第四讲：衍射光栅及制作技术(1)

1衍射光栅及其制作技术简介2008.4.22一.引言二.光栅制作技术简介三.几种其它光栅元件3一.引言41.什么是衍射光栅任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫做衍射光栅。衍射元件的重复阵列能够使一个出射波的位相、振幅或两者都产生周期性的交替变化，这种重复阵列叫做衍射光栅。5例如：•人为加工的具有周期性的线、缝、槽等器件•光学性质（如折射率）周期变化的器件•天然的材料（晶体）67衍射光栅被广泛地应用于科研和生产，特别在光谱学、光通讯、光信息处理等许多领域都有着十分重要的应用。82．光栅的分类光栅种类很多，按特性分类如下：光谱光栅光纤光栅计量光栅按用途分类耦合光栅微波光栅辐射光栅偏振光栅9按面型分类:平面光栅球面光栅凹面光栅柱面光栅非球面光栅椭球面光栅超环面光栅10透射光栅按工作原理分类反射光栅正弦光栅按槽型分类矩形光栅锯齿形光栅（阶梯光栅）振幅型位相型振幅型位相型11远红外光栅红外光栅按工作波段分类紫外光栅真空紫外光栅X射线光栅机械刻划光栅按制造方法分类全息光栅全息—离子束刻蚀光栅复制光栅123.光栅的衍射光强分布202202sin2sinsinIIINI2202sin2sinsinNII单缝衍射因子多光束干涉因子I13单缝衍射:II1245-1-2-4-5多光束干涉：缺级缺级-22-1-212I0144.光栅方程d(sinisink)=k(k=0,1,2)12光栅衍射原理示意图d15光栅衍射谱非连续光谱1级光谱2级光谱-1级光谱-2级光谱中央明纹1级光谱2级光谱-1级光谱-2级光谱中央明纹连续光谱16从光栅方程可以看出：（1）d/2；（2）i不变，在不同的衍射方向上的光波长不同；（3）k不变，改变i，同样可以得到不同的波长输出。（4）I+k不变，转动光栅时，同样可以得到不同的波长输出。（单色仪）（5）存在衍射级次重叠问题d(sinisink)=k175.光栅的分辨本领kNAD整块光栅的刻线总数18二.光栅制作技术简介191.机械刻划2.紫外光刻3.全息光刻光栅的制作技术201．机械刻划法机械刻划法制造光栅是在光栅刻划机上进行。用金刚石刻刀在光栅基底上的金属膜（一般多为铝膜）上刻划，实际上是金刚石刻刀在膜层上挤压或摩擦抛光的过程。21光栅刻划机22工艺流程：机械刻划法多用来制造反射式闪耀光栅。23机械刻划法的特点：•闪耀角由刻刀形状决定•光栅衍射效率高•有鬼线•杂散光较强•制作效率低243．全息光刻（全息照相法）六十年代初，有了激光。1967年Rudolgh和Schmahl提出用氩离子激光的干涉、光刻胶作为记录材料来制造光栅，首次证实了用全息照相法制造的光栅----全息光栅具有良好的光谱学性能。1970年法国J-Y公司已经制成了用于可见、紫外和X射线波段的多种全息光栅，并已开始商品化。全息光栅槽型一般为正弦形，可以通过实验条件控制得到其它形状的槽形。2526美国LLNL制作的镀金全息光栅，尺寸940mm2728全息光栅的特点：•无鬼线•杂散光水平低•衍射效率较刻划光栅低•制作效率高29全息光栅的制造原理两相干的平行光束以一定的夹角叠加在一起时，在叠加区形成等间距的干涉条纹，把干涉条纹记录在基片上的光刻胶上，经显影处理后，便成为全息光栅。30干涉条纹间距（即光栅常数）：d=/2nsin可以看出：A.改变、n、均可改变光栅常数B.、n、不可能任意改变31产生双光束干涉条纹的光学系统分波前系统光学系统分振幅系统3233Kr+laser透镜反射镜空间滤波器光栅基片光刻胶反射镜34美国LLNL制作940mm全息光栅的光学系统35363738光栅线密度红外波段：300～600线/mm可见波段：600线/mm紫外波段：1200～2400线/mm实用线密度最高可达：10000线/mm39全息-离子束刻蚀光栅40工艺流程基板准备涂胶曝光显影离子束刻蚀清洁处理41全息-离子束刻蚀闪耀光栅42离子束闪耀角43光刻胶光栅条纹截面形状需要严格控制h=0.7326dtg离子束刻蚀对光刻胶光栅掩模图形的要求MNo44光栅条纹浮雕轮廓与曝光量的关系45光栅条纹浮雕轮廓与显影时间的关系464780线/mm闪耀光栅闪耀波长：10.6m，闪耀角25采用全息-离子束刻蚀技术在光学基板上刻蚀的锯齿槽形红外闪耀光栅。48600线/mm闪耀光栅闪耀波长：458nm闪耀角：7.9采用全息-离子束刻蚀技术在光学基板上刻蚀出锯齿槽形的闪耀光栅。49有效面积：30mm×50mm闪耀波长：130nm闪耀角：4.51200线/mm真空紫外闪耀光栅采用全息-离子束刻蚀技术在熔石英基板上刻蚀出锯齿槽形的闪耀光栅，2000年开始在合肥同步辐射光化学光束线上使用，替代了进口产品。原子力显微图片5051不同方法制备的光栅的特点比较机械刻划全息光刻全息-离子束刻蚀衍射效率高低高杂散光水平强弱弱鬼线有无无能否闪耀能否能制作效率低高高制作方法主要性能52三.几种其它光栅元件531.软X射线Laminar光栅54Laminar（或lamellar）光栅是一种位相光栅，作为色散元件主要用于真空紫外及软X射线波段。其特点是截面为浅槽矩形轮廓，光栅条和槽对衍射强度（效率）都有贡献。通过选择合适的槽深、入射角，能引起光栅条和槽的衍射在零级发生干涉相消。55Laminar光栅槽形结构示意图56阴影效应示意图D571)-(6)](1[211ctgctgdhdb2)-(62/cos4Dh光栅结构参数之间的关系58反应离子刻蚀离子束刻蚀去除残留光刻胶激光全息曝光596061有效面积：25mm×60mm线密度：200线/mm62同步辐射Laminar光栅（光刻胶）63