第四講：衍射光柵及制作技術(shù)課件

1、衍射光柵及其制作技術(shù)簡介2008. 4. 21.衍射光柵及其制作技術(shù)簡介2008. 4. 21.一. 引言二. 光柵制作技術(shù)簡介三. 幾種其它光柵元件2.一. 引言2.一. 引言3.一. 引言3.什么是衍射光柵 任何具有空間周期性的衍射屏都可以叫做衍射光柵。 衍射元件的重復(fù)陣列能夠使一個(gè)出射波的位相、振幅或兩者都產(chǎn)生周期性的交替變化，這種重復(fù)陣列叫做衍射光柵。4.什么是衍射光柵4.例如： 人為加工的具有周期性的線、縫、槽等器件 光學(xué)性質(zhì)（如折射率）周期變化的器件 天然的材料（晶體） 5.例如：5.6.6. 衍射光柵被廣泛地應(yīng)用于科研和生產(chǎn)，特別在光譜學(xué)、光通訊、光信息處理等許多領(lǐng)域都有著十分重

2、要的應(yīng)用。7. 衍射光柵被廣泛地應(yīng)用于科研和生產(chǎn)，特別在光譜2光柵的分類光柵種類很多，按特性分類如下： 光譜光柵 光纖光柵 計(jì)量光柵 按用途分類 耦合光柵 微波光柵 輻射光柵 偏振光柵8.2光柵的分類光柵種類很多，按特性分類如下：8.按面型分類: 平面光柵 球面光柵 凹面光柵 柱面光柵 非球面光柵 橢球面光柵 超環(huán)面光柵9.按面型分類:9. 透射光柵 按工作原理分類 反射光柵 正弦光柵 按槽型分類 矩形光柵 鋸齒形光柵（階梯光柵）振幅型位相型振幅型位相型10.振幅型振幅型10. 遠(yuǎn)紅外光柵 紅外光柵 按工作波段分類 紫外光柵 真空紫外光柵 X射線光柵 機(jī)械刻劃光柵 按制造方法分類 全息光柵 全

3、息離子束刻蝕光柵 復(fù)制光柵11. 3. 光柵的衍射光強(qiáng)分布單縫衍射因子多光束干涉因子I12.3. 光柵的衍射光強(qiáng)分布單縫衍射因子多光束干涉因子I12. 單縫衍射: II1245-1-2-4-5多光束干涉：缺級缺級-22-1-212I013. 單縫衍射: II1245-1-2-4-5多光束干涉：缺缺-4. 光柵方程 d(sini sink)=k (k=0, 1, 2 )12光柵衍射原理示意圖d14.4. 光柵方程 d(sini 光柵衍射譜非連續(xù)光譜1級光譜2級光譜-1級光譜-2級光譜中央明紋1級光譜2級光譜-1級光譜-2級光譜中央明紋連續(xù)光譜15.光柵衍射譜非連續(xù)光譜1級光譜2級光譜-1級光譜-

4、2級光譜中央從光柵方程可以看出：（1）d/2；（2）i 不變，在不同的衍射方向上的光波長不同； （3）k不變，改變i ，同樣可以得到不同的波長輸出。 （4）I+k 不變，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵時(shí)，同樣可以得到不同的波 長輸出。（單色儀）（5）存在衍射級次重疊問題d(sini sink)=k16.從光柵方程可以看出：d(sini sink)=k15. 光柵的分辨本領(lǐng)kNA=D=ll整塊光柵的刻線總數(shù)17.5. 光柵的分辨本領(lǐng)kNA=D=ll整塊光柵的刻線總數(shù)17.二. 光柵制作技術(shù)簡介18.二. 光柵制作技術(shù)簡介18.機(jī)械刻劃紫外光刻全息光刻 光柵的制作技術(shù)19.機(jī)械刻劃 光柵的制作技術(shù)19.1機(jī)械刻劃法 機(jī)

5、械刻劃法制造光柵是在光柵刻劃機(jī)上進(jìn)行。用金剛石刻刀在光柵基底上的金屬膜（一般多為鋁膜）上刻劃，實(shí)際上是金剛石刻刀在膜層上擠壓或摩擦拋光的過程。20.1機(jī)械刻劃法 機(jī)械刻劃法制造光柵是在光柵刻劃光柵刻劃機(jī)21.光柵刻劃機(jī)21.工藝流程：機(jī)械刻劃法多用來制造反射式閃耀光柵。22.工藝流程：機(jī)械刻劃法多用來制造反射式閃耀光柵。22.機(jī)械刻劃法的特點(diǎn)： 閃耀角由刻刀形狀決定 光柵衍射效率高 有鬼線 雜散光較強(qiáng) 制作效率低23.機(jī)械刻劃法的特點(diǎn)： 閃耀角由刻刀形狀決定23.3全息光刻（全息照相法） 六十年代初，有了激光。1967年Rudolgh和Schmahl提出用氬離子激光的干涉、光刻膠作為記錄材料來

6、制造光柵，首次證實(shí)了用全息照相法制造的光柵-全息光柵具有良好的光譜學(xué)性能。1970年法國J-Y公司已經(jīng)制成了用于可見、紫外和X射線波段的多種全息光柵，并已開始商品化。 全息光柵槽型一般為正弦形，可以通過實(shí)驗(yàn)條件控制得到其它形狀的槽形。24.3全息光刻（全息照相法） 六十年代初，有了激25.25.美國LLNL制作的鍍金全息光柵，尺寸940mm26.美國LLNL制作的鍍金全息光柵，尺寸940mm26.27.27.全息光柵的特點(diǎn)： 無鬼線 雜散光水平低 衍射效率較刻劃光柵低 制作效率高28.全息光柵的特點(diǎn)： 無鬼線28.全息光柵的制造原理 兩相干的平行光束以一定的夾角疊加在一起時(shí)，在疊加區(qū)形成等間距

7、的干涉條紋，把干涉條紋記錄在基片上的光刻膠上，經(jīng)顯影處理后，便成為全息光柵。29.全息光柵的制造原理 兩相干的平行光束以一定的夾干涉條紋間距（即光柵常數(shù)）：d=/2nsin 可以看出： A. 改變、n、均可改變光柵常數(shù) B. 、n、不可能任意改變30.干涉條紋間距（即光柵常數(shù)）：d=/2nsin30. 產(chǎn)生雙光束干涉條紋的光學(xué)系統(tǒng) 分波前系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng) 分振幅系統(tǒng)31. 產(chǎn)生雙光束干涉條紋的光學(xué)系統(tǒng) 32.32.Kr+ laser透鏡反射鏡空間濾波器光柵基片光刻膠反射鏡33.Kr+ laser透鏡反射鏡空間濾波器光柵基片光刻膠反射鏡3美國LLNL制作940mm全息光柵的光學(xué)系統(tǒng)34.美國LLN

8、L制作940mm全息光柵的光學(xué)系統(tǒng)34.35.35.36.36.37.37.光柵線密度紅外波段：300600線/mm可見波段： 600線/mm紫外波段：12002400線/mm實(shí)用線密度最高可達(dá)：10000線/mm38.光柵線密度38.全息-離子束刻蝕光柵39.全息-離子束刻蝕光柵39.工藝流程基板準(zhǔn)備涂膠曝光顯影離子束刻蝕清潔處理40.工藝流程基板準(zhǔn)備涂膠曝光顯影離子束刻蝕清潔處理40.全息-離子束刻蝕閃耀光柵41.全息-離子束刻蝕閃耀光柵41.離子束閃耀角42.離子束閃耀角42.光刻膠光柵條紋截面形狀需要嚴(yán)格控制h=0.7326dtg離子束刻蝕對光刻膠光柵掩模圖形的要求MNo43.光刻膠光

9、柵條紋截面形狀需要嚴(yán)格控制離子束刻蝕對光刻膠光柵掩模光柵條紋浮雕輪廓與曝光量的關(guān)系44.光柵條紋浮雕輪廓與曝光量的關(guān)系44.光柵條紋浮雕輪廓與顯影時(shí)間的關(guān)系45.光柵條紋浮雕輪廓與顯影時(shí)間的關(guān)系45.46.46.80線/mm閃耀光柵閃耀波長：10.6 m，閃耀角25 采用全息-離子束刻蝕技術(shù)在光學(xué)基板上刻蝕的鋸齒槽形紅外閃耀光柵。47.80線/mm閃耀光柵閃耀波長：10.6 m，閃耀角25 600線/mm閃耀光柵閃耀波長：458 nm閃耀角：7.9 采用全息-離子束刻蝕技術(shù)在光學(xué)基板上刻蝕出鋸齒槽形的閃耀光柵。48.600線/mm閃耀光柵閃耀波長：458 nm 采用全息有效面積：30mm50m

10、m閃耀波長：130 nm閃耀角：4.51200線/mm真空紫外閃耀光柵 采用全息-離子束刻蝕技術(shù)在熔石英基板上刻蝕出鋸齒槽形的閃耀光柵，2000年開始在合肥同步輻射光化學(xué)光束線上使用，替代了進(jìn)口產(chǎn)品。原子力顯微圖片49.有效面積：30mm50mm1200線/mm真空紫外閃耀光柵50.50.不同方法制備的光柵的特點(diǎn)比較機(jī)械刻劃全息光刻全息-離子束刻蝕衍射效率高低高雜散光水平強(qiáng)弱弱鬼 線有無無能否閃耀能否能制作效率低高高制作方法主要性能51.不同方法制備的光柵的特點(diǎn)比較機(jī)械刻劃全息光刻全息-離子束刻蝕 三.幾種其它光柵元件52. 三.幾種其它光柵元件52.1.軟X射線Laminar光柵53.1.軟X射線Laminar光柵53. Laminar（或lamellar）光柵是一種位相光柵，作為色散元件主要用于真空紫外及軟X射線波段。其特點(diǎn)是截面為淺槽矩形輪廓，光柵條和槽對衍射強(qiáng)度（效率）都有貢獻(xiàn)。 通過選擇合適的槽深、入射角，能引起光柵條和槽的衍射在零級發(fā)生干涉相消。54. Laminar（或lamellar）光柵是一Laminar光柵槽形結(jié)構(gòu)示意圖55.Laminar光柵槽形結(jié)構(gòu)示意圖55.陰影效應(yīng)示意圖D56.陰影效應(yīng)示意圖D56.光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系57.光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系57.反應(yīng)離子刻蝕離子束刻蝕去除殘留光