[發明專利]一種頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法

有效

• 申請號: 201410166870.6
• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN103901520A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 邱克強;王琦;劉正坤;徐向東;洪義麟;付紹軍
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;G03F7/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種光譜儀器中使用的色散元件領域，具體涉及一種用于可見光到紅外波段的階梯光柵光譜儀中使用的階梯光柵的制作方法。

背景技術

近年來快速發展的階梯光柵光譜儀，利用階梯光柵為主色散元件,輔以橫向色散元件進行級次分離,用面陣CCD同時記錄下寬光譜范圍(可見光至紅外)的譜線，整個系統體積小，工作波長范圍寬，線色散率高，分辨率高。階梯光柵作為閃耀光柵的一種特殊類型，與通常的閃耀光柵主要區別在于階梯光柵工作時使用溝槽的“短邊”，即閃耀角通常大于45°。

對于以光柵為色散元件的光譜儀器，色散率與分辨率是表征其光學特性的重要參數。線色散率：

d1dλ=mfdcosβ---(1)]]>

光柵分辨率：

R=λΔλ=mN---(2)]]>

其中，d是光柵常數，m是光譜級次，N是光柵線條總數，f代表譜儀的聚焦長度，β代表衍射角，波長λ和λ+dλ兩譜線在焦面上分開的距離dl越大，線色散率越大，分辨率越高，光譜儀性能越好。為了提高光譜儀的色散率和分辨率，一種方法是減小光柵常數d，擴大光柵面積以增加光柵線條數N，制作大面積高線密度的閃耀光柵，這是階梯光柵發展初期常用方法，難度大，且光柵線密度與面積的提高是有限的。另一方法是使用大周期(通常大于10微米)閃耀光柵，即階梯光柵。階梯光柵能夠在寬光譜范圍以較大衍射角(β)閃耀在高級次(m)，且光柵周期大而容易制作大面積的光柵結構(增加光柵刻槽數N)，結果將獲得更高的線色散率和分辨率。因此，階梯光柵實質上是一種粗光柵，刻線密度小于100線/毫米，具有較大的閃耀角，可以用于很高的干涉級次，具有極高的分辨率。普通光柵是靠增大焦距f提高色散率，而階梯光柵是通過增大閃耀角β(50°～70°)，利用高光譜級次m(40～120級)來提高線色散率的。目前已有的文獻：文獻1:G.R.Harrison,The?Production?of?Diffraction?Gratings:II.The?Design?of?Echelle?Gratings?and?Spectrographs,J.Opt.Soc.Am.39,522-527(1949).對階梯光柵的設計以及使用機械刻劃制作階梯光柵技術進行了介紹。文獻2：紅外衍射光柵的制作與評價(U.U.Graf,D.T.Jaffe,E.J.Kim,J.H.Lacy,H.Ling,J.T.Moore,and?G.Rebeiz,fabrication?and?evaluation?of?an?etched?infrared?diffration?grating,Applied?Optics33,96-102(1994))介紹了使用各向異性濕法刻蝕在<100>硅基底中制作階梯光柵，光柵槽型為等腰三角形，閃耀角55°，頂角70.53°。文獻3：制作有微結構的紅外硅棱鏡(D.J.Mar,J.P.Marsh,C.P.Deen,H.Ling,H.Choo,and?D.T.Jaffe,Micromachined?silicon?grisms?for?infrared?optics,Applied?Optics48,1016-1029(2009).)提出了將硅做成棱鏡用作紅外波段色散元件，硅棱鏡的一側邊上仍然使用各向異性濕法刻蝕在<100>硅基底上制作階梯光柵結構，通過不同的切割角度獲得了三種閃耀角：6.16°、54.7°及63.4°階梯光柵，頂角70.53°。文獻4：使用階梯光柵對TE與TM偏振光實現完美閃耀(Kleemann?B?H.Perfect?blazing?with?echelle?gratings?in?TE?and?TM?polarization[J].Optics?letters,37(6):1002-10042012.)，介紹了對于階梯光柵，實現完美閃耀的兩個必要條件：三角形槽型的頂角為90°，以及不存在比自準直入射時的衍射級更高的衍射級次。階梯光柵是階梯光柵譜儀的核心元件，高衍射效率是階梯光柵發展過程中所追求的目標。根據文獻4,三角形槽型的階梯光柵的頂角是否為90°將直接影響是否能獲得完美閃耀，如圖1的a，b，c所示，頂角是直角的三角形槽型(如圖1的b所示)的衍射效率較頂角70.5°的三角形槽型(如圖1的c所示)高。文獻1中介紹的機械刻劃光柵，槽型頂角近似直角，但刻劃產生的閃耀面粗糙，且制作周期長。文獻2與文獻3介紹在<100>硅片上，制作以(111)晶格面為閃耀面的階梯光柵，表面平整光滑，減小了光線的散射，但頂角不是理想的90°角，限制了光柵衍射效率的進一步提高。