专利名称：全息光栅制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全息光栅制作方法，采用激光扫描的方法，利用单光束在材料表面的扩散波干涉的原理，制作可变光栅频率、可变深度的全息光栅。属于集成光学，光学器件制造技术领域。
背景技术：
光栅作为一种重要的器件，越来越广泛地被应用于耦合器、波导、转换器等用途，在当今的集成光学研究和各种光学测量仪器中，全息光栅更是常见的部件。
制作光栅的传统方法是机刻法，即用刻纹机在光栅材料(半导体、晶体、塑料、玻璃等)表面刻出一条一条的沟槽，这种方法对刻纹机的精度提出了很高的要求，几乎达到了机械加工的极限精度，因此设备昂贵而且工作效率低下，又无法生产高频光栅。
光刻法是新涌现出来的方法。一般是利用全息光刻法或激光干涉法进行工作。但是用这两种方法生产出来的光栅频率不会超过2400线/毫米，并且工艺中步骤很多，产生缺陷的可能性很大。
在专利US5668047中就使用了全息光刻系统，先在半导体基底材料的表面涂上一层对电子束敏感的光刻胶，然后用一束半径一定、剂量可调的电子照射该表面不同的位置，接下来用氯气进行干法刻蚀，将光刻胶形成的图形作为掩模版，将图形转移到半导体基底材料的表面上，同时对光刻胶进行灰化处理，得到沟槽深度、间距在不同部位不同的光栅。这种方法的问题在于设备比较复杂，需要真空设备，更重要的是用电子束刻蚀速度很慢，因此其使用有很大的局限性。
在专利EP1035424中利用了激光干涉系统。先在基底材料上形成一层由金属醇盐和β二酮组成的溶液，调节溶液的组成使金属醇盐水解，变成溶胶，加热使溶胶凝胶化，再用两束相干光形成干涉纹样，照射到凝胶上令其固化，干燥后即得所需要的光栅。这个过程实际上是先在基底材料表面上进行一次溶胶凝胶反应，然后用相干光源照射，实际操作起来难度很大，不容易控制。这种方法也不适用于制备集成光路中所需的局部光栅。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的全息光栅制作方法，采用激光扫描方法，利用单光束与它在材料表面形成的表面扩散波干涉的原理，在材料表面形成直线型的沟槽结构，制作可变间距、可变深度的全息光栅，同时简化工艺流程，减少设备投资。
本发明的技术方案中，所选用的光栅材料可以是半导体、聚合物、晶体、玻璃等，可以根据具体的使用要求灵活选用。
先将光栅材料清洗、切割成所需的形状，固定在一个由计算机程序控制的移动平台上，使入射的激光与材料的被照射表面成一定的夹角。在计算机程序的控制下，随着移动平台在平面内的运动，光束在材料表面做步进式线扫描。通过调节扫描的的工艺参数，包括激光束的波长、脉冲宽度、脉冲频率、入射光束的入射角度、功率密度、以及平台移动方向和速率，可以在材料的表面上得到规整的沟槽结构。
激光波长根据选用的材料的吸收决定，脉冲宽度为1～20ns，脉冲频率为5～10Hz，入射角度可以从0°变化到60°，入射光束功率密度为5～100mJ/cm2，移动速率为0.001～10mm/s。
本发明工艺简单，容易控制，成功率高；材料可选范围较大，便于根据实际用途灵活选用，从而控制成本；制得的全息光栅沟槽间距为200～500nm的光栅，线密度可高达5000线/毫米，并且线密度、深度可以调节、控制。
及实施例以下通过附图及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
图1为本发明的操作流程图。
如图所示，在进行材料清洗、切割后，将材料固定在一个移动平台上，在计算机程序的控制下对其进行激光照射、扫描，然后经表面清理、组装后，镀上金属膜得成品。
图2为本发明所使用的激光扫描装置结构示意图。
如图所示，本发明采用低能量的偏振激光，激光器1连接变频器2和起偏器3，从激光器1发出的激光经过变频、起偏处理，变换到适宜的频率和偏振态后，经反射镜4反射到材料5表面，被照射材料5固定在一个可以倾斜的平台6上，而倾斜平台6放置在移动平台7上面，在计算机8程序的控制下，可以在X、Y方向上移动。移动平台7连接一个空气压缩机9，压缩空气形成的气垫将移动平台7悬浮在平板10的上方，可实现无摩擦平动。
将该基板放置于激光扫描移动平台上，平台移动方向平行于激光偏振方向，调节激光脉冲宽度为5ns，脉冲频率为10Hz，波长为355nm，入射角度为20°，入射光束功率密度为20mJ/cm2，偏振方向为面内偏振，移动速率为0.5mm/s，重复扫描次数为5次。从所得的原子力显微镜图像来看，在材料表面生成了非常规整的沟槽结构，完全符合全息光栅的要求。
图3为实施例1得到的沟槽结构的原子力显微镜图像。
从图中可知，实施例1中在聚酰亚胺表面上所得到的表面沟槽间距约为330nm，经测量深度约为90nm；图4为实施例2得到的沟槽结构的扫描电子显微镜图像。
从图中可知，实施例2中在聚酰亚胺表面上所得到的表面沟槽间距约为200nm，另外经测量沟槽深度约为23nm；图5是实施例3得到的沟槽结构的原子力显微镜图像。
从图中可知，实施例3中在聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜表面上所得到的表面沟槽间距约为185nm，经测量沟槽深度约为50nm。
权利要求
1.一种全息光栅制作方法。其特征在于采用激光扫描的方法，将选用的光栅材料清洗切割后，放到一个由计算机控制的移动平台上进行激光步进式线扫描，激光脉冲宽度为1～20ns，脉冲频率为5～10Hz，入射角度0～60，入射光束功率密度为5～100mJ/cm2，移动速率为0.001～10mm/s，扫描后经表面清理、组装后，镀上金属膜得成品。
2.如权利要求1所说的一种全息光栅制作方法，其特征在于所选用的光栅材料可以是半导体、聚合物、晶体、玻璃等。
全文摘要
一种全息光栅制作方法,采用激光扫描的方法,利用单光束与它在材料表面形成的表面扩散波干涉的原理,在材料表面形成直线型的沟槽结构,制作可变间距、可变深度的全息光栅,将选用的光栅材料清洗切割后,放到一个由计算机控制的移动平台上进行激光步进式线扫描,通过调节扫描的脉冲宽度、频率、入射角度、功率密度等工艺参数,在材料表面上得到规整的沟槽结构。本发明工艺简单,容易控制,材料可选范围较大,便于根据实际用途灵活选用,从而进一步控制成本。
文档编号G02B5/32GK1335521SQ0112656
公开日2002年2月13日 申请日期2001年8月28日 优先权日2001年8月28日
发明者路庆华, 朱承翔, 李梅, 陆学民, 王宗光 申请人:上海交通大学