专利名称：一种制作阵列部分环带光子筛匀光器的方法
技术领域：
本发明涉及激光光束波面整形技术领域，特别是一种用于实现高斯波前和不规则波前激光束在远场衍射光场的波前平顶化，即实现接近于平面波前分布的光场的阵列部分环带光子筛匀光器及其制作方法。该种阵列部分环带光子筛匀光器可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种光路中。
背景技术：
通过各种途径对于高斯波前和不规则波前激光束进行匀光，使得光束变换成为接近于平面波前的光束是一个实用的课题，在各种光路中都有广泛的应用，比如在光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前的各种仪器中。能够实现这种功能的光学器件统称为勻光器。位相调制技术是通过改变衍射光线传播截面的位相分布从而实现预期衍射光强分布的技术。用于进行调制的方法有多种，有固定位相分布的位相板，也有用光电晶体制成的可由电压控制位相分布的调制片。因为衍射位相板光能的利用效率最高，所以最常用。所谓匀光器，也称为匀束器，是一种改变入射光束波前以实现类似平面波前光束的光学器件。一般的匀光器包括棱镜法工作原理为当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束，通过棱镜时，光束被四面棱镜分成四束光束，四束光束在X-Y面上叠加后，光束分布均匀性有较好改善。在X-Y面上的一点的(X，y)，经过四面棱镜后，X-Y面上的光强变化百分比小于3%，激光传输率可达94%，用棱镜法可以获得输出光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但棱镜法的均匀效果仅在输入光束严格对称时才获得理想的效果，并且获得均匀光束截面的位置极严格的对应于光楔的角度。反射镜法工作原理为当一束光强分布近似高斯函数的准平行激光束经过透镜L1聚焦到反射镜M1上，经过一次反射后，其能量分布将按照图1-2所示发生光束方向的改变和能量叠加现象，同样经过透镜L2和反射镜M2后，光束将再一次叠加。这样经过多次的光束叠加后，其初始的高斯光束能量分布将被均匀化。用反射镜法也可以获得输出光束很好的均匀效果和较高的激光传输率，但反射镜法的装配和调试极为困难。万花筒法工作原理为当光强分布为近似高斯分布的入射光以最大入射角θ_进入光波导后，只有和透镜光轴平行的或和光轴成一较小夹角的光线不经过反射直接通过波导管，其余入射光的光线将在波导管内产生反射到达输出面的不同点上。万花筒法制作、装调简易，成本大大降低，能方便地改变输出光斑的大小，但此系统的传输损耗较大。柱面镜法方法原理为由四片柱面镜围成一个中空的方形结构，每片柱面镜安装在一个精细调整架上，通过调节可以控制中空部分的尺寸和形状，激光照射在装置上，中空部分激光直接透过，照射在边缘柱面透镜上的光将补偿到中间光的弱光强部分，通过计算柱面镜的参数和适当调节调整旋钮，就能得到均光效果，这种方法的优点是光束透过率较高，均光效果较好，但设计人员要求较高，设计人员需要计算镜片参数及设计高精度的微调机构。复眼透镜列阵法原理为蝇眼透镜阵列聚光系统光路，由mXm片焦距和尺寸相同的小透镜组成的方形透镜阵列L，透镜列阵L把入射的准直光束波面分割成m2束子光束，在靶面上形成的光强分布实际是球面聚光镜将各子光束会聚在其焦平面上的光强的积分。使用透镜阵列聚光系统，即使在入射光束近场分布均匀性很差的情况下，仍然可以在焦平面上得到均匀的光照效果。阵列匀光器，又称为阵列匀束器，是基于数学积分原理设计的，其可将光束分成无限多个细小的光束，每个细小的光束内部的能量分布是均匀的，将所有的小光束累计叠力口，就得到了在某一位置能量均勻分布的光斑。[参见，Lin ying, Lawrence Geoge N,Buck Jesse. Charaterization of excimer lasers for application to lenslet arrayhomogenizer [J] ,Applied Optics, 2001,49 (12) :1931-1941]。阵列勻光器的基本阵列单兀可以是透镜，即上述的复眼透镜阵列法，也可以是菲涅尔波带片[参见刘勋，陈涛，左铁钏，应用于准分子激光波面整形的二元光学元件的设计研究，中国激光(专刊)，2008年3月。]所谓光子筛，是一种新型聚焦成像衍射光学器件，利用它可以对X光聚焦和成像，这是一般棱镜和玻璃材料的成像光学器件无法实现的。光子筛与传统的光学元件Fresnel波带片相比，具有高分辨率和抑制二级衍射主极大等优点，能提高成像的对比度。而且，作为新型衍射元件，它具有体积小、重量轻、易复制等优点。光子筛可以应用于高分辨率显微镜、天文望远镜、下一代光刻，激光可控核聚变(ICF)研究等。在2001年，Kipper et al.首次提出了一种新型的衍射光学器件光子筛，用它来对软 X 射线和 EUV 福射光源聚焦和成像[Kipp, L.，Skibowski, Μ.，Johnson, R. L.，Berndt,R. ,Adelung,R. , Harm,S. , and Seemann,R. Sharper images by focusing soft X-ray withphoton sieves. Nature[J]，2001. 414，184-188.]。光子筛(Photon Sieve,PS)是在菲涅耳波带环上制作大量适当分布的具有不同半径的透光微孔的衍射光学元件(Diffraction Optical Element, DOE)。部分环带光子筛[jiajia, xie changqing, Phase zone photon sieve,ChinesePhysics B, vol 18 Nol，2009]是一种新发明的光子筛器件的变种，它有比光子筛更好的性能。可以在很多地方替代光子筛。该种部分环带光子筛的专利申请号200810115562. 5。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种阵列部分环带光子筛匀光器及其制作方法，以实现将高斯光束和其他波前不均匀激光束变换为波前近似平面的衍射光束。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种阵列部分环带光子筛匀光器，该阵列部分环带光子筛匀光器是一种在透明介质上，根据实际需要制造的部分环带光子筛的阵列，阵列的大小由实际需要给出。所谓部分环带光子筛是该种阵列型匀光器的基本单元。上述方案中，该部分环带光子筛是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，然后在其余的菲涅耳环带处刻蚀圆环，形成位相型的菲涅耳环带，环带的位相是π。这样在波带片的奇数和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数环的刻蚀位相环带，或者偶数环的透光孔和奇数环的刻蚀位相环带。在刻蚀环带，被光子筛圆孔所占据的部分并不刻蚀，位相仍为O。上述方案中，所谓阵列就是重复这个部分环带光子筛的结构。为达到上述目的，本发明还提供了一种制作阵列部分环带光子筛匀光器的方法，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，包括以下步骤利用电子束直写法制作出母版；
通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；上述方案中，所述通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上的步骤中，所述接触曝光的复制误差小于O. 5 μ m，所采用的光刻胶为Shipley sl818，厚度为 I. 8 μ m。上述方案中，所述将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中的步骤中，所采用的刻蚀气体为三氟甲烷(CHF3)，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为O. 077 μ m/min。(三)有益效果本发明提供的阵列部分环带光子筛匀光器，是基于数学积分原理设计的，其可将光束分成无限多个细小的光束，每个细小的光束内部的能量分布是均匀的，将所有的小光束累计叠加，就得到了在某一位置能量均匀分布的光斑。该种阵列匀光器的基本单元部分环带光子筛，是一个位相型的衍射元件，它的单独功能是实现入射到其上的光束在远场的波前平顶化，而且入射光束入射到该基本单元后，实现了光束的再聚焦和远场的扩散，从而实现了阵列器件的匀光。
图I是阵列部分环带光子筛匀光器的基本衍射单元，部分环带光子筛的示意图。图中黑色为透光部分，位相为H，白色圆孔透光的部分位相为0，灰色为不透光的部分，铬膜。该部分环带光子筛是基于10环菲涅尔波带片的部分环带光子筛。圆孔直径和相应菲涅尔波带片圆环宽之比为1.5。图2是本发明阵列部分环带光子筛匀光器实施例之一的10X10阵列光子筛匀光器的示意图，衍射单元是图I;图3 —束高斯光束入射到阵列部分环带光子筛匀光器的示意图。图4是IOX 10阵列菲涅尔波带片匀光器的示意图。该种匀光器的基本衍射单元式菲涅尔波带片，该种匀光器已公开发表。本发明列出这种匀光器的目的是把本发明的阵列部分环带光子筛环匀光器和阵列菲涅耳波带片匀光器进行对比，从而证明本发明的匀光结果优于阵列菲尼尔波带片匀光器。图5 —束高斯光束入射到阵列菲涅尔波带片匀光器的示意图。
图6高斯光束不入射到任何匀光器，入射到阵列菲涅尔波带片匀光器，入射到阵列部分环带光子筛匀光器的衍射光束的强度对比图。从图中可以明显看出不入射到任何匀光器，高斯光束的光强度分布是一条高斯曲线。两种匀光器都是实现了对高斯光束的匀光，但是本发明提供的阵列部分环带光子筛匀光器的匀光效果要比现有的阵列菲涅尔波带片匀光器的匀光效果要好。因为它实现了更接近于平面波前的衍射光束。图7是阵列部分环带光子筛匀光器的实验检测装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。阵列部分环带光子筛匀光器是一种新型的衍射光学位相元件，即位相板。该位相板放置于衍射极限透镜之前或之后，对激光束远场衍射光场进行修正，即匀光，实现比入射光束不规则波前(比如高斯光束)更接近于平面波前的衍射光束。本发明给出了阵列部分环带光子筛匀光器的设计结构，并进行了相关模拟实验。实验验证了采用阵列部分环带光子筛匀光器可以实现高斯光束波前的平顶化，即把高斯光束变换成为波前接近于平面波前的衍射光束。本发明技术可用于光束整形、微电子无掩模刻蚀和其它需要平面波前光束的各种光路中。本发明提供的这种阵列部分环带光子筛匀光器，是一种在透明介质上，根据实际需要制造的部分环带光子筛阵列，阵列的大小由实际需要给出。所谓部分环带光子筛是该阵列部分环带光子筛匀光器的基本单元。该部分环带光子筛是一种在透明介质上，先制造普通的光子筛，然后在其余的菲涅耳环带处刻蚀圆环，形成位相型的菲涅耳环带，环带的位相是H。这样在波带片的奇数和偶数环带都有透光部分，分别是奇数环的透光孔和偶数环的刻蚀位相环带，或者偶数环的透光孔和奇数环的刻蚀位相环带。在刻蚀环带被光子筛圆孔所占据的部分并不刻蚀，位相仍为O。所谓阵列就是重复这个光子筛的结构。图2是本发明阵列部分环带光子筛匀光器实施例之一的IOX 10阵列光子筛匀光器的示意图，衍射单元是图I;图中黑色为透光部分，位相为H，白色透光圆孔的位相为0，灰色部分不透光。该环带光子筛是基于10环菲涅尔波带片的光子筛。圆孔直径和相应菲涅尔波带片圆环宽之比为1.5。由衍射光学角谱的结论可知设在z = O平面上引入一个无穷大的包含有匀光器结构的位相片，理想的高斯光束照在匀光器上。匀光器的透过率函数为S(x，y, z):高斯光束透过匀光器光强为E(x，y,O)，经过二维空间离散傅里叶变换得到入射光在衍射屏上的角谱R)(fx，fy，0)。
on onE{fx,./; .0) = J J E{x, >',0) exp[- jln(Jx x + ./；
K=O(I)
a p _ P在⑴中，fx，fY是空间频率，t =- iY =7 (α，β是波矢与X轴，Y轴之
AΛk
间的夹角)。入射光经过匀光器后沿Z方向传播。在Z = z处，空间频率的频谱E. (fx, fy，
权利要求
1.ー种制作阵列部分环带光子筛匀光器的方法，其特征在于，该方法利用大規模集成电路エ艺技术和平面光刻エ艺技术实现，包括 利用电子束直写法制作出母版； 通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上； 利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中。
2.根据权利要求I所述的制作阵列部分环带光子筛匀光器的方法，其特征在于，所述通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上的步骤中，所述接触曝光的复制误差小于O. 5 μ m，所采用的光刻胶为Shipley sl818,厚度为I. 8 μ m。
3.根据权利要求2所述的制作部分环带光子筛的方法，其特征在于，所述将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中的步骤中，所采用的刻蚀气体为三氟甲烷CHF3，流量为30SCCM，RF功率为500W，偏置功率为200W，对石英基底的刻蚀速率为O. 077 μ m/min。
全文摘要
本发明公开了一种制作阵列部分环带光子筛匀光器的方法，该方法利用大规模集成电路工艺技术和平面光刻工艺技术实现，包括利用电子束直写法制作出母版；通过接触式光刻法将母版图案转移到涂有光刻胶的光学玻璃上；利用感应耦合等离子刻蚀技术，将移到光学玻璃光刻胶上的图案刻蚀到光学玻璃中。利用本发明，实现了对高斯光束和其它不均匀非平面波前光束的波前平顶化，实现光束的匀光，实现接近平面的波前光束。
文档编号G02B5/18GK102681170SQ20121014224
公开日2012年9月19日 申请日期2009年9月16日 优先权日2009年9月16日
发明者刘明, 谢长青, 贾佳 申请人:中国科学院微电子研究所