一种亚纳米级变栅距衍射光栅制作方法的研究

　　1　引　言

　　衍射光栅是各种光谱仪器的核心元件,传统的衍射光栅都是等栅距的,但如果光栅刻槽的栅距不相等,而是按照一定的规律变化时,光栅就会表现出一些特殊性能。它具有自聚焦、像差校正、高分辨率及平焦场等独特优点。随着衍射光栅应用领域的不断扩展,变栅距(VLS)光栅的这些独特性能正逐渐得到重视,在空间光谱仪、等离子体诊断、同步辐射单色仪等领域已成功应用,在光纤通信、非球面干涉计量等方面也展现了广阔的应用前景,因此,研究VLS光栅的制作方法具有重要意义[1,2]。

　　VLS光栅要求的最小栅距变化量为亚纳米量级,本文提出了一种光栅刻划机的亚纳米分度方法,用于制作VLS光栅。

　　2　VLS光栅加工方法的比较

　　由于VLS光栅要求的最小栅距变化量为亚纳米数量级,实现起来非常困难,可供选择的加工方法主要有激光全息法和刻划机刻划两种方案。

　　2.1　激光全息制作

　　激光全息光栅是指将两束相干光产生的干涉条纹,用全息照相法记录下来而制成的光栅。若两相干光的会聚角为ω,则条纹间距e为:e =λ/sinω,改变ω可以得到不同的条纹宽度(即光栅栅距)。

　　全息法制作VLS光栅有一定优势:其加工容易,成本低,周期短。但其不足之处是:全息光栅的横截面多为正弦形或矩形,很难制成闪耀光栅;另外,根据J H Underwood[3]等人对中心刻槽密度为1200g/mm的VLS光栅的对比测试,机械刻划的光栅有着更高的分辨率,而且,除了零级以外,全息光栅的衍射效率要低于刻划光栅,其在高衍射级次上的光强更是远远低于刻划光栅。

　　2.2　光栅刻划机制作

　　日本Hitachi公司中央研究所制作的VLS光栅主要采用刻划机加工,这种刻划机的显著特点是采用了双重定位的间歇式分度结构,属于一种粗、精定位相结合的定位技术[4]。它的分度台由上下两层构成:下层为传统的螺旋传动,连续回转;上层为压电陶瓷驱动台,产生伸缩运动。在两层台的协调作用下,分度台间歇式分度,可加工出高质量的VLS光栅,最小栅距变化量可达0·02nm。

　　显然,这种光栅刻划机结构复杂,若在目前国内现有的等栅距光栅刻划机上进行改造将十分困难。目前,国内在这一领域的研究基本是空白,曾经尝试过通过对光电式刻划机的反馈信号进行细分来加工VLS光栅,但由于反馈信号并非理想信号,且必须达到上万倍以上的细分才具有实用价值,因此实际效果并不理想。

　　3　相位扫描法加工VLS光栅

　　针对VLS光栅要求的亚纳米数量级的最小栅距变化量,仅靠提高光栅刻划机的精度已不可能实现,为此,本文提出了一种相位扫描方法,利用现有的光电式光栅刻划机进行亚纳米级变栅距分度。