一种衍射光栅的制作方法

本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种衍射光栅。

背景技术：

众所周知，几乎所有的材料甚至空气都能够吸收10纳米到121纳米的极端远紫外光，简称极紫外光，因此在这个波段，无法采用一般的透镜光学系统进行光束控制，而是采用衍射光栅和反射镜来实现极紫外光的光束控制。

目前，极紫外分光系统主要采用衍射光栅进行分光。传统的二元光栅包含多级衍射，通常情况下分光只需要1级衍射，但是在宽光谱情况下，高级衍射与1级衍射产生交叠，扰乱分析结果，带来不容易消除的误差，制约摄谱精度，降低光学系统的性能。虽然正弦振幅光栅只有0级和+/-1级衍射，具有较好的衍射效率，但是利用已知材料和现有的加工工艺，制作极紫外波段的正弦光栅几乎不可能。目前已经报道的x射线单级衍射光栅，主要采用复杂的光栅形状来得到单级衍射。复杂形状的光栅虽然能抑制高级衍射，但是其结构难以制作，因此并不现实。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种衍射光栅，用于解决现有技术中，极端远紫外光分光系统进行分光时，高级衍射与1级衍射产生交叠，带来误差，导致分析结果不准确，摄谱精度降低的技术问题。

本发明提供一种衍射光栅，所述衍射光栅包括：不透光薄膜及开设在所述不透光薄膜上的N个透光圆孔；N为大于100的正整数，其中，

所述N个透光圆孔以预设的几率密度、呈准斜方格子分布在所述不透光薄膜上；且所述透光圆孔的大小与所述准斜方格子的周期之间具有预设的比例。

上述方案中，所述准斜方格子沿x轴方向的周期为2P_ξ，所述准斜方格子沿y轴方向的周期为P_η；且P_η≥P_ξ/2。

上述方案中，所述2P_ξ≥λ，所述λ为入射光的波长。

上述方案中，所述P_η≥λ/2。

上述方案中，所述r＝0.203P_ξ；其中，所述r为圆孔的半径。

上述方案中，所述透光圆孔在所述不透光薄膜上分布的几率密度根据几率密度函数ρ(s)＝1/(2a)确定；其中，所述s为所述透光圆孔的中心沿ξ方向偏离所述准斜方格子的距离，所述a为所述距离的最大值。

上述方案中，所述|s|≤a。

上述方案中，所述a＝P_ξ/4。

上述方案中，所述不透光薄膜的材料具体包括：金、银、铝、铬、硅、氮化硅或碳化硅。

上述方案中，所述不透光薄膜的厚度为50～5000nm。

本发明提供了一种衍射光栅，所述衍射光栅包括：不透光薄膜及开设在所述不透光薄膜上的N个透光圆孔；N为大于100的正整数；其中，所述N个透光圆孔以预设的几率密度、呈准斜方格子分布在所述不透光薄膜上；且所述透光圆孔的大小与所述准斜方格子的周期之间具有预设的比例；如此，透光薄膜上分布N个透光圆孔，且透光孔以一定的几率密度呈准斜方格子分布，因此能够完全抑制2，3，4级衍射，提高分辨率，进而确保分析结果的准确性，提高了摄谱精度；并且，该光栅能够实现自支撑，因此可以消除衬底带来的损耗；另外，由于该光栅结构由圆孔组成，且相邻圆孔之间的距离较大，所以易于加工。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的单级衍射光栅的局部结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的透射光栅的远场衍射特性图；

图3为本发明实施例二提供的透射光栅x方向的衍射特性图；

图4为本发明实施例二提供的透射光栅以对数表示的x方向的衍射特性图。

具体实施方式

在极端远紫外光分光系统进行分光时，为了抑制高级衍射，减小误差，提高摄谱精度，本发明提供了一种衍射光栅，所述衍射光栅包括：不透光薄膜及开设在所述不透光薄膜上的N个透光圆孔；N为大于100的正整数；其中，所述N个透光圆孔以预设的几率密度、呈准斜方格子分布在所述不透光薄膜上；且所述透光圆孔的大小与所述准斜方格子的周期之间具有预设的比例。

下面通过附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

实施例一

本实施例提供一种衍射光栅，如图1所示，所述衍射光栅包括：不透光薄膜1及开设在所述不透光薄膜上的N个透光圆孔2；N为大于100的正整数；其中，所述N个透光圆孔2以预设的几率密度、呈准斜方格子分布在所述不透光薄膜上；且所述透光圆孔2的大小与所述准斜方格子的周期之间具有预设的比例；其中，所述斜方格子具体包括：正方格子、长方格子、三角格子、有心长方格子及普通的斜方格子。本实施例中，准斜方格子为准三角格子。

具体地，当N个透光圆孔2呈准三角格子分布时，所述准三角格子沿x轴方向的周期为2P_ξ，即相邻圆孔的对称中心沿x轴方向之间的距离具体为2P_ξ；所述准三角格子沿y轴方向的周期为P_η，即相邻圆孔的对称中心之间沿y轴方向之间的距离具体为P_η。且P_η≥P_ξ/2。

所述N取值可以从几百到几万，一般由不透光薄膜的尺寸和周期2P_ξ、P_η的大小确定，以10μm×10μm不透光薄膜和P_ξ＝200nm，P_η＝200nm来说，所述N值是2500。

进一步地，为了可以消除谐波污染，提高分辨度，所述圆孔的半径r与P_x之间的比例关系可以根据公式(1)确定：

r＝0.203P_ξ (1)

其中，本实施例中，所述准三角格子沿x轴方向的周期2P_ξ为400nm，沿y轴方向的周期P_η为200nm，因此，圆孔的半径r为40.6nm。

其中，所述准三角格子沿x轴方向的周期为2P_ξ与入射光的波长λ之间的关系可以由公式(2)确定：

2P_ξ≥λ (2)

所述准三角格子沿y轴方向的周期为P_η与入射光的波长λ之间的关系可以由公式(3)确定：

P_η≥λ/2 (3)

且所述圆孔在不透光薄膜上分布的几率密度可以根据公式(4)确定：

ρ(s)＝1/(2a) (4)

其中，在公式(4)中，所述s为所述透光圆孔的中心沿ξ方向偏离所述准斜方格子的距离，所述a为所述距离的最大值。

进一步地，所述s的取值范围可以由公式(5)确定：

|s|≤a (5)

所述a值可以由公式(6)确定；

a＝P_ξ/4 (6)

这样，就确定了圆孔分布的位置、及圆孔的大小与准三角格子周期之间的比例关系。

这里，所述不透光薄膜的材料具体包括：金属铬；所述不透光薄膜的厚度为100nm。

当准周期圆孔阵列极紫外单级衍射光栅制作好之后，在实际应用中，可以根据夫琅禾费衍射的理论进行推导，得出透射光栅的相对衍射效率I(p,q)，具体可由公式(7)得出：

其中，在公式(6)中，所述I₀为衍射图样中心处的强度，所述I₀＝1；所述k为波矢，所述k＝2π/λ；所述p＝ξ/z，所述q＝η/z，(ξ,η)代表衍射屏上的位置，z为光栅到衍射屏的距离；所述N_ξ为x方向上圆孔的个数；所述N_η为y方向上圆孔的个数。

本实施例提供的透射光栅，不透光薄膜上分布N个透光圆孔，且圆孔以一定的几率密度呈准三角格子分布，因此只有0级和+/-1级衍射，不存在高级衍射，能够消除谐波污染，提高分辨率，进而确保分析结果的准确性，提高了摄谱精度；并且，该光栅能够实现自支撑，因此可以消除衬底带来的损耗；另外，由于该光栅结构上只存在透光和不透光两种区域，这种二值化的结构易于加工。

实施例二

相应于实施例一，本实施例还提供一种衍射光栅，如图1所示，所述衍射光栅包括：不透光薄膜1及N个透光圆孔2；其中，所述N个透光圆孔2以预设的几率密度、呈准斜方格子分布在所述不透光薄膜上；且所述透光圆孔2的大小与所述准斜方格子的周期之间具有预设的比例；其中，所述斜方格子具体包括：正方格子、长方格子、三角格子、有心长方格子及普通的斜方格子。本实施例中，准斜方格子为准三角格子。

具体地，当N个透光圆孔2呈准三角格子分布时，所述准三角格子沿x轴方向的周期为2P_ξ，即相邻圆孔的对称中心沿x轴方向之间的距离具体为2P_ξ；所述准三角格子沿y轴方向的周期为P_η，即相邻圆孔的对称中心之间沿y轴方向之间的距离具体为P_η。且P_η≥P_ξ/2。

所述N取值可以从几百到几万，一般由不透光薄膜的尺寸和周期2P_ξ、P_η的大小确定，以25μm×20μm不透光薄膜和P_ξ＝250nm，P_η＝200nm来说，所述N值是10000。

进一步地，为了可以消除谐波污染，提高分辨度，所述圆孔的半径r与P_x之间的比例关系可以根据公式(1)确定：

r＝0.203P_ξ (1)

其中，本实施例中，所述准三角格子沿x轴方向的周期2P_ξ为500nm，沿y轴方向的周期P_η为200nm，因此，圆孔的半径r为101.2nm。

其中，所述准三角格子沿x轴方向的周期为2P_ξ与入射光的波长λ之间的关系可以由公式(2)确定：

2P_ξ≥λ (2)

所述准三角格子沿y轴方向的周期为P_η与入射光的波长λ之间的关系可以由公式(3)确定：

P_η≥λ/2 (3)

且所述圆孔在不透光薄膜上分布的几率密度可以根据公式(4)确定：

ρ(s)＝1/(2a) (4)

其中，在公式(4)中，所述s为所述透光圆孔的中心沿ξ方向偏离所述准斜方格子的距离，所述a为所述距离的最大值。

进一步地，所述s的取值范围可以由公式(5)确定：

|s|≤a (5)

所述a值可以由公式(6)确定；

a＝P_ξ/4 (6)

这样，就确定了圆孔分布的位置、及圆孔的大小与准三角格子周期之间的比例关系。

这里，所述不透光薄膜的材料具体包括：金属铬；所述不透光薄膜的厚度为100nm。

当准周期圆孔阵列极紫外单级衍射光栅制作好之后，在实际应用中，可以根据夫琅禾费衍射的理论进行推导，得出透射光栅的相对衍射效率I(p,q)，具体可由公式(7)得出：

其中，在公式(6)中，所述I₀为衍射图样中心处的强度，所述I₀＝1；所述k为波矢，所述k＝2π/λ；所述p＝ξ/z，所述q＝η/z，(ξ,η)代表衍射屏上的位置，z为光栅到衍射屏的距离；所述N_ξ为x方向上圆孔的个数；所述N_η为y方向上圆孔的个数。

实际应用中，利用波长为13.5nm的极紫外光对本实施例中的衍射光栅进行照射时，参见图2，可以看出该光栅的远场衍射特性，从图中可以明显看出，在ξ方向存在明显的0级和+1/-1级衍射，相对于普通光栅的多级衍射，该衍射光栅能够抑制有效抑制2级及以上的高级衍射。

本实施例中，参见图3，该光栅1级相对0级的衍射效率为25％，与正弦光栅的衍射特性完全相同；参见图4，该衍射光栅只存在0级和+1/-1级衍射。

本实施例提供的准周期圆孔阵列极紫外单级衍射光栅，不透光薄膜上分布N个透光圆孔，且圆孔以一定的几率密度呈准三角格子分布，因此能够完全抑制2，3，4级衍射，提高分辨率，进而确保分析结果的准确性，提高了摄谱精度；并且，该光栅能够实现自支撑，因此可以消除衬底带来的损耗；另外，由于该光栅结构由圆孔组成，且相邻圆孔之间的距离较大，所以易于加工。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。