矩形孔單級衍射光柵制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種矩形孔單級衍射光柵，光柵由規(guī)則透光矩形孔基元在不透光基底二維方向周期性重復(fù)排列而成，光柵的基元矩形孔長寬比為3：2，矩形孔的長邊與一維的軸線方向成45°夾角，同一維相鄰的兩個矩形孔對角線交點間的距離與矩形孔長邊邊長的比例為。與現(xiàn)有光柵比，本發(fā)明專利技術(shù)的單級衍射光柵能有效抑制高級衍射，能夠消除2n、3n級衍射（n為非零整數(shù)），能將5級及更高級衍射抑制到1級衍射的0.16%及以下的水平。本發(fā)明專利技術(shù)的單級衍射光柵能夠?qū)崿F(xiàn)自支撐，有較高的衍射效率，具有二值化特征，規(guī)則的矩形孔基元規(guī)則排布，使得光柵易于制作、易于在實際中推廣應(yīng)用。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
矩形孔單級衍射光柵
本專利技術(shù)涉及衍射光柵領(lǐng)域，具體涉及一種由矩形孔透光/反光基元構(gòu)成的二維規(guī)則排布的單級衍射光柵。
技術(shù)介紹
光柵自18世紀80年代被發(fā)現(xiàn)以來，被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各個領(lǐng)域。大家主要應(yīng)用光柵作為譜儀的核心元件來獲取光譜，或者應(yīng)用光柵作為單色器的核心元件獲得單色光束，從而再進一步獲取更多信息。現(xiàn)有的光柵有透射式和反射式兩大類，細分又有平面光柵和凹面光柵、等間距光柵和變線距光柵、閃耀光柵、全息光柵、多層膜光柵等。晶體的內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成周期性重復(fù)排列，因此是一種天然的光柵，常用于X射線的衍射。根據(jù)光柵方程和布拉格方程，上述光柵都有多級衍射的特性，在實際應(yīng)用時，往往只有衍射的某一級次是真正需要的，其余的高級衍射會對所測光譜造成污染，帶來誤差，也會使單色光束遭受高次諧波的污染。正弦光柵能實現(xiàn)可見光及波長更長電磁波的單級衍射，但是由于X射線穿透物質(zhì)時既有振幅衰減，又有相位變化，因此正弦光柵也不能實現(xiàn)X射線短波波段的單級衍射。為擺脫光柵高級衍射的問題，2002年，中國工程物理研究院曹磊峰在其博士論文《非相干全息成像技術(shù)和透射光柵譜學(xué)》中提出了譜學(xué)光子篩，這種新的光學(xué)元件可以較好地抑制高級衍射。2004年，中國工程物理研究院激光聚變研究中心提交了名稱為《量子點陣衍射光柵》的專利技術(shù)專利申請（申請?zhí)枮?00410081499.X），量子點陣光柵可以較好地遏制高級衍射現(xiàn)象的發(fā)生。2006年，中國工程物理研究院激光聚變研究中心提交了名為《“之”字形衍射光柵》的專利技術(shù)專利申請（申請?zhí)枮?00610022736.4），“之”字形光柵的衍射模式在其對稱軸上不存在高級衍射。在制作加工時，譜學(xué)光子篩和量子點陣光柵均不能實現(xiàn)自支撐，也難以實現(xiàn)真空紫外到X光波段的應(yīng)用，并且光柵結(jié)構(gòu)基元在基底分布的隨機和離散性使得電子束寫入設(shè)備工作效率低，難以制作大面積的短波波段的譜學(xué)光子篩和量子點陣光柵掩模。“之”字形光柵能夠?qū)崿F(xiàn)自支撐，雖然“之”字形光柵能在對稱軸上實現(xiàn)單級衍射，但是其離軸較近的方向仍然存在許多較高亮度的高級衍射點，這些高級衍射點會在實際應(yīng)用時帶來一定干擾。綜上，現(xiàn)有的單級衍射光柵存在不能實現(xiàn)自支撐、難于制作、難以實現(xiàn)X射線波段應(yīng)用等問題。為了克服上述問題，本專利技術(shù)旨在提供一種既能實現(xiàn)自支撐、又便于實際加工制作、同時又有較高的一級絕對衍射效率的單級衍射光柵，特別是能實現(xiàn)光柵在X射線波段的實際應(yīng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的一種矩形孔單級衍射光柵，其特征是衍射光柵由規(guī)則矩形孔基元在基底二維方向周期性重復(fù)排列而成，光柵的基元矩形孔長寬比為3：2，矩形孔的長邊與一維的軸線方向成45°夾角，同一維相鄰的兩個矩形孔對角線交點間的距離與矩形孔長邊邊長的比例為。本專利技術(shù)的光柵是透射式光柵。本專利技術(shù)的光柵是反射式光柵。本專利技術(shù)的光柵的基底表面為平面或曲面。本專利技術(shù)的光柵適用于可見光、紫外光、X射線等各個電磁波段。本專利技術(shù)的光柵的基元尺寸可為亞微米量級，也可為微米量級及以上。本專利技術(shù)的光柵可以轉(zhuǎn)印為反光柵，也可以復(fù)制為復(fù)制光柵。與現(xiàn)有普通光柵相比，本專利技術(shù)光柵能有效抑制高級衍射，能有效改善高級衍射污染，提高光譜的純度和精度，提高單色光束的純度。與現(xiàn)有單級衍射光柵相比，本光柵最大的優(yōu)勢在于：1、能實現(xiàn)自支撐；2、基元為規(guī)則的矩形，規(guī)則的基元在基底周期性重復(fù)排列，大大提高了制作光柵掩模的效率和面積，降低了加工難度，易于實現(xiàn)制作X射線波段的光柵（例如制作1000線/毫米的X射線光柵，則最小的尺寸為471nm）；3、有較高的一級絕對衍射效率，計算機模擬與理論推導(dǎo)表明，遠場衍射時，本專利技術(shù)光柵（透射式）一級絕對衍射效率高于3%；4、更易于實際推廣應(yīng)用，特別是真空紫外到軟X射線波段。附圖說明圖1為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的矩形孔基元及其尺寸比例示意圖；圖3為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的計算機模擬衍射斑點圖；圖4為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的計算機模擬衍射軸線圖（對數(shù)坐標）；圖5和圖6為占空比為1/3的普通光柵計算機模擬衍射軸線圖（圖5）與本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的計算機模擬衍射軸線圖（圖6）的對比圖；圖7為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵不同入射波長的計算機模擬衍射軸線圖；圖8為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的透射式平面光柵制作流程圖；圖9為本專利技術(shù)所述矩形孔單級衍射光柵的反射式平面光柵制作流程圖。具體實施方式實施例1X射線波段透射式平面矩形孔單級衍射光柵的制備下面結(jié)合附圖具體說明適用于軟X射線波段1000線/毫米透射式平面矩形孔單級衍射光柵的制備過程，以及本專利技術(shù)的矩形孔單級衍射光柵的衍射效果的計算機模擬結(jié)果以及與普通光柵衍射效果的對比。a：確定光柵基元尺寸軟X射線波長為幾納米到幾十納米，故選取光柵常數(shù)d=1um，光柵線密度為1000線/毫米，則透射矩形孔基元長為=707nm，寬=471nm；b：將如圖1所示結(jié)構(gòu)的光柵按照步驟a中的尺寸轉(zhuǎn)化為LEDIT格式文件；c：在雙面拋光的（100）晶面的硅片上鍍一層金膜，然后涂上一層光刻膠，對硅片基底開孔，形成一塊鏤空的自支撐金薄膜；d：利用數(shù)控聚焦電子束光刻設(shè)備，由步驟b中產(chǎn)生的LEDIT文件控制，將如圖1所示結(jié)構(gòu)的二元周期性矩形孔光子篩圖形在步驟c產(chǎn)生的薄膜上進行電子束曝光，然后利用顯影液和定影液進行顯影，得到光柵光刻膠圖形；e：利用刻蝕溶液對顯影區(qū)域的金膜進行恰當時間的化學(xué)腐蝕，在顯影區(qū)形成通孔；f：去除光刻膠，即得到適用于軟X射線波段1000線/毫米透射式平面矩形孔單級衍射光柵，也可將此光柵作為X射線曝光的掩模板。圖8是透射式平面光柵制作流程圖，與步驟c、步驟d、步驟e、步驟f相對應(yīng)。為更好地說明本專利技術(shù)的矩形孔單級衍射光柵的單級衍射作用，以下對本專利技術(shù)的光柵的衍射特性進行計算機模擬，同時將結(jié)果與同參數(shù)的普通光柵進行對比。模擬的光柵參數(shù)如本實施例步驟a所述，普通光柵線密度為1000線/毫米，占空比為1/3，光柵尺寸為50um×50um，接收屏距光柵1米，入射方式為正入射，入射光波長為5nm，模擬結(jié)果參考圖3、圖4、圖5和圖6。圖3為本專利技術(shù)光柵的衍射斑點圖。圖4為本專利技術(shù)的光柵衍射的水平軸上的衍射光強分布（對數(shù)坐標），可以看出，本專利技術(shù)的矩形孔單級衍射光柵在軸上可以消除2n、3n級衍射（n為非零整數(shù)），能將5級及更高級衍射抑制到1級衍射的0.16%及以下的水平。圖5是普通光柵衍射的水平軸上的衍射光強分布圖，圖6是本專利技術(shù)的光柵衍射的水平軸上的衍射光強分布（線性坐標），對比圖5和圖6，更能體現(xiàn)本專利技術(shù)的光柵的單級衍射特性。實施例2X射線光刻復(fù)制光柵的制備a：同實施例1中步驟c；b：將實施例1中產(chǎn)生的掩模板作為曝光原圖，在本實施例步驟a產(chǎn)生的薄膜上進行X射線曝光；c：同實施例1中步驟e；d：去除光刻膠，得到射式平面矩形孔單級衍射光柵復(fù)制光柵。實施例3反光柵的制備a：通過轉(zhuǎn)印的方式，采用與實施例1或者實施例2相同的硅片、金膜和光刻膠材料，在金膜下加一層透光的基底作為支撐，制作與實施例1或者實施例2相反的圖形結(jié)構(gòu)，即可制成透射式平面矩形孔單級衍射光柵的反光柵，反光柵的衍射模式與實施例1或者實施例2的衍射模式相同。實施例4X射線反射式平面矩形孔單級衍射光柵的制備下面結(jié)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種矩形孔單級衍射光柵，其特征在于：所述光柵由規(guī)則矩形孔基元在基底二維方向周期性重復(fù)排列而成，光柵的基元矩形孔長寬比為3：2，矩形孔的長邊與一維的軸線方向成45°夾角，同一維相鄰的兩個矩形孔對角線交點間的距離與矩形孔長邊邊長的比例為。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種矩形孔單級衍射光柵，其特征在于：所述光柵由規(guī)則矩形孔基元在基底二維方向周期性重復(fù)排列而成，光柵的基元矩形孔長寬比為3：2，矩形孔的長邊與一維的軸線方向成45°夾角，同一維相鄰的兩個矩形孔對角線交點間的距離與矩形孔長邊邊長的比例為。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級衍射光柵，其特征在于：所述基元間距為亞微米量級。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級衍射光柵，其特征在于：所述基元間距為微米量級及以上。4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一所述的單級衍射光柵，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曹磊峰，劉鈺薇，魏來，楊祖華，
申請(專利權(quán))人：中國工程物理研究院激光聚變研究中心，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51