CN109597157B - 一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置和制备方法，包括：离子束发生器，其发出离子束以刻蚀光栅；挡板，其位于所述离子束发生器的下侧，所述挡板上开设有通孔；沿x方向，所述通孔在y方向的宽度渐变；样品台，其位于所述挡板下侧，所述样品台用于放置样品，所述样品为光栅基板，所述光栅基板上设置有光栅掩膜；动力组件，其驱动所述样品台或所述挡板沿y方向匀速运动；其中，x方向和y方向为水平面上相互垂直的方向；所述动力组件驱动所述样品与所述通孔在y方向发生相对移动，所述离子束经所述通孔在样品上刻蚀出槽深渐变的光栅。其能够刻蚀衍射效率渐变的光栅，精度高，便于实施。

Description

一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置和制备方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置和制备方法。

背景技术

头盔显示器和眼镜镜片集成显示器近年发展十分迅速，特别是在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)显示中应用越来越多。这类显示器需要将图形由微型图像源耦合到显示镜片上，波导光栅耦合器起到了至关重要的作用。光栅耦合器利用了光的衍射，将一部分光导向人眼方向，其余大部分光继续沿着波导传输，因而光线能够充满整个视场。目前，大部分的光栅耦合器是由均匀槽深的光栅线条组成，衍射效率相对均匀，但是这就导致沿着光波导传输路径耦合出射光的能量呈现指数衰减的趋势，即出射光并不均匀。反过来理解，如果需要得到均匀的出射光分布，就要求光栅耦合器的衍射效率呈现非均匀的分布，也就是光栅沿传播方向应该具有非均匀的槽深。

1993年，Keith A Bates等人在Applied Optics杂志第32卷第12期发表论文，阐述了一种变槽深光栅的制造方法。如图1所示，为该制造方法的原理示意图。其中，在光栅掩膜20的上侧同一高度设置有第一挡板60和第二挡板61，而第一挡板60固定设置，第二挡板61相对于第一挡板水平运动，而第一挡板60与第二挡板61间具有缝隙，离子束透过缝隙对光栅进行刻蚀。而随着第二挡板相对于第一挡板移动，缝隙逐渐变大，这就使得光栅的各个区域接收离子束刻蚀的时间不一样。如图1所示，当第二挡板向右移动时，位于缝隙下侧的光栅，相对于右侧区域，其光栅左侧区域的离子束刻蚀时间长，这就使得该处的光栅槽深大，而光栅右侧区域，其离子束刻蚀时间短，这就使得该处的光栅槽深浅。如此，通过控制第二挡板的移动速度，可以控制光栅的槽深，得到变槽深的光栅耦合器。

上述的变槽深的光栅耦合器制作方法，是通过控制第二挡板的速度来实现。然而，为了制作这种变槽深的光栅耦合器，通常需要控制第二挡板做变速运动。而光栅具有微纳结构，位于光栅掩膜上侧的挡板的变速运动的控制方法复杂，需要专门的控制机构和程序来实现，且重复率不高，实验的精度也较差，这就导致最终的成品的良率较低；此外，由于该方案中，运动中需要考虑两个挡板的相对位置关系，第一挡板和第二挡板会出现的错位、偏离等问题，这就极大的影响了实验精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置和制备方法，其能够刻蚀衍射效率渐变的光栅，精度高，便于实施。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置，包括：

离子束发生器，其发出离子束以刻蚀光栅；

挡板，其位于所述离子束发生器的下侧，所述挡板上开设有通孔；沿x方向，所述通孔在y方向的宽度渐变；

样品台，其位于所述挡板下侧，所述样品台用于放置样品，所述样品为光栅基板，所述光栅基板上设置有光栅掩膜；

动力组件，其驱动所述样品台或所述挡板沿y方向匀速运动；

其中，x方向和y方向为水平面上相互垂直的方向；所述动力组件驱动所述样品与所述通孔在y方向发生相对移动，所述离子束经所述通孔在样品上刻蚀出槽深渐变的光栅。

作为优选的，所述通孔呈y(x)＝γ.f[η(x)]分布；其中，η(x)为光栅沿x方向的光栅耦合器效率函数；f为光栅耦合器效率与槽深的函数，即d＝f(η),其中，d为槽深；γ为一个常系数，代表单位槽深对应需要的挡板开口宽度；η(x)满足方程

其中k为小于1的常数，k大于0。

作为优选的，所述挡板上的通孔由湿法腐蚀法制备。

作为优选的，所述挡板为不锈钢材质。

作为优选的，所述挡板与所述样品台平行设置。

作为优选的，所述离子束垂直入射或倾斜入射到所述挡板上。

本发明公开了一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备方法，基于上述的光栅耦合器制备装置，包括以下步骤：

步骤一、将所述挡板固定，在所述样品台上样品；

步骤二、所述动力组件驱动所述样品台沿y方向匀速移动，所述离子束经所述通孔对样品进行刻蚀操作。

本发明的有益效果：

1、本发明通过将光栅耦合器的槽深转换为通孔的形状，而通孔的形状方便设计和加工，这使得最终获得的光栅耦合器的精度更高。

2、本发明中运动组件带动样品台或挡板做匀速运动，而背景技术中为变速运动，匀速运动比变速运动的控制要简单，控制精度高，更易实施。

3、本发明中挡板只有一件，更便于安装和固定，提高了刻蚀精度。

4、本发明方法简单，成本较低。

附图说明

图1为背景技术中的光栅耦合器的制作方法示意图；

图2为本发明的衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置结构示意图；

图3为本发明的挡板的结构示意图；

图4为挡板上的通孔在x轴与y轴之间的关系示意图。

图中标号说明：10、光栅基材；20、光栅掩膜；30、挡板；31、通孔；40、粒子束发生器；50、样品台；60、第一挡板；61、第二挡板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图2所示，本发明公开了一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置，包括离子束发生器40、挡板30、样品台50和动力组件。

离子束发生器40，其发出离子束以刻蚀光栅。

挡板30，其位于离子束发生器40的下侧，挡板30上开设有通孔31；沿x方向，通孔在y方向的宽度渐变。

样品台50，其位于挡板30下侧，样品台50用于放置样品，样品为光栅基板10，光栅基板10上设置有光栅掩膜。

动力组件，其驱动样品台50或挡板30沿y方向匀速运动。动力组件可选用直线电机。

其中，x方向和y方向为水平面上相互垂直的方向；动力组件驱动样品与通孔在y方向发生相对移动，离子束经通孔在样品上刻蚀出槽深渐变的光栅。

本发明的原理在于：由于挡板的通孔形状的限制，在x方向上的不同位置处受到的离子束轰击时间不同，因而在样品上留下不同的刻蚀槽深。通过更换挡板，加工不同的挡板开口图案，可以获得不同的槽深分布。如图3所示，为挡板结构示意图，沿x方向，通孔的y向宽度渐变，可以用函数y(x)来描述。

挡板上的通孔由湿法腐蚀法等精密加工方法产生。挡板为不锈钢材质或者其他能够挡住离子束的薄片。

本发明中，挡板与样品台平行设置。离子束即可垂直入射到挡板上，也可倾斜入射到挡板上。

在本发明的一实施例中，设入射光强为I(x)，光栅耦合器效率函数为η(x)，则衍射光强为η(x)·I(x)，出射光强为I(x+Δx)，

那么，I(x)-I(x+Δx)＝η(x)·I(x)，所以，I(x+Δx)-I(x)＝-η(x)·I(x)；

当Δx→0时，

积分得到

则

C为常数；

当x＝0时，令I(0)＝1，(归一化光强)，如此可得：C＝0；

所以：

要得到均匀的衍射光强，则：

(k为常数)。

因此，要使光栅耦合器获得均匀分布的衍射光强分布，则沿x方向的光栅耦合器效率函数η(x)应该满足以下方程：

其中，K为小于1的常数，k大于0，代表了衍射出射光的光强。求解上述函数方程可得到η(x)，获得沿x方向的光栅耦合器效率函数。

另外，通过光栅的衍射效率仿真计算，可以确定衍射效率与槽深的关系d＝f(η)。光栅的衍射效率仿真有专业的软件，如Gsolver，实际上我们可以反过来计算，即设定光栅槽深为d₀，用软件计算得到效率η₀,在改变光栅槽深为d₁,d₂,…,d_n，用软件计算各自的效率η₁,η₂,…,η_n，这样可以拟合出一条曲线d＝f(η)，其中d为槽深。

而由于η(x)通过解方程确定了，光栅衍射效率与槽深的关系d＝f(η)，那么对于任意一个效率η，它对应的槽深度就是f(η)；本领域技术人员所知的现有技术中，槽深和刻蚀时间成正比，而刻蚀时间又和挡板上开口的宽度成正比，如此可以确定通孔的图像曲线y(x)＝γ·f[η(x)]，其中γ为一个常数系数，γ代表单位槽深对应需要的挡板开口宽度。

如图4所示为挡板上的通孔在x轴与y轴之间的关系示意图。其中Wx代表光栅耦合器在x方向上的宽度。

在另一实施例中，本发明还公开了一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备方法，基于上述的光栅耦合器制备装置，包括以下步骤：

步骤一、将挡板固定，在样品台上样品；

步骤二、动力组件驱动样品台沿y方向匀速移动，离子束经通孔对样品进行刻蚀操作。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备装置，其特征在于，包括：

离子束发生器，其发出离子束以刻蚀光栅；

挡板，其位于所述离子束发生器的下侧，所述挡板上开设有通孔；沿x方向，所述通孔在y方向的宽度渐变；

样品台，其位于所述挡板下侧，所述样品台用于放置样品，所述样品为光栅基板，所述光栅基板上设置有光栅掩膜；

动力组件，其驱动所述样品台或所述挡板沿y方向匀速运动；

其中，x方向和y方向为水平面上相互垂直的方向；所述动力组件驱动所述样品与所述通孔在y方向发生相对移动，所述离子束经所述通孔在样品上刻蚀出槽深渐变的光栅；所述通孔呈y(x)＝γ.f[η(x)]分布；其中，η(x)为光栅沿x方向的光栅耦合器效率函数；f为光栅耦合器效率与槽深的函数，即d＝f(η),其中，d为槽深；γ为一个常系数，代表单位槽深对应需要的挡板开口宽度；η(x)满足方程

其中k为小于1的常数，k大于0。

2.如权利要求1所述的光栅耦合器制备装置，其特征在于，所述挡板上的通孔由湿法腐蚀法制备。

3.如权利要求1所述的光栅耦合器制备装置，其特征在于，所述挡板为不锈钢材质。

4.如权利要求1所述的光栅耦合器制备装置，其特征在于，所述挡板与所述样品台平行设置。

5.如权利要求1所述的光栅耦合器制备装置，其特征在于，所述离子束垂直入射或倾斜入射到所述挡板上。

6.一种衍射效率渐变的光栅耦合器制备方法，基于权利要求1-5任一项所述的光栅耦合器制备装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述挡板固定，在所述样品台上样品；

步骤二、所述动力组件驱动所述样品台沿y方向匀速移动，所述离子束经所述通孔对样品进行刻蚀操作。

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