栅的种类繁多，分类的方法也不尽相同，比如：按照调制的方式进行分，则有振幅型和相位型；如果按照工作方式进行分类，可以分为透射型和反射型，这是我们使用最多的一种分类方法；如果按照光栅的形状来分，那么光栅又可以分为平面光栅以及凹面光栅。

衍射光栅是一种多级衍射元件，由Fraunhofer推导的光栅方程（mλ=d(sinα+sinβ),其中m为整数，d为光栅常数，α和β分别为光束的入射角和衍射角）可知，波长为λ的整数分之一的所有组分将会衍射到同一个方向（张洪欣. 物理光学，2010）。以衍射光栅为核心元件的光源单色化技术不可避免的存在所谓的高次谐波组分。高次谐波组分的存在严重制约了光谱分析技术的数据置信水平和精密化程度。采用各种技术手段抑制或消除高次谐波是基于衍射光栅的传统光源单色化技术需要考虑的首要问题。

为解决高次谐波衍射问题，正弦光栅是一个极佳的解决方案，所谓的正弦光栅指的是沿光栅的周期方向其透过率或反射率为正弦或余弦分布，正负一级的绝对衍射效率理论值为6.25%，然而应用在极紫外或者X射线波段的正弦光栅几乎很难制作。为此曹磊峰等学者提出了多种透过率或反射率类正弦分布的光栅设计，如中国发明专利（专利号200410081499.X，量子点阵衍射光栅）公开的一种量子点阵光栅和中国杂志中国期刊《强激光与粒子束》（高宇林等，基于光子筛的软X光谱仪,2011）公开的光子筛式的单级光栅。这些光栅通过相应的圆形基元或矩形基元或其它形状基元的特殊分布，不仅使得高次谐波可忽略，还使得极紫外或者X射线波段的无谐波光栅制作成为可能，这些无高次谐光栅已应用于单色仪和光谱仪等相应领域。

然而上述的无谐波光栅也存在着一些缺陷，比如光子筛类型的其正负一级的绝对衍射效率低约1%，量子点阵光栅的理论衍射效率接近6.25%，然而其加工难度较大，严重限制了高线密度的量子点阵光栅的制作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有高衍射效率的无谐波梯形基元光栅的设计和制作方法。

本发明的高衍射效率的单级衍射梯形基元光栅设计和制作方法的特点是：本发明的具有单级衍射特性的梯形基元光栅基本组成元素为梯形基元，梯形基元沿光栅基底面的一维方向顺序叠在一起或其它排布形式以使得沿光栅的周期方向透过率或反射率函数呈特定的梯形函数，梯形函数的形式与梯形基元结构相同；沿光栅基底面的另外一维则按照光栅周期的长度进行复制。

沿光栅的周期方向透过率或反射率函数为：对于透射式光栅，沿光栅刻线方向透光部分进行求和所得的透过率值并进行规一化；对于反射式光栅，沿光栅刻线方向反光部分进行求和所得的反射率值并进行规一化。

梯形基元光栅的梯形基元为等腰梯形。

梯形基元光栅的梯形基元的上底和下底均与光栅周期d相关，分别为d/6和5d/6，梯形的高可为变量或常量。

梯形基元光栅的基底为透明衬底。

梯形基元光栅的梯形基元为透明衬底上涂覆的高反射率材料或为除基元部分涂覆高反射率材料之间的小缝。

与现有技术相比，本发明的本发明的具有单级衍射特性的梯形基元光栅设计和制作方法具有以下优点：设计制作便捷，仅需要设计梯形基元，梯形基元的组合可看成多边形，微加工的数据量很小，适用于电子束刻蚀等加工工艺；高衍射效率，梯形基元光栅在单级衍射特性的前提下，正负一级理论绝对衍射效率为6.93%，超过正弦光栅的理论衍射效率6.25%。

附图说明

图1为一种具有单级衍射特性的梯形基元光栅平面结构图；

图2为另一种具有单级衍射特性的梯形基元光栅平面结构图；

图3为本发明实施例的梯形基元光栅远场衍射图案；

图4为本发明实施例的梯形基元光栅远场衍射谱分辨方向的谱线分布；

图5为本发明实施例的梯形基元光栅制作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，示意图仅作示例用，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含相应的长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

以梯形基元其中一种分布方式的平面透射式梯形光栅为例，说明本发明的高衍射效率的单级衍射梯形基元光栅设计和制作方法具体实施方式：

根据实际应用，确定光栅的周期大小；

梯形基元沿光栅基底面的一维方向顺序叠在一起；沿光栅基底面的另外一维则按照光栅周期的长度进行复制，如图1所示，图1的水平方向为光栅的周期方向，竖直方向为光栅的另外一维方向；

梯形基元光栅的梯形基元为等腰梯形，其上底和下底均与光栅周期d相关，分别为d/6和5d/6，梯形的高设计为d；

梯形基元光栅的基底为透明衬底；

梯形基元光栅的梯形基元为透明衬底上涂覆的高反射率材料或为除基元部分涂覆高反射率材料之间的小缝；

梯形基元光栅的基底表面为平面。

实施例1

本实施例公开一种基于本发明所设计的平面透射式梯形基元光栅，梯形基元光栅图如图1，包括：

1)透明碳化硅衬底；

2)在透明衬底上形成具有二维分布的多个高反射率梯形基元环结构；

3)通过光刻、电子束刻蚀等微加工技术制作平面透射式梯形基元光栅。

图1中白色梯形基元组成的部分，为高反射率所涂覆的材料；黑色部分，为全透的衬底。

基于本发明设计的平面透射式梯形基元光栅所具有独特结构，使得所设计制作的光栅具有单级衍射特性和高衍射效率特性。

本实例仅给出了平面透射式梯形基元光栅中的一种，本发明也适合其它诸如平面透射式梯形基元光栅的另外一种形式，如图2所示，同样也适合其它梯形基元排布形式而具有梯形透过率或反射率的梯形基元光栅设计。

以上对计制作的细的描述，为了更好的理解本发明的梯形基元光栅的单级衍射特性，图3给出了单色光透过图1所示梯形基元光栅的二维远场衍射图案，图3的水平方向为谱分辨方向，图4给出了谱分辨方向的光强分布曲线。由图3和图4可看出，所设计的梯形基元光栅除了0级和1级衍射无其它级次的衍射。

以下将对本发明具体实施例的制造方法进行详细的描述，如图5中的最下面的图形包含共三层，底层为透明基底材料，中间层为高反射率的金属膜层，最上层为掩膜层，具体步骤如下：

第一步，提供碳化硅薄膜衬底；

第二步，在所述碳化硅薄膜衬底上溅射一层Gr薄膜；

第三步，在第二步所述衬底上的薄膜上旋涂电子束抗蚀剂，热处理后进行电子束的直写和显影等操作，从而获得图案化的电子束抗蚀剂的掩模层，覆盖电子束抗蚀剂的部分为高反射的梯形基元组成的结构；

第四步，通过刻蚀的方法在未覆盖电子束抗蚀剂的Gr薄膜上去除Gr薄膜。

第五步，去除电子束抗蚀剂，从而在碳化硅透明衬底上形成了一定分布的高反射率的梯形基元组成的结构，所述的梯形基元组成的结构由本发明设计方法决定。

可以理解的是，在此实施例中，只有透光和高反射光两种区域，透光的区域可以通过图案化的掩模图案来控制，制造工艺简单，同半导体制造技术相互兼容。

至此完成了基于本发明的平面透射式梯形基元光栅设计、加工流程，本领域相关技术人员可以理解的是，形成具有梯形透过率或反射率的梯形基元光栅结构形式有多种，制作梯形基元光栅的方法也有多种，以上仅为示例，本发明对此处如何形成梯形基元组成的结构的方式和方法不做限制。

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，凡是以一定形状的基元按照一定的排布使得沿光栅周期方向的透过率或反射率呈梯形函数分布的光栅结构都属于本发明范围。

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做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 (3)

1.一种具有单级衍射特性的梯形基元光栅，其特征在于：所述的梯形基元光栅沿光栅的周期方向的透过率函数或者反射率函数具有特定梯形分布，所述的梯形基元光栅沿光栅周期方向的透过率函数或反射率函数的分布形式均为等腰梯形，等腰梯形的上底和下底均与光栅周期d相关，分别为d/6和5d/6，等腰梯形高为规一化常数；其基本组成为梯形基元，所述的梯形基元为等腰梯形，等腰梯形的上底和下底均与光栅周期d相关，分别为d/6和5d/6，梯形的高为变量或常量；所述的光栅基底为透明衬底材料，透明衬底由二氧化硅、碳化硅、氮化硅或者聚酰亚胺中的一种材料或多种制成；

所述的梯形基元在光栅基底上的分布方式为两种，分别为：梯形基元沿光栅基底的一维方向顺序叠在一起，沿光栅基底的另外一维则按照光栅周期的长度进行复制，或一个上底小于下底的正立梯形与另一相同参数的倒立梯形组合成一个六边形沿光栅基底的一维方向顺序叠在一起组合成第一列，第二列为一个相同参数的倒立梯形与另一个正立梯形组合的六边形沿光栅基底的一维方向顺序叠在一起组合成第二列，沿光栅基底的另外一维则按照光栅周期的长度对这两列进行复制。

2.根据权利要求1所述的具有单级衍射特性的梯形基元光栅，其特征在于：所述的梯形基元为在透明衬底上涂覆的高反射率材料或除基元部分涂覆高反射率材料之间的小缝，通过光刻制作出梯形基元光栅。

3.根据权利要求2所述的具有单级衍射特性的梯形基元光栅，其特征在于：所述的高反射率材料为金、铝、铜、镍、铌、钽、铬中的一种，高反射率材料的厚度为300纳米到800纳米。