第四讲：衍射光栅及制作技术课件

衍射光栅及其制作技术简介衍射光栅及其制作技术简介2008.4.21.衍射光栅及其制作技术简介2008.4.21.一一.引言引言二二.光栅制作技术简介光栅制作技术简介三三.几种其它光栅元件几种其它光栅元件2.一.引言2.一一.引言引言3.一.引言3.1.什么是衍射光栅什么是衍射光栅 任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫做任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫做衍射光栅。衍射光栅。衍射元件的重复阵列能够使一个出射波的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。种重复阵列叫做衍射光栅。4.什么是衍射光栅4.例如：例如：人为加工的具有周期性的线、缝、槽等器件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）周期变化的器件光学性质（如折射率）周期变化的器件 天然的材料（晶体）天然的材料（晶体）5.例如：5.6.6.衍射光栅被广泛地应用于科衍射光栅被广泛地应用于科研和生产，特别在光谱学、光通研和生产，特别在光谱学、光通讯、光信息处理等许多领域都有讯、光信息处理等许多领域都有着十分重要的应用。着十分重要的应用。7.衍射光栅被广泛地应用于科研和生产，特别在光谱2光栅的分类光栅的分类光栅种类很多，按特性分类如下：光栅种类很多，按特性分类如下：光谱光栅光谱光栅 光纤光栅光纤光栅 计量光栅计量光栅 按用途分类按用途分类 耦合光栅耦合光栅 微波光栅微波光栅 辐射光栅辐射光栅 偏振光栅偏振光栅8.2光栅的分类光栅种类很多，按特性分类如下：8.按面型分类按面型分类:平面光栅平面光栅 球面光栅球面光栅 凹面光栅凹面光栅 柱面光栅柱面光栅 非球面光栅非球面光栅 椭球面光栅椭球面光栅 超环面光栅超环面光栅9.按面型分类:9.透射光栅透射光栅 按工作原理分类按工作原理分类 反射光栅反射光栅 正弦光栅正弦光栅 按槽型分类按槽型分类 矩形光栅矩形光栅 锯齿形光栅（阶梯光栅）锯齿形光栅（阶梯光栅）振幅型振幅型位相型位相型振幅型振幅型位相型位相型10.振幅型振幅型10.远红外光栅远红外光栅 红外光栅红外光栅 按工作波段分类按工作波段分类 紫外光栅紫外光栅 真空紫外光栅真空紫外光栅 X射线光栅射线光栅 机械刻划光栅机械刻划光栅 按制造方法分类按制造方法分类 全息光栅全息光栅 全息全息离子束刻蚀光栅离子束刻蚀光栅 复制光栅复制光栅11.3.光栅的衍射光强分布光栅的衍射光强分布单缝衍射因子单缝衍射因子多光束干涉因子多光束干涉因子I12.3.光栅的衍射光强分布单缝衍射因子多光束干涉因子I12.单缝衍射单缝衍射:II1245-1-2-4-5多光束干涉：多光束干涉：缺缺级级缺缺级级-22-1-212I013.单缝衍射:II1245-1-2-4-5多光束干涉：缺缺-4.光栅方程光栅方程 d(sin i sin k)=k (k=0,1,2)12光栅衍射原理示意图光栅衍射原理示意图d14.4.光栅方程 d(sini 光栅衍射谱光栅衍射谱非连续光谱非连续光谱1级光谱级光谱2级光谱级光谱-1级光谱级光谱-2级光谱级光谱中央明纹中央明纹1级光谱级光谱2级光谱级光谱-1级光谱级光谱-2级光谱级光谱中央明纹中央明纹连续光谱连续光谱15.光栅衍射谱非连续光谱1级光谱2级光谱-1级光谱-2级光谱中央从光栅方程可以看出：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；不变，在不同的衍射方向上的光波长不同；（3）k不变，改变不变，改变 i，同样可以得到不同的波长输出。，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不变，转动光栅时，同样可以得到不同的波 长输出。（单色仪）长输出。（单色仪）（5）存在衍射级次重叠问题）存在衍射级次重叠问题d(sin i sin k)=k 16.从光栅方程可以看出：d(sini sink)=k15.光栅的分辨本领光栅的分辨本领kNA=D=ll整块光栅的整块光栅的刻线总数刻线总数17.5.光栅的分辨本领kNA=D=ll整块光栅的刻线总数17.二二.光栅制作技术简介光栅制作技术简介18.二.光栅制作技术简介18.1.机械刻划机械刻划2.紫外光刻紫外光刻3.全息光刻全息光刻 光栅的制作技术光栅的制作技术19.机械刻划 光栅的制作技术19.1机械刻划法机械刻划法 机械刻划法制造光栅是在光栅刻划机上进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。膜层上挤压或摩擦抛光的过程。20.1机械刻划法 机械刻划法制造光栅是在光栅刻划光栅刻划机21.光栅刻划机21.工艺流程：工艺流程：机械刻划法多用来制造反射式闪耀光栅。机械刻划法多用来制造反射式闪耀光栅。22.工艺流程：机械刻划法多用来制造反射式闪耀光栅。22.机械刻划法的特点：机械刻划法的特点：闪耀角由刻刀形状决定闪耀角由刻刀形状决定 光栅衍射效率高光栅衍射效率高 有鬼线有鬼线 杂散光较强杂散光较强 制作效率低制作效率低23.机械刻划法的特点：闪耀角由刻刀形状决定23.3全息光刻（全息照相法）全息光刻（全息照相法）六六十十年年代代初初，有有了了激激光光。1967年年Rudolgh和和Schmahl提提出出用用氩氩离离子子激激光光的的干干涉涉、光光刻刻胶胶作作为为记记录录材材料料来来制制造造光光栅栅，首首次次证证实实了了用用全全息息照照相相法法制制造造的的光光栅栅-全全息息光光栅栅具具有有良良好好的的光光谱谱学学性性能能。1970年年法法国国J-Y公公司司已已经经制制成成了了用用于于可可见见、紫紫外外和和X射射线线波波段段的的多多种全息光栅，并已开始商品化。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。实验条件控制得到其它形状的槽形。24.3全息光刻（全息照相法）六十年代初，有了激25.25.美国LLNL制作的镀金全息光栅，尺寸940mm26.美国LLNL制作的镀金全息光栅，尺寸940mm26.27.27.全息光栅的特点：全息光栅的特点：无鬼线无鬼线 杂散光水平低杂散光水平低 衍射效率较刻划光栅低衍射效率较刻划光栅低 制作效率高制作效率高28.全息光栅的特点：无鬼线28.全息光栅的制造原理全息光栅的制造原理 两两相相干干的的平平行行光光束束以以一一定定的的夹夹角角叠叠加加在在一一起起时时，在在叠叠加加区区形形成成等等间间距距的的干干涉涉条条纹纹，把把干干涉涉条条纹纹记记录录在在基基片片上上的的光光刻刻胶胶上上，经经显显影处理后，便成为全息光栅。影处理后，便成为全息光栅。29.全息光栅的制造原理 两相干的平行光束以一定的夹干涉条纹间距（即光栅常数）：干涉条纹间距（即光栅常数）：d=/2nsin 可以看出：可以看出：A.改变改变、n、均可改变光栅常数均可改变光栅常数 B.、n、不可能任意改变不可能任意改变30.干涉条纹间距（即光栅常数）：d=/2nsin30.产生双光束干涉条纹的光学系统产生双光束干涉条纹的光学系统 分波前系统分波前系统 光学系统光学系统 分振幅系统分振幅系统31.产生双光束干涉条纹的光学系统 32.32.Kr+laser透镜反射镜空间滤波器光栅基片光刻胶反射镜33.Kr+laser透镜反射镜空间滤波器光栅基片光刻胶反射镜3美国LLNL制作940mm全息光栅的光学系统34.美国LLNL制作940mm全息光栅的光学系统34.35.35.36.36.37.37.光栅线密度光栅线密度红外波段：红外波段：300600线线/mm可见波段：可见波段：600线线/mm紫外波段：紫外波段：12002400线线/mm实用线密度最高可达：实用线密度最高可达：10000线线/mm38.光栅线密度38.全息全息-离子束刻蚀光栅离子束刻蚀光栅39.全息-离子束刻蚀光栅39.工艺流程工艺流程基板准备基板准备涂胶涂胶曝光曝光显影显影离子束刻蚀离子束刻蚀清洁处理清洁处理40.工艺流程基板准备涂胶曝光显影离子束刻蚀清洁处理40.全息全息-离子束刻蚀闪耀光栅离子束刻蚀闪耀光栅41.全息-离子束刻蚀闪耀光栅41.离子束闪耀角42.离子束闪耀角42.光刻胶光栅条纹截面形状需要严格控制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离子束刻蚀对光刻胶光栅掩模图形的要求 MNo43.光刻胶光栅条纹截面形状需要严格控制离子束刻蚀对光刻胶光栅掩模光栅条纹浮雕轮廓与曝光量的关系光栅条纹浮雕轮廓与曝光量的关系44.光栅条纹浮雕轮廓与曝光量的关系44.光栅条纹浮雕轮廓与显影时间的关系光栅条纹浮雕轮廓与显影时间的关系45.光栅条纹浮雕轮廓与显影时间的关系45.46.46.80线线/mm闪耀光栅闪耀光栅闪耀波长：闪耀波长：10.6 m m，闪耀角，闪耀角2525 采用全息采用全息-离子束刻蚀技术在光学基板上刻蚀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。的锯齿槽形红外闪耀光栅。47.80线/mm闪耀光栅闪耀波长：10.6 m，闪耀角25 600线线/mm闪耀光栅闪耀光栅闪耀波长：闪耀波长：458 nm闪耀角：闪耀角：7.9 采用全息采用全息-离子束刻蚀离子束刻蚀技术在光学基板上刻蚀出技术在光学基板上刻蚀出锯齿槽形的闪耀光栅。锯齿槽形的闪耀光栅。48.600线/mm闪耀光栅闪耀波长：458 nm 采用全息有效面积：有效面积：30mm50mm闪耀波长：闪耀波长：130 nm闪耀角：闪耀角：4.5 12001200线线/mm/mm真空紫外闪耀光栅真空紫外闪耀光栅 采用全息采用全息-离子束离子束刻蚀技术在熔石英基板刻蚀技术在熔石英基板上刻蚀出锯齿槽形的闪上刻蚀出锯齿槽形的闪耀光栅，耀光栅，20002000年开始在年开始在合肥同步辐射光化学光合肥同步辐射光化学光束线上使用，替代了进束线上使用，替代了进口产品。口产品。原子力显微图片原子力显微图片49.有效面积：30mm50mm1200线/mm真空紫外闪耀光栅50.50.不同方法制备的光栅的特点比较不同方法制备的光栅的特点比较机械刻划机械刻划全息光刻全息光刻 全息全息-离子束刻蚀离子束刻蚀衍射效率衍射效率高低高高杂散光水平杂散光水平强弱弱弱鬼鬼 线线有无无无能否闪耀能否闪耀能否能能制作效率制作效率低高高高制作方法制作方法主要性能主要性能51.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 三三.几种其它光栅元件几种其它光栅元件52.三.几种其它光栅元件52.1.1.软软X X射线射线Laminar光栅光栅53.1.软X射线Laminar光栅53.Laminar（或或lamellar）光光栅栅是是一一种种位位相相光光栅栅，作作为为色色散散元元件件主主要要用用于于真真空空紫紫外外及及软软X射射线线波波段段。其其特特点点是是截截面面为为浅浅槽槽矩矩形形轮轮廓廓，光光栅条和槽对衍射强度（效率）都有贡献。栅条和槽对衍射强度（效率）都有贡献。通通过过选选择择合合适适的的槽槽深深、入入射射角角，能能引引起起光光栅条和槽的衍射在零级发生干涉相消。栅条和槽的衍射在零级发生干涉相消。54.Laminar（或lamellar）光栅是一Laminar光栅槽形结构示意图光栅槽形结构示意图55.Laminar光栅槽形结构示意图55.阴影效应示意图阴影效应示意图D56.阴影效应示意图D56.光栅结构参数之间的关系光栅结构参数之间的关系57.光栅结构参数之间的关系57.反应离子刻蚀反应离子刻蚀离子束刻蚀离子束刻蚀去除残留光刻胶去除残留光刻胶激光全息曝光激光全息曝光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58.59.59.60.60.有效面积：25mm60mm 线 密 度：200线/mm61.有效面积：25mm60mm 61.62.62.63.63.此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！