亚波长介质光栅的制作误差分析

利用严格耦合波理论 (RCWA )分析了方向误差和面形误差对亚波长光栅衍射效率的影响 通过分析发现 ,方向误差和图案边缘钝化对光栅的衍射效率影响不大 ,而刻蚀过程中由于侧壁倾斜而产生的面形误差对光栅的衍射效率影响非常大 在制作亚波长光栅时 ,可以通过选取合理的刻蚀系统或增大占空比的方法来避免基底型误差的出现 该结论对于制作亚波长光栅具有重要的指导作用 同时根据得出的结论 ,选用专门用于硅深刻蚀的等离子体辅助刻蚀系统制作出了红外30 μm亚波长抗反射光栅 ,检测结果显示 。

紫外全息闪耀光栅的制作

通过理论计算研究了影响闪耀光栅衍射效率的因素,并利用离子束刻蚀模拟程序模拟刻蚀闪耀光栅来确定闪耀光栅的制作参数。以理论计算的闪耀光栅参数为依据,以刻蚀模拟程序为指导,基于全息-离子束刻蚀工艺制作了闪耀波长分别为250nm和330nm,光栅尺寸分别为85mm×85mm,60mm×60mm,线密度均为1200lp/mm的闪耀光栅。第一种光栅闪耀角为8.54°,非闪耀角为72°,其250nm波长自准直入射时的-1级衍射光衍射效率约为81%;第二种光栅闪耀角为11.68°,非闪耀角为74°,330nm波长自准直入射时的-1级衍射光衍射效率约为80%。实验结果表明,提出的方法可以在制作闪耀光栅的过程中实现对闪耀角的精确控制,获得的实验结果与理论计算结果符合较好。利用该方法能够在大尺寸基底上获得衍射效率>75%的紫外闪耀光栅。

闪耀全息光栅离子束刻蚀工艺模拟及实验验证

依据特征曲线法推导了非晶体表面的离子束刻蚀模拟方程,结合全息光栅的刻蚀特点开发出离子束刻蚀模拟程序,并通过实验数据分析并优化了非晶体材料刻蚀速率与离子束入射角的关系方程,最后利用离子束刻蚀实验对所开发的离子束刻蚀模拟程序进行了实验验证。调节掩模与基底材料的刻蚀速率比为2∶1至1∶2,制作了线密度为1 200l/mm,闪耀角为～8.6°,非闪耀角为34°～98°的4种闪耀光栅,与刻蚀模拟程序的结果进行对比,模拟误差<5%;控制离子束刻蚀时间为6～14min,制作了线密度为1 200l/mm,闪耀角为～8.6°,顶角平台横向尺寸为0～211nm的6种光栅,与刻蚀模拟程序的模拟结果进行对比,模拟误差<1%。比较实验及离子束刻蚀模拟结果表明,离子束刻蚀模拟程序获得的模拟刻蚀轮廓曲线与实际刻蚀轮廓曲线的误差<5%;模拟刻蚀截止点与实际刻蚀截止点误差<1%。实验表明,提出的模拟方程可以准确地描述不同工艺过程和工艺参数对最终刻蚀结果的影响,进而可预知和控制离子束刻蚀过程。

用于分频的闪耀光栅设计及衍射行为研究

详细地介绍了用于分频的闪耀光栅设计方法 ;推导了影响元件性能的衍射效率公式 ;并研究了纵横向工艺误差对其衍射行为的影响。模拟结果显示在 8%和 5%纵横向相对误差范围内 ,该闪耀光栅具有良好的分色效果。

基于二维激光告警的闪耀光栅设计

现有光栅衍射型激光告警中,正弦光栅存在±1级衍射效率较低,闪耀光栅在闪耀波长附近0级和-1级衍射效率很低,这两种光栅的缺点都降低了激光告警的可靠性。为此文中提出了一种改进型闪耀光栅。将两闪耀光栅反相对接,并且中间留一定无光栅空间,此改进可提高波长在闪耀波长附近0级和-1级的衍射效率,将有效克服传统闪耀光栅的漏报警现象。设计加工了闪耀波长为800 nm的改进型闪耀光栅,理论分析了0级和±1级衍射效率;采用波长为808 nm和850 nm的光,对改进型闪耀光栅进行二维激光告警实验测试,实验结果表明,在波长为闪耀波长附近光入射时,改进型较普通闪耀光栅的0级和-1级衍射强度有很大提高,能够被CCD有效探测。该改进型闪耀光栅可有效提高二维激光告警系统的可靠性。

光栅光谱衍射效率测量新技术的误差分析与校正方法研究

衍射光栅是非常重要的色散元件,在光谱分析领域中有着广泛的应用,光栅光谱衍射效率的测量对于评估光栅性能和改进光栅制备工艺有着重要的作用。在目前常见光栅光谱衍射效率的测量技术中,由于存在两种需要重复数百次的机械运动,因而光栅光谱衍射效率的测量速度比较缓慢,如获取700~900 nm波段范围内的光谱衍射效率,大约需要5~8 min的时间。在之前的研究中,报道了一种快速测量光栅光谱衍射效率的新方法,新方法采用声光可调谐滤波器、积分球探测器和高速数据采集系统,可以完全消除现有测量方法中存在的两种耗时的机械运动,由于测量过程中没有任何机械运动的参与,新方法能在10 ms量级获得700~900 nm波段范围内的光谱衍射效率。首先对光栅光谱衍射效率测量新方法的主要误差来源进行了系统分析,发现新方法一个比较明显的误差来源是凸透镜的透过率与入射角相关;然后结合光学模拟,得到了激光光束以不同入射角度传播通过凸透镜时的透过率,并提出了相应的误差校正方法;最后结合实验测量数据,我们对光栅光谱衍射效率新测量技术的误差校正方法进行了实验验证。数据分析结果表明,在550~750 nm波段范围内测得的光栅光谱衍射效率,经过误差校正后,新方法与传统测量方法之间绝对误差的平均值从校正前的0.207%降低到校正后的0.099%,由于传统光栅光谱衍射效率测量方法的测量精度约为0.1%,结果表明,提出的误差校准方法能成功消除光栅光谱衍射效率新测量方法的主要误差来源。

高效平面全息衍射光栅的获取方法

从全息衍射光栅的制作原理出发 ,介绍了全息光栅的主要制作方法 ,并与刻划光栅对比分析了全息衍射光栅的诸多优点。通过利用光栅设计的耦合波理论对全息衍射光栅槽型、槽深及槽间距等进行了优化设计 ,同时利用离子束刻蚀技术获得了高效率全息光栅。

大角度蚀刻衍射光栅的模拟

研究了平面波导密集波分复用器件中很有发展潜力的蚀刻衍射光栅 (EDG) 小角度范围光栅的模拟通常采用高斯近似的输入光场 ,由于近轴的高斯光场接近实际光场 ,所以模拟结果很准确 但这种方法应用于大角度范围的光栅则有偏差 本文提出了大角度蚀刻衍射光栅的模拟方法 ,分析了这种偏差并给出了模拟结果

用三角形闪耀光栅实现分束器

用闪耀光栅实现了光栅分束器。给出了该分束器衍射光强分布的解析表达,讨论了影响分束性能的各种因素,并把复杂的优化设计问题转变为简单的求条件极值问题,使编程简单,计算速度快。数值模拟表明,当分别扇出2束和4束光时,衍射效率可分别达到92.50%和95.75%,扇出光束能量均匀,各级衍射效率的方差分别在10-5和10-6的数量级。与其它分束器进行了比较。

闪耀透射光栅衍射规律的分析和验证

基于标量理论研究了不同槽形角,不同刻线密度的透射式闪耀光栅对使用波段的影响,推导了闪耀透射光栅的衍射光能量分布规律。分析证明了透射闪耀光栅在衍射能量最强方向上衍射光的衍射角与入射光的入射角之间的关系满足Snell定律。给出了入射角、衍射角与槽形角之间的关系式,研究了不同刻线密度和槽形角条件下衍射光能量分布的规律。对闪耀透射光栅进行了测量和比较,结果表明:已有闪耀透射光栅测量的结果与理论计算数据相吻合。制备了聚二甲基硅氧烷(PDMS)可调谐闪耀透射光栅,应用研究的理论公式测量了该闪耀透射光栅在拉伸与自由状态下的闪耀波长和光栅刻线密度,结果显示其波长测量误差在5nm以内。拟合了光栅的等效槽形,验证了实时监测PDMS光栅槽形和刻线密度随拉力大小变化的规律。

反射型阶梯光栅的特性分析

衍射效率是评价二元光学器件质量性能的重要指标之一。针对反射性阶梯光栅,利用几何方法计算出斜入射情况下光束在台阶边缘的光程差的分布情况,根据多缝夫琅和费衍射推导出反射型阶梯光栅的衍射光强表达式。并在此基础上,讨论了台阶数N取2和N趋向于无穷两种极限情况下阶梯光栅光强公式的变化情况,得到区别于一般文献所表达的衍射效率公式。初步试验表明,反射型阶梯光栅的衍射效率与台阶数、蚀刻深度与入射波长的比值均有密切相关。

变栅距闪耀光栅相对衍射效率的计算方法

提出了一种变栅距闪耀光栅相对衍射效率计算方法,它是基于变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式得出的。该方法简洁、有效,虽然有一定的近似性,但在工程设计上仍有较强的指导性。此外,还得出变栅距闪耀光栅参数对其衍射效率的影响规律,对优化制作工艺提供了理论依据。

基于高级硅刻蚀和硅氧化工艺的软X射线干涉光刻分束光栅的优化设计

基于严格的矢量耦合波方法,对13.4nm(92.5eV)软X射线正入射于周期140nm的Si光栅和SiO2光栅的一级衍射效率进行了模拟计算,结果表明SiO2光栅的最大一级衍射效率远比Si光栅高,同时也比目前用于13.4nm软X射线干涉光刻的Cr/Si3N4复合光栅高。本文提出用高级硅刻蚀工艺和硅氧化工艺制作深高宽比纳米级SiO2光栅的新方法,可以解决直接刻蚀制作此光栅难度大的问题,适用于制作上海光源(SSRF)软X射线干涉光刻分束光栅。

刻蚀衍射光栅像差特性分析

对作为波分复用关键器件之一的刻蚀衍射光栅 (EDG)的像差特性提出了一种简单方便的计算方法 ,分析了像差对刻蚀衍射光栅频谱响应的影响 .理论推导了基于基尔霍夫衍射、角谱衍射以及快速傅里叶变换等方法 .最终证明彗差会造成谱形失称 ,明显降低耦合效率 ;而球差则会明显地增加串扰 .并指出当像差存在时通过输出端加ta per结构 ,并不能显著改善器件的串扰特性 .

闪耀光栅的二元近似结构

利用闪耀光栅的特点可制作高效的波导耦合器。采用时域有限差分法(FDTD)方法,模拟计算了二元闪耀光栅的一阶衍射效率和衍射角随光栅不同结构参数而变化的相关特征,所得结果对实际二元闪耀光栅的制备有重要参考价值。

亚波长闪耀光栅矢量衍射效率计算

将矢量衍射数值算法—严格耦合波分析用于精确计算亚波长闪耀光栅的衍射效率,并分析其衍射特性。建立了闪耀光栅的电磁介质模型,并将楔形不规则结构简化为多层矩形光栅结构,通过电磁场的介质分布建立严格耦合波方程。根据边界条件求解出各层的电磁场分布,再通过增透矩阵方法将各层电磁场依次迭代,求解出了整个结构的衍射效率。计算分析显示,对闪耀角为11.3°、周期为500 nm的金属铝闪耀光栅可以得到高于90%的衍射效率和相应的闪耀级次。实验表明这种矢量衍射数值算法具有较高的准确性,可以推广应用于高致密刻线复杂光栅的衍射计算分析。

基于解析分区法设计闪耀全息凹面光栅

研究了制备闪耀凹面光栅的离子束刻蚀工艺,提出了用"解析分区法"设计闪耀凹面光栅的衍射效率。该方法能通过确定离子束入射角,在实验前定量给出平行离子束刻蚀后光栅衍射效率的设计结果。经过理论设计计算出所需波长衍射效率较高的凹面闪耀光栅中心闪耀角,利用刻蚀模拟软件BLAZING计算出离子束刻蚀参数及光刻胶掩模参数;以计算结果为依据,利用全息-离子束刻蚀工艺制作出尺寸为45 mm×40 mm2,曲率半径为224 mm的凹面闪耀光栅,其中心闪耀角约为9.21°,峰值衍射效率为54.8%@300 nm,250 nm处衍射效率为50%,与"解析分区法"计算结果符合较好。实验结果表明,利用"解析分区法"进行凹面闪耀光栅衍射效率设计的方法简单易行,能够有效指导平行离子束刻蚀闪耀凹面光栅工艺,完成高衍射效率凹面闪耀光栅的制作。

非对称全息方法制作闪耀光栅的模拟与分析

为了实现全息方法制作闪耀光栅,在对称全息光栅制作方法的墓础上,设计了一种非对称光路进行曝光。模拟了特定显影条件下光栅槽形及其衍射效率光谱,并与理想三角形闪耀光栅比较。结果表明:模拟槽形具备闪耀光栅槽形特征,其正一级衍射效率谱线与相应闪耀光栅非常接近。

反应离子束刻蚀工艺制作闪耀罗兰光栅

相比类矩形槽罗兰光栅，闪耀罗兰光栅的衍射效率较高，更有利于光谱分析仪器的设计与应用，而国内外尚无产品级闪耀罗兰光栅产品．本文通过类矩形槽形及闪耀槽形的衍射效率优化设计及对比，获得了闪耀槽形优化设计结果；利用反应离子束刻蚀设备制作出3块200～450nm波段、线密度为2400gr／mm、口径为（b63．5mm的闪耀罗兰光栅，其中光栅2的峰值衍射效率达到了65％@220nm，较HORIBA Jobin Yvon公司生产的类矩形槽罗兰光栅产品整体衍射效率高25％，与理论衍射效率相当．实验结果表明，本文所采用的反应离子柬刻蚀工艺可实现高衍射效率闪耀罗兰光栅制作，且工艺可控、稳定，所制作的闪耀罗兰光栅衍射效率高于国外同类产品．

计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法

为使凹面光栅的衍射能量更多地集中在所需要的级次上,提出了利用机械刻划的方法在凹面基底上制作变刻槽角度的凹面闪耀光栅,并利用菲涅耳-基尔霍夫衍射公式推导了同时在主截面和非主截面内计算凹面闪耀光栅衍射效率的理论方法,弥补了以往只在主截面内考虑衍射效率的不足,最后利用Matlab仿真软件模拟了衍射效率随波长的变化曲线,并对比了在不同制作和使用参数下衍射效率峰值的变化规律,为今后凹面光栅的设计和制作提供了参考价值。