CN104914493A - 一种全息制作平面闪耀光栅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新的平面闪耀光栅的制作方法，在偶氮化合物薄膜上，采用两步法全息制作闪耀光栅。先用左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）产生干涉条纹，在偶氮化合物上制作正弦型表面起伏光栅；再用偏振方向垂直于光栅线条的单束线偏振光倾斜照射形成不对称的闪耀光栅。通过控制光照时间和激光照射能量就可以精确控制光栅形变量，从而精确控制闪耀光栅的闪耀角。
Description
技术领域
本发明涉及一种衍射光学元件的制备方法，具体涉及全息平面闪耀光栅的制备新方案。
背景技术
衍射光栅一种重要的分光器件，在计量、成像、信息处理、集成光学和光通信等新兴领域被越来越多地采用。当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即闪耀光栅某一级光谱上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，极大地提高了光栅的衍射效率。
通常制作闪耀光栅最常用的方法是全息离子束刻蚀技术，如图1所示，用全息的干涉的方法在涂布光刻胶的基底表面进行光刻，然后通过显影工艺，得到表面浮雕的光刻胶掩模，最后通过离子束倾斜刻蚀得到闪耀光栅，这种方法对光刻胶掩模的占宽比，槽深提出了极高的要求，而且对离子束刻蚀时的离子束的发散角有较高要求。目前还没有非常有效的方法控制光刻胶掩模的槽型和离子束刻蚀的深度，另外一方面，为了得到精确的闪耀角，需要大量的工艺实验，摸索离子束的刻蚀角度和刻蚀时间。专利申请号[CN 102360093 A]提出了采用同质掩模法来精确控制闪耀角，该方法需要两次离子束刻蚀，工艺复杂。因此很有必要寻求一种新方法来制作平面闪耀光栅，来解决上述问题。
偶氮化合物具有光致质量迁移特性。当激光照射在偶氮化合物上，偶氮分子会发生整体移动，形成宏观的质量迁移，这种现象叫光致质量迁移。在干涉的偏振激光辐照下，偶氮聚合物薄膜表面发生光致质量迁移，偶氮聚合物从亮处迁移到暗处，在聚合物薄膜表面形成规则的正弦波形起伏光栅。再利用特殊偏振态的偏振光照射能够是形成的表面起伏光栅进行不对称的质量迁移。
发明内容
本发明的目的在于通过简单的工艺方法来得到精确闪耀角的平面闪耀光栅。根据本发明的目的提出了一种全息制作平面闪耀光栅的新方法，具体的制作步骤如下：
(1)将偶氮化合物溶解在溶剂中；
(2)在玻璃基地上旋涂偶氮化合物薄膜；
(3)真空加温退火；
(4)对所述的偶氮化合物薄膜上采用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行干涉光刻，在其表面形成起伏的正弦型光栅；
(5)用偏振方向垂直于光栅线条的单束线偏振光对所述正弦型偶氮光栅进行倾斜照明，偶氮化合物分子形成不对称的质量迁移，形成三角形的闪耀光栅。
上述技术方案中，步骤（1）中，偶氮化合物可以选用链悬挂偶氮苯小环的功能性聚合物Pcyclic-AzoMMA，溶剂选用无水无氧的四氢呋喃，该溶剂容易溶解Pcyclic-AzoMMA化合物，具有较低的沸点，小于Pcyclic-AzoMMA的玻璃化温度。
上述技术方案中，步骤（2）中涂布的偶氮化合物薄膜，旋涂厚度250nm-350nm。
步骤（3）真空加温退火过程：在室温下将样品薄膜放入真空烘箱中，抽真空两小时后关闭气阀。加热升温至偶氮聚合物Pcyclic-AzoMMA玻璃化温度以上10℃，在此温度下停留12小时，最后将真空烘箱自然缓慢降至室温后取出样品，真空干燥备用。
步骤（4）用左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）进行干涉光刻，单光束强度为60mW/cm2至80mW/cm2，曝光时间均为1600s至2300s。
步骤（5）采用偏振方向垂直于光栅线条的单束线偏振光对所述正弦型偶氮光栅进行倾斜照明，入射角40°，偶氮化合物分子在倾斜照明条件下发生不对称质量迁移，形成三角形的闪耀光栅。曝光参数，光强100mW/cm2至120mW/cm2，照明时间300s至900s，闪耀角发生连续变化：24.5°至10.5°。
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：
在偶氮化合物薄膜上，采用两步法全息制作闪耀光栅，先用左旋圆偏振光（LCP）和右旋圆偏振光（RCP）产生干涉条纹，在偶氮化合物上制作正弦型表面起伏光栅；再用偏振方向垂直于光栅线条的单束线偏振光倾斜照射形成不对称的闪耀光栅，通过控制光照时间和激光照射能量就可以精确控制光栅形变量，从而精确控制闪耀光栅的闪耀角。
附图说明
图1 全息刻蚀制作平面闪耀光栅的常规流程；
图2 本发明制作平面闪耀光栅的流程；
图3 全息干涉光刻（LCP+RCP）示意图，其中Laser为413.1nm的Kr+激光器，PBS是偏振分光棱镜，QWP是四分之一波片，HWP是二分之一波片。LD为650nm的半导体激光器，D是检测光栅一级衍射光的光电探测器，M2和M3是反射镜，Sample是偶氮化合物薄膜样品。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明或现有的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
实施例：一种全息制作平面闪耀光栅的方法，如图2所示，包括以下几个步骤：
1、偶氮薄膜制备，将链悬挂偶氮苯小环的功能性聚合物Pcyclic-AzoMMA溶于提纯后的无水无氧THF中配成浓度为40mg/mL的溶液，用带有孔径大小为0.22um的过滤头针筒过滤除尘，然后将聚合物溶液滴加到洁净的玻璃基片上，通过旋凃机高速旋转将偶氮聚合物均匀的涂布到基片表面。
2、在真空烘箱中加温至偶氮聚合物Pcyclic-AzoMMA 玻璃化温度以上10℃，约120℃至130℃，在此温度下烘烤12小时，最后将真空烘箱自然缓慢降至室温后取出样品，保存好样品，真空干燥备用。
3、全息干涉记录，记录光路如附图3所示，全息光刻装置，包括波长为413.1nm的氪离子激光器，半波片、格兰棱镜、四分之一波片、反射镜，激光器产生的激光经过用以调节激光偏振态的半波片，经过格兰棱镜分成两束光，一束光通过四分之一波片后变成左旋圆偏振光，另一束光通过四分之一波片后变成右旋圆偏振光，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在氮化合物薄膜上进行干涉光刻形成正弦型光栅；单束光强为60mW/cm2至80mW/cm2，曝光时间为1600s至2300s。
4、倾斜光照明，用偏振方向垂直于栅线条的单束线偏振光倾斜照表面起伏光栅，入射角度40°，正弦光栅在倾斜照明的条件下发生不对称的质量迁移，从而得到闪耀光栅。由于正弦型光栅在电场力作用下变成不对称的闪耀光栅这个过程中，形变是连续的，因此闪耀角也是连续变化的，只要控制倾斜照明的时间和照射能量就可以精确控制光栅形变，得到预定闪耀角的闪耀光栅。倾斜照明参数，光强100mW/cm2至120mW/cm2，照明时间100s至900s，闪耀角发生连续变化：24.5°至10.5°。
Claims (9)
1.一种全息制作平面闪耀光栅的方法，包括偶氮化合物薄膜涂布步骤，真空加温退火生成偶氮化合物薄膜的步骤，其特征在于还包括以下两个步骤：
(1)对偶氮化合物薄膜进行干涉光刻，在其表面形成起伏的正弦型光栅；
(2)用偏振方向垂直于光栅线条的单束线偏振光对所述正弦型光栅进行倾斜照明。
2.如权利要求1所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于：所述偶氮化合物薄膜涂布步骤中所用的偶氮化合物为Pcyclic-AzoMMA。
3.如权利要求2所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于：偶氮化合物溶液为由Pcyclic-AzoMMA溶解在无水无氧的四氢呋喃溶剂中而制成的溶液。
4.如权利要求1至3之一所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于：偶氮化合物薄膜涂布厚度250nm-350nm。
5.如权利要求1所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于所述真空加温退火的步骤为：将涂布好的偶氮化合物薄膜的样品放入真空烘箱中，抽真空，样品在真空烘箱中放置两小时后加热升温至偶氮化合物玻璃化温度以上，在此温度下停留12小时，最后将真空烘箱自然缓慢降至室温后取出样品，真空干燥备用。
6.如权利要求1所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于：对所述的偶氮化合物薄膜进行干涉光刻时用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行干涉光刻，单光束强度为60mW/cm2至80mW/cm2，曝光时间均为1600s至2300s。
7.如权利要求6所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于所述真空加温退火生成偶氮化合物薄膜的步骤：在室温下将样品薄膜放入真空烘箱中，抽真空，样品在真空烘箱中放置两小时后加热升温至偶氮化合物玻璃化温度以上，在此温度下停留12小时，最后将真空烘箱自然缓慢降至室温后取出样品，真空干燥备用。
8.如权利要求7所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，对所述的偶氮化合物薄膜进行干涉光刻时用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光进行干涉光刻，单光束强度为60mW/cm2至80mW/cm2，曝光时间均为1600s至2300s。
9.如权利要求1至3、5至8之一所述的全息制作平面闪耀光栅的方法，其特征在于对所述正弦型光栅进行倾斜照明时：光照的入射角为40°，光强100mW/cm2至120mW/cm2，照明时间300s至900s。
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