高衍射效率全息光栅的制作与复制工艺研究

　　1引言

　　光栅因其独特的优点而被广泛应用在现代光学光谱仪器和集成光学领域。作为众多光学测量仪器的心脏，光栅的特性直接影响着仪器的性能。高质量的光栅需具备刻槽位置精确、衍射效率高、波面质量优良、应用光谱范围宽和杂散光小等特点，其中衍射效率是光栅最重要的质量指标，它直接影响着所制造出的仪器的灵敏度和使用光谱范围。光栅的制作主要有机器刻划法和激光光刻法。机刻法提高光栅衍射效率的方法是采用锯齿槽形的闪耀光栅，但机刻光栅的成本极昂贵且所制光栅的生产效率一般比较低。目前，在许多领域得到广泛应用的全息光栅，主要是采用激光干涉光刻制栅。全息光栅的衍射效率也与其沟槽的形状和深度有关，通常运用傅里叶合成法、驻波法、离子蚀刻法等技术来获得兴耀全息光栅，但由于各方面的原因，对高刻线密度(>1800线/毫米)的光栅，这些技术的推广应用有一定的困难。

　　激光光刻制栅系统主要由光源、干涉仪系统和感光材料三个部分组成。全息光栅的衍射效率除了与制栅光路的一些参数有关外，感光记录材料本身的固有特性对其也有着重要影响。正性光致抗蚀剂作为一种重要的全息记录材料，以其独特的影象浮雕结构而被广泛地应用于全息光学元件的制作、各种全息图的记录和平版印刷术中。当前工业上制作商品化高质量全息光栅主要采用正性光致抗蚀剂作记录材料。在提高光栅衍射效率方面，常用的方法是控制刻槽槽深，使其与槽距获得最佳匹配而得到最优的衍射效率。显然，槽深的控制与正性光致抗蚀剂有着密切关系。

　　2正性光致抗蚀剂全息光栅的槽深模型

　　正性光致抗蚀剂(例如重氮茶醒类的Az1350)、BP212等)，主要有下列组成部分:基体树脂R，它决定着抗蚀剂的结构性质:溶剂S，经预处理后大部分挥发;光活化合物M;曝光产物P(梭酸)，它由M与紫外光反应生成。表达式为:

　　(l)式即抗蚀剂的感光机理，感光后的光致抗蚀剂材料的特性变化由曝光量E引起的薄层厚度△d的变化来描述，即

　　△d=f(E)(2)

　　△d与E的关系通过显影过程体现出来:显影剂对已曝

　　光(吸收光)和未曝光(未吸收光)的区域以不同的速率侵蚀。对正性光致抗蚀剂，曝光区变为可溶，在显影过程中溶解速度很快，参考文献^[1]中给出了△d与E的关系方程:

　　1 时展示(3)式得

　　△d岛△rTCE+rZT(4)

　　此时△d由一常数项和曝光量项△rTCE确定，形成线性化过程。

　　全息光栅的衍射效率主要是由槽形结构决定的。因为光栅刻线密度(即槽间距)是由光路设计决定的，所以曝光与显影过程主要是控制其槽深，来得到优化的衍射效率。对于全息光栅，根据光致抗蚀剂蚀刻特性和干涉条纹的特点，以某一干涉条纹暗纹中心处(此处光强最小，曝光量最小，蚀刻速度最低)为原点(0)，则该条纹的一个周期内x点处与该0点的蚀刻厚度差(深度)为: