一种极紫外单级衍射光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体涉及一种极紫外单极衍射光栅。

背景技术：

衍射光栅是光谱仪的核心光学组件，决定着光谱仪的色散和成像本领，对于衍射光栅在推动科技发展起到的作用，近十几年来，随着微纳米加工技术的发展，人们已经制作出各种类型的高质量的衍射光栅；麦克斯韦方程组可以被各种进步算法精确求解，从而可以模拟所有光栅在任意光波段的性能以及衍射效率。衍射光栅的应用领域已经扩展到光学的所有分支以及其它多个学科，特别在极紫外光学系统中有着重要的作用，如色散、偏振、分束、相衬成像等方面的作用。

但是在衍射光栅普遍的衍射分析、摄谱分析等应用中，很多情况下高级衍射会在一级衍射的光谱范围产生交叠，导致了一个复杂的展宽结果，扰乱分析的结果，带来不容易消除的误差，制约其摄谱精度，降低整个系统性能，为极紫外光学系统的研究带来了很多的困难。

因此，设计并制作能够在极紫外波段有效地抑制高次谐波，并且易于加工的单级衍射光栅是目前光谱分析技术发展和应用领域中迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种极紫外单极衍射光栅，以解决现有技术中高级衍射与一级衍射发生级次叠加，带来误差，导致分析结果不准确，摄谱精度降低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种极紫外单极衍射光栅，包括：

透光衬底；

位于所述透光衬底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上开设有多个圆形透光通孔；

其中，所述圆形透光通孔在所述不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圆形透光通孔的圆心位于所述斜方格子的中心，所述圆形透光通孔的半径随机分布，存在最大值R_max和最小值R_min；

在所述不透光薄膜所在平面内，沿第一方向上，所述斜方格子的周期为P_x，沿第二方向上，所述斜方格子的周期为P_y，所述第一方向与所述第二方向垂直；

所述斜方格子的周期与所述圆形透光通孔半径的最大值和最小值之间具有预设比例。

优选地，所述预设比例为R_min＝P_x/6，R_max＝P_x/2。

优选地，所述随机分布为均匀分布、正弦分布、t分布、正态分布或泊松分布。

优选地，所述斜方格子包括：正方格子、长方格子或三角格子。

优选地，所述不透光薄膜的材质包括金、银、铝、铬、硅、氮化硅或碳化硅。

优选地，所述不透光薄膜的厚度范围为100nm-300nm，包括端点值。

优选地，所述透光衬底为熔融石英、玻璃或者有机玻璃。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的极紫外单级衍射光栅，包括透光衬底；和位于所述透光衬底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上开设有多个圆形透光通孔；半径随机的圆形透光通孔在所述不透光薄膜上呈斜方格子分布，完全抑制了背景噪声，提高了信噪比；且所述斜方格子的周期与所述的每个圆形通孔的半径的最大值和最小值之间按照预设的比例取值，这种光栅抑制了±2级和±3级衍射，从而消除了谐波污染，提高了分辨率，大大降低了结果的误差，进而提高分析结果的可靠性和准确性，提高了摄谱精度。

另外，由于光栅的透光图形为圆形，而且圆心位置固定，加之其二值化的结构特点，大大降低了加工工艺的难度。为极紫外光学系统提供了有力的光谱分析技术保障，并适应更广范围的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种极紫外单级衍射光栅的局部结构图；

图2为图1所示的极紫外单级衍射光栅在极紫外光照射下的衍射特性图；

图3为图1所示的极紫外单级衍射光栅在极紫外光照射下x轴方向的计算机模拟衍射轴线图；

图4为本发明实施例提供的另一种极紫外单级衍射光栅的局部结构图；

图5为图4所示的极紫外单级衍射光栅在极紫外光照射下的衍射特性图；

图6为图4所示的极紫外单级衍射光栅在极紫外光照射下x轴方向的计算机模拟衍射轴线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种极紫外单级衍射光栅，包括：透光衬底；位于所述透光衬底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上开设有多个圆形透光通孔；其中，所述圆形透光通孔在所述不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圆形透光通孔的圆心位于所述斜方格子的中心，所述圆形透光通孔的半径随机分布，存在最大值R_max和最小值R_min；在所述不透光薄膜所在平面内，沿第一方向上，所述斜方格子的周期为P_x，沿第二方向上，所述斜方格子的周期为P_y，所述第一方向与所述第二方向垂直；所述斜方格子的周期与所述圆形透光通孔半径的最大值和最小值之间具有预设比例。

请参见图1，图1为本实施例的极紫外单级衍射光栅的局部结构图，黑色区域为不透光薄膜；白色区域为圆形透光通孔。其中，本实施例附图中透光衬底并未示出。本实施例中对透光衬底的材质不做限定，可选为熔融石英、玻璃或者有机玻璃。

本实施例中所述不透光薄膜具有吸收极紫外光的作用，只要具有较好地吸收紫外光的不透明薄膜均可，因此，本实施例中对不透光薄膜的具体材质不进行限定，其材质可以包括金、银、铝、铬、硅、氮化硅或碳化硅，同样的，本实施例中对不透光薄膜的厚度也不做限定，可选的，所述不透光薄膜的厚度范围为100nm-300nm，包括端点值。可选的，图1所示极紫外单级衍射光栅的不透光薄膜的厚度为100nm，材质为金属铬。

如图1所示，本实施例中的圆形透光通孔在不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圆形透光通孔的圆心位于所述斜方格子的中心，本实施例中不限定所述斜方格子的具体形式，可选的，斜方格子包括：正方格子、长方格子、三角格子及普通的斜方格子。如图1中所示，斜方格子为长方格子，也即每个圆形透光通孔的圆心，与沿第一方向(也即x轴方向)相邻的圆形透光通孔的圆心；以及与沿第二方向(也即y轴方向)相邻的圆形透光通孔的圆心，以及斜对着的圆形透光通孔的圆心组成长方形，且周期性排列形成圆形透光通孔阵列。在所述不透光薄膜所在平面内，沿第一方向上，所述斜方格子的周期为P_x，也即每个圆形透光通孔的圆心与相邻的圆形透光通孔的圆心在x轴方向上的距离为P_x；沿第二方向上，所述斜方格子的周期为P_y，也即每个圆形透光通孔的圆心与相邻的圆形透光通孔的圆心在y轴方向上的距离为P_y；所述第一方向与所述第二方向垂直。

需要说明的是，本实施例中所有圆形透光通孔的半径均存在最大值R_max和最小值R_min；但每个圆形透光通孔的半径随机分布，本实施例中对所述随机分布不做限定，只要是随机分布，且所述斜方格子的周期与所述圆形透光通孔半径的最大值和最小值之间具有预设比例，即可实现极紫外光的单级衍射。所述随机分布可以为均匀分布、正弦分布、t分布、正态分布或泊松分布等；本实施例中每个圆形透光通孔的随机半径均满足半径最小值R_min＝P_x/6，半径最大值R_max＝P_x/2。

下面通过衍射特性分析，说明本实施例中提供的极紫外单级衍射光栅的衍射结果。如图2所示为本实施例的极紫外单级衍射光栅在可见光照射下的衍射特性图，图中ξ代表衍射平面与薄膜平面的x轴平行的方向，η代表衍射平面与薄膜平面的y轴平行的方向，从图中可以直观的看到本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅对极紫外光的单级衍射，和所预期的一致，在x轴上只存在0级和±1级衍射，有效的抑制高级衍射。因此，本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅可以作为单色仪或者光谱仪的分光元件使用，从而能够避免谐波污染的问题。

本实施例中极紫外单级衍射光栅的具体设置参数为：光栅线密度为3300线/毫米，光栅常数为300nm。假设入射极紫外光的光源面积为1mm×1mm，光栅图形区为了能够大于光源面积进行有效透射，x方向应该至少有1000000nm/300nm＝3333个周期，同样y方向也需要3333个周期，其中接收屏距离光栅面1m，入射方式为正入射，入射波长为13.5nm。

如图3所示为本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅在波长为13.5nm的极紫外光光照射下x方向的衍射特性图。其中，横轴表示衍射级次，纵轴表示相对衍射效率的对数，可以看出本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅和正弦衍射光栅一样，同样具有抑制高级衍射的性质，在平行于光栅衍射的ξ轴上，只存在明显的0级和±1级衍射，虽然有±4级的衍射，但是相对衍射效率极低，其相对衍射效率的对数约为10^-4，可以忽略。

此外，通过实验还可以验证，本发明提供的极紫外单级衍射光栅在X-ray、极紫外光、可见光、红外光各个波段都可以有效抑制高级衍射，主要包括±2、±3级的衍射，从而能够消除谐波污染，提高分辨率、灵敏度和噪声容限。

实施例二

本实施例提供一种极紫外单级衍射光栅，包括：透光衬底；位于所述透光衬底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上开设有多个圆形透光通孔；其中，所述圆形透光通孔在所述不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圆形透光通孔的圆心位于所述斜方格子的中心，所述圆形透光通孔的半径随机分布，存在最大值R_max和最小值R_min；在所述不透光薄膜所在平面内，沿第一方向上，所述斜方格子的周期为P_x，沿第二方向上，所述斜方格子的周期为P_y，所述第一方向与所述第二方向垂直；所述斜方格子的周期与所述圆形透光通孔半径的最大值和最小值之间具有预设比例。

请参见图4，图4为本实施例的极紫外单级衍射光栅的局部结构图，黑色区域为不透光薄膜；白色区域为圆形透光通孔。其中，本实施例附图中透光衬底并未示出。本实施例中对透光衬底的材质不做限定，可选为熔融石英、玻璃或者有机玻璃。

本实施例中所述不透光薄膜具有吸收极紫外光的作用，只要具有较好地吸收紫外光的不透明薄膜均可，因此，本实施例中对不透光薄膜的具体材质不进行限定，其材质可以包括金、银、铝、铬、硅、氮化硅或碳化硅，同样的，本实施例中对不透光薄膜的厚度也不做限定，可选的，所述不透光薄膜的厚度范围为100nm-300nm，包括端点值。可选的，图4所示极紫外单级衍射光栅的不透光薄膜的厚度为100nm，材质为金属铬。

如图4所示，本实施例中的圆形透光通孔在不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圆形透光通孔的圆心位于所述斜方格子的中心，本实施例中不限定所述斜方格子的具体形式，可选的，斜方格子包括：正方格子、长方格子、三角格子及普通的斜方格子。如图4中所示，斜方格子为三角格子，也即每个圆形透光通孔的圆心，与沿第一方向(也即x轴方向)相邻列的两个相近的圆形透光通孔的圆心连线为三角形，且周期性排列形成圆形透光通孔阵列。在所述不透光薄膜所在平面内，沿第一方向上，所述斜方格子的周期为P_x，也即每个三角格子的一个圆形透光通孔的圆心与相邻三角格子的相对位置上的圆形透光通孔的圆心在x轴方向上的距离为P_x；沿第二方向上，所述斜方格子的周期为P_y，也即每个三角格子的一个圆形透光通孔的圆心与相邻三角格子的相对位置上的圆形透光通孔的圆心在y轴方向上的距离为P_y；所述第一方向与所述第二方向垂直。

需要说明的是，本实施例中所有圆形透光通孔的半径均存在最大值R_max和最小值R_min；但每个圆形透光通孔的半径随机分布，本实施例中对所述随机分布不做限定，只要是随机分布，且所述斜方格子的周期与所述圆形透光通孔半径的最大值和最小值之间具有预设比例，即可实现极紫外光的单级衍射。所述随机分布可以为均匀分布、正弦分布、t分布、正态分布或泊松分布等；本实施例中每个圆形透光通孔的随机半径均满足半径最小值R_min＝P_x/6，半径最大值R_max＝P_x/2。

下面通过衍射特性分析，说明本实施例中提供的极紫外单级衍射光栅的衍射结果。如图5所示为本实施例的极紫外单级衍射光栅在可见光照射下的衍射特性图，图中ξ代表衍射平面与薄膜平面的x轴平行的方向，η代表衍射平面与薄膜平面的y轴平行的方向，从图中可以直观的看到本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅对极紫外光的单级衍射，和所预期的一致，在x轴上只存在0级和±1级衍射，有效的抑制高级衍射。因此，本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅可以作为单色仪或者光谱仪的分光元件使用，从而能够避免谐波污染的问题。

本实施例中极紫外单级衍射光栅的具体设置参数为：光栅线密度为3300线/毫米，光栅常数为300nm。假设入射极紫外光的光源面积为1mm×1mm，光栅图形区为了能够大于光源面积进行有效透射，x方向应该至少有1000000nm/300nm＝3333个周期，同样y方向也需要3333个周期，其中接收屏距离光栅面1m，入射方式为正入射，入射波长为13.5nm。

如图6所示为本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅在波长为13.5nm的极紫外光光照射下x方向的衍射特性图。其中，横轴表示衍射级次，纵轴表示相对衍射效率的对数，可以看出本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅和正弦衍射光栅一样，同样具有抑制高级衍射的性质，在平行于光栅衍射的ξ轴上，只存在明显的0级和±1级衍射，虽然有±4级的衍射，但是相对衍射效率极低，其相对衍射效率的对数约为10^-4，可以忽略。

此外，通过实验还可以验证，本发明提供的极紫外单级衍射光栅在X-ray、极紫外光、可见光、红外光各个波段都可以有效抑制高级衍射，主要包括±2、±3级的衍射，从而能够消除谐波污染，提高分辨率、灵敏度和噪声容限。

另外，需要说明的是，本发明实施例提供的极紫外单级衍射光栅制作方法简单，本实施例中公开一种极紫外单级衍射光栅器件的制作方法，需要说明的是，制作方法为本领域公知技术，并不限于下述方法。且下述透光衬底的材质、不透光薄膜的材质以及不透光薄膜的厚度均仅为示例说明，对本发明不做限定。

所述制作方法包括：

步骤1：在抛光好的石英衬底上溅射一层100nm的铬薄膜；

步骤2：在铬薄膜上旋涂一层正性电子束光刻胶后，立即进行热处理，再利用电子束曝光制作出设计好的周期排布的圆形光刻胶图形；

步骤3：以光刻胶图形为掩膜，利用干法刻蚀工艺刻蚀掉露出来的铬薄膜，形成圆形透光图形区；

步骤4：去除电子束光刻胶后，形成上述极紫外单级衍射光栅。

从上述制作过程可以看出，本发明提供的极紫外单级衍射光栅的制作均采用现有技术中的工艺，制作方法简单，且能够达到纳米级，因此减小了极紫外单级衍射光栅的制作成本，相对于正弦衍射光栅，更加容易制作，且并未采用昂贵的制作设备，相较于正弦衍射光栅的制作成本能够有所降低。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。