高效平面全息衍射光栅的获取方法

　　1　引　　言

　　随着国家在高新技术领域中大工程项目如LAMOST天文望远镜工程、同步辐射工程、激光核聚变工程的陆续开展,高精度光谱分析仪器的应用领域和范围越来越广泛,对高衍射效率、大刻划面积全息及全息离子刻蚀光栅的需求量也在逐步加大。本文试图就全息和全息离子刻蚀光栅的发展情况及制作方法做较为详细的论述。

　　衍射光栅的制作方法主要可以分为两种:1)利用光栅刻划机在光栅基底刻划出具有周期结构的刻槽,这种光栅称为机械刻划式光栅;2)利用激光干涉技术,将涂覆在光栅基底上的光致抗蚀剂曝光并显影,在光栅基底上形成具有周期结构的刻槽,或者进而利用离子束轰击刻槽使之成为闪耀光栅,增强光栅的衍射效率,这种光栅称为全息光栅或者全息离子刻蚀光栅。

　　机械刻划式光栅的优点是光栅的刻线密度可以进行比较灵活地调整,衍射效率高于一般的全息光栅。刻划机分度机构普遍采用干涉反馈控制系统,用激光的波长或光栅刻槽的空间周期作为基准,它的刻划精度比纯机械式分度刻划机有了大幅度提高。日本的HITACHI公司、美国的RICHARDSON光栅实验室等都已研制出可以刻制不同面形(如平面、球面、非球面)光栅的光栅刻划机。但由于机械加工精度、装调精度、控制精度等因素的限制,机械刻划式光栅仍存在一些残余误差,在光栅的谱面上还可产生强度可观的各种鬼线,影响光栅在高精度光谱仪器中的应用。而且光栅刻划机的制造成本高、光栅刻划周期长、对周围环境(如温度、振动、电压波动等)的要求苛刻,正是由于这些缺点限制了机械刻划式光栅的应用范围。随着激光技术在光栅制造领域中的应用、光学设计的计算机化、各种新材料的不断出现以及光栅理论的不断发展,全息及全息离子刻蚀光栅以其相对低廉的制造成本、较低的杂散光强度、高衍射效率和较高的破坏阈值等诸多优点,目前正在逐步改变以机械刻划式光栅为主的市场格局,成为衍射光栅应用的主流产品。

　　2　全息光栅的制作原理

　　根据相干原理,当两束平行记录单色光以夹角2θ相交时,如图1所示:

　　在相交的区域形成了如图1所示的光强周期分布的干涉场,光强分布有下式决定:

　　式中:I0—入射光束的强度

　　d——干涉条纹间距

　　λ——入射光束波长

　　D——干涉场宽度

　　在x方向上的光强分布如图2所示:

　　干涉条纹的间距d由下式给出:

　　这里λ0为记录光的波长,θ为两束记录光夹角之半。当将涂有光致抗蚀剂的光栅基底放在干涉场内曝光时,被曝光部分的光致抗蚀剂中一些高分子聚合物就开始分解(假设记录光的波长短于某个临界值),且分解的速度与干涉场中光强分布有关。再用显影剂将曝光区域内的分解物去除,这样在光栅基底上就形成了具有一定深度的光栅槽形分布。光栅刻槽深度与曝光时间、显影剂浓度和显影时间成比例,该比例是非线性的。