同步辐射Laminar光栅的研制

　　1　引　言

　　光谱辐射基准和计量实验站是国家同步辐射实验室二期工程新建的八个线站之一,其目的是利用同步辐射的光谱能量分布可精确计算的特性,建立光谱辐射基准,使我国的光谱辐射国家标准由近红外-可见-紫外延伸到真空紫外-软X射线波段。该光束线的球面光栅单色仪配置三块线密度为1 800 l/mm、600 l/mm和200 l/mm的球面Laminar光栅,其中前两块光栅由法国的Jobin-Yvon公司制作,后一块由我们自己研制[1]。本文对全息-离子束刻蚀Laminar光栅制作工艺进行了系统的研究,并给出研制结果。

　　2　Laminar光栅的基本特征

　　Laminar(或lamellar)光栅是一种位相光栅,它是用于真空紫外及软X射线波段的一个重要的色散元件[2]。其基本特点是截面为浅槽矩形轮廓,光栅条槽对衍射强度(效率)都有贡献,如图1所示。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相消干涉,以致更多的能量分布在其它能级。

　　对给定周期的Laminar光栅,在某一波段(长)的衍射效率取决于金属膜层、入射和衍射束间的包含角D、槽深h以及槽宽与周期的比值b/d。正入射情况下,当b/d =0·5时其衍射效率最大;掠入射情况下,由于两槽角处阴影的存在,b/d =0·5时其衍射效率并非最大,此时考虑阴影效应是非常重要的,阴影效应取决于入射角、槽深,如图2所示。给出入射角或包含角、线密度和使用的波长,就可以计和b/d比值。Neviere等[3~4]对软X射线Lami-nar光栅的性能及其优化进行了详细的研究,用几何光学和标量理论推出了优化的b/d和h值

　　Neviere等[3]用电磁理论计算对(1)式进行了验证,结果对300 l/mm和600 l/mm的Laminar光栅较为吻合。对更高线密度的光栅则不适合,需要用电磁理论计算。

　　3　全息-离子束刻蚀制作工艺

　　全息-离子束刻蚀法制作Laminar光栅的整过工艺流程如图3所示。首先在洁净的熔石英基底表面涂上光刻胶;经曝光、显影等处理后,在光栅基底上形成浮雕光刻胶光栅;用O2反应离子刻蚀(RIE)获得所要求的线空比;再以此光栅为掩模,进行离子束刻蚀,把光栅条纹刻到光栅基底上,最后在光栅表面镀制所要的反射膜,即成反射的Laminar光栅。具体工艺如下:

　　(1)基片制备

　　在经过严格清洁处理和烘干的光栅基片上涂布稀释的SP1400-17光刻胶,甩胶后的光栅基片放入烘箱前烘80℃,30 min·,光刻胶厚0·4~0·8μm。

　　(2)全息曝光、显影

　　光栅图形是利用分波前干涉使两相干的激光束(413·1 nm)在记录平面光刻胶上叠加产生的。为了在大面积范围形成均匀的、衬度好的干涉条纹,应注意调节光路使两束光强相近。曝光后基片用0·6%的NaOH溶液显影,便得到光刻胶的浮雕光栅图形。