光栅及其反光栅、复制光栅以及制造方法

专利名称：光栅及其反光栅、复制光栅以及制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用作分光镜或分路滤波器中作为波长分离/选择元件的光栅，并涉及通过从该光栅转印制得的反光栅和复制光栅，并涉及制造这些光栅的方法。
背景技术：
光栅是分光镜、分路滤波器等中使用的波长分离/选择元件。已知的光栅依照刻槽截面形状可大略分成(1)全息光栅，(2)铜焊全息光栅(brazedholographic grating)或划线光栅(ruled grating)，以及(3)薄片光栅。全息光栅是通过曝光并显影干涉条纹制造的，所述干涉条纹通过两个光通量干涉(全息曝光法)形成到基板上涂覆的光刻胶上。全息光栅的抗蚀图形具有形状类似正弦波的刻槽横截面。此后将刻槽横截面类似正弦波的光栅称为全息光栅。铜焊全息光栅是通过利用离子束加工技术将(1)全息光栅的刻槽横截面形状转换成锯齿形状制造的。划线光栅的刻槽横截面形状类似锯齿，该形状通过刻线机等刻划出来。此后将每个刻槽横截面形状类似锯齿的光栅共同称为小阶梯光栅。薄层光栅是通过利用离子束加工技术将(1)全息光栅的刻槽横截面形状转换成长方形形状制造的。
光是横波，其具有两个分量电波和磁波，它们彼此呈直角传播。本质上，电波与磁波之间边界区域中的作用会变化。因此，为获得光栅的衍射效率，必需将光栅上的入射光分离成平行于刻槽方向振动的分量和垂直于刻槽方向振动的分量，并对每个分量计算对光栅刻槽表面的作用。然而，如果所使用的光波长相对于光栅的刻槽周期较小，则无需讨论将入射光分离成两个分量，而仅仅用每个光栅刻槽对光强度、即每个光栅刻槽的Fraunhofer衍射，进行积分，由此可简单地计算出衍射效率，该效率与实际光栅效率相配能很好地吻合。该计算理论称为纯量理论。依照该理论，能够给出与实际光栅效率很好吻合的计算结果。
刻槽周期/波长＞5(刻槽周期相对于波长大于5)的区域称为纯量(scalar)域。对每个光栅刻槽形成的Fraunhofer衍射进行积分，由此可以计算衍射效率。在纯量域中，由频谱形状中的偏振引起的差异很小。
相反，刻槽周期/波长＜5(刻槽周期相对于波长小于5)的区域称为共振域，纯量理论不再成立。在共振域中，取决于偏振的边界区域作用发生变化。由此，为获得衍射效率，需要将入射到光栅上的入射光作为矢量，严格计算对光栅刻槽表面的作用。
通常，对于诸如辐射的短波长频谱，经常使用刻槽横截面形状类似长方形的薄层光栅。对于波长从紫外到近红外的分析器的分光镜，主要使用刻槽横截面形状类似锯齿的小阶梯光栅。尽管存在各种原因，具有最佳衍射效率的刻槽形状主要取决于所用的波长区、光栅用法等。在纯量域中，基于纯量理论的计算结果能相当好地与实际结果匹配。然而，在共振域中，对于从近红外到红外的那些波长，刻槽周期与波长变为相同数量级，因为刻槽横截面形状类似正弦波的全息光栅在衍射效率方面比小阶梯光栅更好，因此经常利用光栅横截面形状类似正弦波的全息光栅。
通常按照以下方式大规模生产复制光栅在反光栅的光栅面上形成作为脱模剂的薄油膜或金或铂等粘接力较弱的金属膜。通过真空溅射在膜上面形成铝薄膜。然后用粘接剂将复制基板(玻璃基板)粘到铝薄膜上。粘接剂固化后，将玻璃基板与母模部件(反光栅)分离。铝薄膜连同玻璃基板一起与母模部件分离。从而，提供了复制光栅，其中反光栅的光栅刻槽转印到该复制光栅上。
在制造光栅时，如果试图提供所用波长区中的分辨率，必需增加光栅的刻槽数量(缩短刻槽周期)。当刻槽周期和所用的波长变为相同数量级时，需要增大刻槽深度相对于刻槽周期(深宽比)。然而，就全息光栅而论，因为曝光时干涉条纹的刻槽横截面形状类似于锯齿波，且在曝光时存在振动、热等的分布，因此在曝光过程中很难稳定地产生良好对比度的干涉条纹。由此，不能形成较深刻槽深度的抗蚀图形。由此就不能制造出刻槽深度较深的全息光栅或铜焊全息光栅。
当复制在能制造光栅的范围内深宽比适当大的全息光栅或小阶梯光栅时，脱模剂不能有效地敷设在刻槽表面，在分离阶段容易发生破损。例如，在分离时，光栅刻槽破碎或没有忠实地转印刻槽形状，由此光栅性能下降，即，经常是制造效率会极度变坏。为避免分离过程中的这个问题，需要一种深宽比小和容易分离的形状。然而，为试图获得特别用在从近红外到红外的波长范围内的光栅的高分辨率，深宽比变大，绝对刻槽深度也变深；上述问题更加突出。
另外，对于全息光栅和小阶梯光栅，在共振域，即使将深宽比作得很大，波峰也留在短波长侧。由此，在理论上将波峰带到任何想要的波长中也很困难。因此，难于在所用波长的邻近波长区中形成具有足够衍射效率的反射(透射)带。

发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种光栅，其在很宽的波长区域、特别是在共振域内具有高衍射效率，该光栅适于通过从光栅转印制造复制品、反光栅和复制光栅，本发明还提供了制造这些光栅的方法。
发明人注意到根据所用波长区等应用而使用不同类型光栅的事实。作为勤勉研究的结果，发明人发现了一种能解决上述问题的刻槽横截面形状，其在衍射效率方面非常突出，同时考虑到了基于相关技术中刻槽横截面形状的制造方法。
根据计算，对于从近红外到红外的波长，全息光栅在刻槽周期与波长为同一数量级的域内比小阶梯光栅更出色。在光栅的复制品中，刻槽深宽比越小，刻槽彼此之间的啮合力越小，而刻槽底部越大，到达刻槽底部的脱模剂就越充足。当刻槽形状满足这些条件时，依照本发明的光栅的刻槽横截面不类似于薄片形状(长方形)，而是类似于例如锯齿、正弦波等，刻槽底部形状类似平面形。也就是说，依照本发明光栅的刻槽横截面为半锯齿形、半正弦波形和具有平坦顶部的半锯齿形等。
对具有这种刻槽横截面形状的本发明光栅进行了衍射效率模拟。发现，本发明的光栅在任何想要的波长区域内能获得以前在现有技术的小阶梯光栅或全息光栅中得不到的高衍射效率。也发现，通过模拟获得的衍射效率能与实际制造的光栅的衍射效率测量结果很好地相符；能提供良好的有效结果。
如果光栅在刻槽底部具有平坦部分，则作为基础的刻槽横截面形状可以是除薄层形状外的任何形状，例如锯齿形、正弦波形、或通过对锯齿形状或正弦波形状进行小幅修改提供的形状。光栅可以是反射型或透射型。


图1A到1H是描述依照本发明用于制造全息光栅和复制光栅的实施例的示意图；图2是描述全息曝光装置的结构示例的示意图；图3是基于依照本发明的光栅的TE偏振的衍射效率模拟图；图4是基于依照本发明的光栅的TM偏振的衍射效率模拟图；图5是基于依照本发明的光栅的非偏振的衍射效率模拟图；图6是表示依照本发明刻槽横截面形状类似具有平坦顶部的半锯齿的光栅横截面视图。
具体实施例方式
通过将刻槽横截面形状类似正弦波的光栅作为示例，讨论依照本发明的光栅的制造方法和复制方法。
在图1A中，数字1表示由光学玻璃制成的基板。基板是光栅的原始坯料，基板可以是任何的材料，如果它能够进行光学抛光且能在它上面涂覆光刻胶。光学玻璃具有低的由热变化引起的膨胀系数，其作为用作光学元件的光栅，是很出色的。例如，也能很好地使用低膨胀率的水晶玻璃，这些玻璃例如BK7、BSC2、耐热玻璃、苏打玻璃(soda glass)、石英玻璃、Zerodure(由SCHOTT制造)、或crystron(由HOYA有限责任公司制造)。在本实施例中，采用BK7玻璃作为例子。首先，对BK7玻璃(大约60mm×60mm×11.3mm)进行光学抛光，以便形成凹面基板，用超声波清洗技术清洁其表面。
接着，在基板1的表面上设置光刻胶层2。光刻胶可以是任何形式，只要能全息曝光。例如，可以使用MP1400(由Shifurei制造)、OFPR5000(由Tokyo Ouka制造)等。在本实施例中，以3000rpm的速度对MP1400-22旋涂40秒钟，然后在对流烘箱中于90℃下烘烤30分钟，形成400nm厚的光刻胶层2。
将图1A中如此制备的工件安装到图2所示的全息曝光装置中。利用例如He-Cd激光器(λ＝441.6nm)通过两个光通量干涉的全息曝光方法，对每毫米有900个干涉条纹的潜像曝光，而将光刻胶的光栅图形(图1B)形成到光刻胶上，然后通过专用显影剂进行显影，接着用纯水漂洗。此时，通过两个光通量干涉产生的干涉条纹的强度分布是正弦波，但通过控制曝光时间和显影时间能在基板表面上形成形状类似半正弦波的光刻胶光栅图形21。在该实施例中，占空比(刻槽宽度a/刻槽周期b)为0.5。也可以通过控制曝光时间和显影时间来确定光刻胶光栅图形21(振幅形状类似正弦波)的刻槽深度c；在该实施例中，刻槽深度为300nm。
接着进行反应离子束刻蚀(图1C)。作为所使用的刻蚀气体，CF4与Ar气体的混合比为Ar/(CF4+Ar)＝60％，气体压力为2×10-2Pa，离子束从基板的垂直方向施加。刻蚀持续大约10分钟，直到抗蚀图形消失，该图形完全直接刻在BK7玻璃基板1上。由此，就能得到刻槽横截面形状类似半正弦波的光栅，其刻槽深度为400nm，占空比为0.5(图1D)。
所用刻蚀气体CF4与Ar的混合比可通过一开始产生的抗蚀图形高度和任何想要的光栅刻槽深度来确定。由此，混合比并不限于上述实施例中的那样。每次可从Ar/(CF4+Ar)＝0.1到0.9的范围选择最佳值。所用刻蚀气体并不限于CF4与Ar的混合气体，它也可以是CF4与O2的混合气体或氟族气体，例如CHF4或CBRF3与Ar或O2。离子束的入射方向也不限于纵向入射(0度)。简而言之，目的是要实现提供要最终完成的光栅的最佳衍射效率的刻槽深度。
至于这样制造的光栅，当其刻槽数目为每毫米900个、刻槽深度为400nm时，1.55um区域内TE偏振变为40％，而TM偏振变为95％；例如，该光栅适于与光学通信应用一起使用。至于相关技术的光栅，它们具有相同的刻槽深度400nm，当光栅是光栅刻槽形状类似锯齿的铜焊光栅时，TE偏振变为17％，TM偏振变为80％，而当光栅是全息光栅时，TE偏振变为22％，而TM偏振变为94％。因此，与相关技术中的小阶梯光栅和全息光栅相比，本发明该实施例中制造的平底型全息光栅显示出非常出色的衍射效率。
图3到5表示的是基于共振理论和本发明实施例中制造的平底型全息光栅的小阶梯光栅和全息光栅的偏振衍射效率的模拟结果。模拟条件如下刻槽数量(N)＝900/mm；2K＝5度；衍射级＝1；以及刻槽深度(h)＝400nm。模拟结果显示，平底型全息光栅在TE、TM和非偏振方面非常出色。与之相比，小阶梯光栅的模拟结果在TE、TM和非偏振方面存在差别。这证明在制造平底型全息光栅的过程中变化很小，平底型全息光栅在质量方面也比小阶梯光栅出色。因此，平底型全息光栅在制造周期和成本方面也比相关技术的光栅更出色。
接着清洗刻蚀完的原光栅，然后于真空蒸发装置中涂覆在所用波长范围内最适宜的材料(图1E)。如果原光栅的反射系数在所用波长范围内足够高，则也能使用原光栅本身，而无需涂覆。如果使用的波长范围中原光栅的反射系数不高，则需根据需要为原光栅涂覆金(Au)、铂(Pt)、X射线多层膜、或类似物，由此能够提高光栅对所用波长的反射系数和耐用性。在该实施例中，原光栅涂覆有铝(Al)，铝在从紫外区到红外区的波长范围内具有相对高的反射系数。
接着，将讨论由原光栅制造反光栅和复制光栅的方法(图1F)。在真空蒸发装置内在涂覆了Al的原光栅上形成作为脱模剂的例如硅脂薄油膜(大约1nm厚)。然后通过真空溅射在薄油膜上形成铝薄膜(约0.2μm厚)。然后，在将原光栅从真空蒸发装置取出后，用粘接剂将诸如玻璃基板的反基板粘到铝薄膜上。
在该实施例中，采用环氧树脂作为粘接剂，但是粘接剂并不限于环氧树脂，其也可以使用尿素树脂、黑素树脂、酚树脂等耐热的热固性树脂。如果使用了BENEF IX VL(由Ahderu有限公司制造)等，就会减少热变形作用。也可用采用弹性粘接剂EP-001(由Cemedain制造)等。
如果在粘接剂固化后将反基板与原光栅(母模部件)分离，则反基板连同作为分层面的脱模剂一起分离开。然后，反基板分离后，用Freon等溶剂清洗反基板表面上残留的脱模剂，以便去除脱模剂。由此完成了反光栅，其具有从原光栅转印到反基板表面上的光栅刻槽(图1G)。
复制光栅的制造方法类似于反光栅的制造方法。在反光栅上形成脱模剂层和铝薄膜。利用粘接剂将复制基板粘到反光栅上。在粘接剂固化后，将复制基板与反光栅分离。反光栅的刻槽形状被再次反相，该刻槽形状转移到复制光栅的表面。由此，制造出了刻槽形状等于原光栅刻槽形状的复制光栅。重复该过程，就能制造大量的复制光栅。在制造本发明的原光栅的复制光栅时，由于刻槽深宽比小，因此刻槽彼此间的啮合力小，由于刻槽底部大，因此脱模剂完全能达到刻槽底部。因此，就能在分离时防止诸如光栅刻槽碎裂、光栅性能降低的问题。无论什么时候需要，都可以根据已知的制造方法和已知的复制方法改进该实施例。
在本实施例中，光栅的刻槽横截面形状类似半正弦波。本发明并不限于这样的光栅。本发明的光栅的刻槽横截面形状可类似半锯齿形或具有如图6所示的平顶半锯齿形。
当波长范围内的波长与刻槽周期具有相同数量级或比刻槽周期大时，相关技术领域中的小阶梯和全息光栅很难平衡地提供高衍射效率的TM偏振和高衍射效率的TE偏振。另外，在相关技术领域的小阶梯和全息光栅中，刻槽深宽比变大，这难于制造复制光栅，不能有效转印原光栅的刻槽形状，难于提供具有良好衍射效率的光栅。另一方面，根据本发明的光栅是平底型，其刻槽横截面形状类似正弦波或锯齿波，刻槽底部形状类似平面形，例如，光栅的刻槽横截面形状类似半锯齿形、半正弦波、和具有平顶的半锯齿形。因此，即使在波长范围内波长的数量级与刻槽周期相同或大于刻槽周期的情况下，也能平衡地提供高衍射效率的TM偏振和高衍射效率的TE偏振。另外，对于本发明的光栅，复制光栅的制造比相关技术中的小阶梯光栅和全息光栅的制造更容易，于是就可能以低成本制造高分辨率的光亮分光镜。特别是，能够提供用于光学通信的高分辨率光栅，其在1.2到1.7um效率范围内是非常出色的。
权利要求
1.一种光栅，其刻槽横截面形状不是薄片形状，刻槽底部形状类似平面形。
2.根据权利要求1所述的光栅，其中光栅刻槽的宽度对刻槽周期的占空比为0.5。
3.根据权利要求1所述的光栅，其中刻槽横截面形状为正弦波或锯齿形。
4.一种反光栅，它是通过从刻槽横截面形状不是薄层形状、而刻槽底部形状类似平面形的光栅转印制造的。
5.一种复制光栅，它是通过从刻槽横截面形状不是薄层形状、而刻槽底部形状类似平面形的光栅转印制造的。
6.一种制造反光栅的方法，所述方法包括制备一种原光栅，所述原光栅的刻槽横截面形状不是薄层形状，而刻槽底部形状类似平面形；用粘接剂将反基板粘到原光栅上；以及粘接剂固化后，将反基板从原光栅上分离下来。
7.一种制造复制光栅的方法，所述方法包括由原光栅制备反光栅，所述原光栅的刻槽横截面形状不是薄层形状，而刻槽底部形状类似平面形；用粘接剂将复制基板粘接到反光栅上；以及粘接剂固化后，将复制基板从反光栅上分离下来。
全文摘要
本发明光栅的刻槽横截面不是薄层形状，而是例如类似正弦波或锯齿形，刻槽底部形状类似平面形。在刻槽周期与从近红外到红外的所用波长为相同数量级的范围内，本发明光栅比相关技术中的全息光栅和小阶梯光栅的光谱性能更出色(在较宽的波长范围内具有平衡的高效率)。当制造本发明光栅的复制品时，由于刻槽深宽比小，因此刻槽彼此间的啮合力也小，由于刻槽底部大，因此脱模剂能充分到达刻槽底部。
文档编号G02B5/18GK1428617SQ01144849
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月28日 优先权日2000年7月26日
发明者长野哲也, 小枝胜, 佐藤诚, 佐藤晃, 宫内真二 申请人:株式会社岛津制作所