CN1137396C - 全息光栅制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种全息光栅制作方法，采用激光扫描的方法，利用单光束与它在材料表面形成的表面扩散波干涉的原理，在材料表面形成直线型的沟槽结构，制作可变间距、可变深度的全息光栅，将选用的光栅材料清洗切割后，放到一个由计算机控制的移动平台上进行激光步进式线扫描，通过调节扫描的脉冲宽度、频率、入射角度、功率密度等工艺参数，在材料表面上得到规整的沟槽结构。本发明工艺简单，容易控制，材料可选范围较大，便于根据实际用途灵活选用，从而进一步控制成本。
Description
技术领域：
本发明涉及一种全息光栅制作方法，采用激光扫描的方法，利用单光束在材料表面的扩散波干涉的原理，制作可变光栅频率、可变深度的全息光栅。属于集成光学，光学器件制造技术领域。
背景技术
光栅作为一种重要的器件，越来越广泛地被应用于耦合器、波导、转换器等用途，在当今的集成光学研究和各种光学测量仪器中，全息光栅更是常见的部件。
制作光栅的传统方法是机刻法，即用刻纹机在光栅材料(半导体、晶体、塑料、玻璃等)表面刻出一条一条的沟槽，这种方法对刻纹机的精度提出了很高的要求，几乎达到了机械加工的极限精度，因此设备昂贵而且工作效率低下，又无法生产高频光栅。
光刻法是新涌现出来的方法。一般是利用全息光刻法或激光干涉法进行工作。但是用这两种方法生产出来的光栅频率不会超过2400线/毫米，并且工艺中步骤很多，产生缺陷的可能性很大。
在专利US5668047中就使用了全息光刻系统，先在半导体基底材料的表面涂上一层对电子束敏感的光刻胶，然后用一束半径一定、剂量可调的电子照射该表面不同的位置，接下来用氯气进行干法刻蚀，将光刻胶形成的图形作为掩模版，将图形转移到半导体基底材料的表面上，同时对光刻胶进行灰化处理，得到沟槽深度、间距在不同部位不同的光栅。这种方法的问题在于设备比较复杂，需要真空设备，更重要的是用电子束刻蚀速度很慢，因此其使用有很大的局限性。
在专利EP1035424中利用了激光干涉系统。先在基底材料上形成一层由金属醇盐和β二酮组成的溶液，调节溶液的组成使金属醇盐水解，变成溶胶，加热使溶胶凝胶化，再用两束相干光形成干涉纹样，照射到凝胶上令其固化，干燥后即得所需要的光栅。这个过程实际上是先在基底材料表面上进行一次溶胶凝胶反应，然后用相干光源照射，实际操作起来难度很大，不容易控制。这种方法也不适用于制备集成光路中所需的局部光栅。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的全息光栅制作方法，采用激光扫描方法，利用单光束与它在材料表面形成的表面扩散波干涉的原理，在材料表面形成直线型的沟槽结构，制作可变间距、可变深度的全息光栅，同时简化工艺流程，减少设备投资。
本发明的技术方案中，所选用的光栅材料可以是半导体、聚合物、晶体、玻璃等，可以根据具体的使用要求灵活选用。
先将光栅材料清洗、切割成所需的形状，固定在一个由计算机程序控制的移动平台上，使入射的激光与材料的被照射表面成一定的夹角。在计算机程序的控制下，随着移动平台在平面内的运动，光束在材料表面做步进式线扫描。通过调节扫描的的工艺参数，包括：激光束的波长、脉冲宽度、脉冲频率、入射光束的入射角度、功率密度、以及平台移动方向和速率，可以在材料的表面上得到规整的沟槽结构。
激光波长根据选用的材料的吸收决定，脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，入射角度为20°，入射光束功率密度为5～30mJ/cm2，X-Y轴的移动速率为0.005～5mm/s。
本发明工艺简单，容易控制，成功率高；材料可选范围较大，便于根据实际用途灵活选用，从而控制成本；制得的全息光栅沟槽间距为200～500nm的光栅，线密度可高达5000线/毫米，并且线密度、深度可以调节、控制。
附图说明：
图1为本发明的操作流程图。
如图所示，在进行材料清洗、切割后，将材料固定在一个移动平台上，在计算机程序的控制下对其进行激光照射、扫描，然后经表面清理、组装后，镀上金属膜得成品。
图2为本发明所使用的激光扫描装置结构示意图。
如图所示，本发明采用低能量的偏振激光，激光器1连接变频器2和起偏器3，从激光器1发出的激光经过变频、起偏处理，变换到适宜的频率和偏振态后，经反射镜4反射到材料5表面，被照射材料5固定在一个可以倾斜的平台6上，而倾斜平台6放置在移动平台7上面，在计算机8程序的控制下，可以在X、Y方向上移动。移动平台7连接一个空气压缩机9，压缩空气形成的气垫将移动平台7悬浮在平板10的上方，可实现无摩擦平动。
图3为实施例1得到的沟槽结构的原子力显微镜图像。
图4为实施例2得到的沟槽结构的扫描电子显微镜图像。
图5是实施例3得到的沟槽结构的原子力显微镜图像。
具体实施方式：
以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1：
光栅材料使用聚酰亚胺这种聚合物。二酐选用3，3’，4，4’-四酸二酐二苯酮，二胺选用3，3’-二甲基-4，4’-二氨基二苯甲烷，先制得聚酰亚胺，溶于N-甲基-2-吡咯烷酮中配成溶液，控制固含量在10％左右。将此溶液旋转涂布在清洗干净的玻璃板上，逐级升温使溶剂挥发，在基片上得到厚度约为1微米的聚酰亚胺薄膜。
将该基板放置于激光扫描移动平台上，平台移动方向平行于激光偏振方向，调节激光脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，波长为355nm，入射角度为20°，入射光束功率密度为20mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，移动速率为0.5mm/s，重复扫描次数为5次。从所得的原子力显微镜图像来看，在材料表面生成了非常规整的沟槽结构，完全符合全息光栅的要求。实施例2：
用与实施例1中相同的方法制备聚酰亚胺薄膜，平台移动方向垂直于激光偏振方向，调节激光脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，波长为266nm，入射角度为20°，入射光束功率密度为30mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，移动速率为X方向0.005mm/s，Y方向为5mm/s。同样得到十分规整的表面沟槽结构。
实施例3：
聚合物选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，薄膜的厚度约为0.5mm。将薄膜固定到移动平台上，平台移动方向平行于激光偏振方向，调节脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，波长为248nm，入射角度为20°，入射光束功率密度为5mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，移动速率为0.5mm/s，重复扫描次数为7次。
图3为实施例1得到的沟槽结构的原子力显微镜图像。
从图中可知，实施例1中在聚酰亚胺表面上所得到的表面沟槽间距约为330nm，经测量深度约为90nm；
图4为实施例2得到的沟槽结构的扫描电子显微镜图像。
从图中可知，实施例2中在聚酰亚胺表面上所得到的表面沟槽间距约为200nm，另外经测量沟槽深度约为23nm；
图5是实施例3得到的沟槽结构的原子力显微镜图像。
从图中可知，实施例3中在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面上所得到的表面沟槽间距约为185nm，经测量沟槽深度约为50nm。
Claims (1)
1、一种全息光栅制作方法，其特征在于采用单束激光扫描方法，将选用的光栅材料清洗切割后，放到一个由计算机控制的X-Y两维移动平台上的可调节角度的倾斜平台上进行激光扫描，激光脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，入射角度20°，入射光束功率密度为5～30mJ/cm2，X-Y轴的移动速率为0.005～5mm/s，扫描后经表面清理、组装后，镀上金属膜得成品。
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