本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种变台阶衍射元件及其制备方法。
背景技术：
衍射元件是光线器件的重要一项，以菲涅尔透镜为例，由于其具有独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性等特点，因而被广泛地应用于光学、电子等众多领域。
衍射效率是衍射元件的重要参数，连续的位相结构理论上可以实现100％的衍射效率，但是现有的光刻加工工艺难以实现连续结构的制作。在实际加工中，通过离散台阶分布对连续位相结构进行近似，将每一个周期内的环带宽度按固定台阶数目进行分解，以提高衍射效率。一个周期内的台阶数越多，其位相结构越逼近连续型衍射元件，衍射效率也就越高。一般情况下，两台阶衍射元件的衍射效率为40％，四台阶衍射元件的衍射效率为81％，八台阶衍射元件的衍射效率为95％。因此，为得到能量利用率高的衍射元件，需要尽可能的增加台阶数目。
然而随着台阶数目的增加，每一级台阶的宽度会减小，这个尺寸会受到实际加工过程中光刻设备加工能力的限制。即使可以设计多级台阶的衍射元件，也无法保证其加工精度。尤其对于位相分布旋转对称的衍射元件，其环带半径沿径向方向减小，即中心区域环带宽，最外环带宽尺寸最小，实际可实现的台阶数目会受到最外环周期内线宽尺寸的限制，从而限制衍射元件的衍射效率。
技术实现要素：
为此，需要提供一种变台阶衍射元件的技术方案，解决由于加工设备加工能力有限，导致加工得到的衍射元件衍射效率低、能量利用率等问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种变台阶衍射元件的制备方法，所述变台阶衍射元件包括多个同心环带，方法包括以下步骤：
(1)定义w为加工设备在保持高精度的同时可实现的最窄线宽尺寸，根据w(依目前的加工水平通常为6μm)、衍射元件的设计波长λ、焦距f，以及f数f#，确定不同台阶数目的加工区域σl，计算公式如下：
其中，加工精度w与环带宽度δrn满足条件：
(2)计算不同加工区域的各级深度，计算公式如下：
其中，n(λ)为基底材料在衍射元件设计波长处的折射率值；
(3)在基片表面涂覆光刻胶，将带有光刻胶的基片放置在激光直写加工平台中心；
(4)控制激光直写加工平台对步骤(1)确定的加工区域进行曝光，并将完成曝光后的基片放入显影液静置n秒，而后清洗基片并烘干；
(5)保留基片上的光刻胶作为抗蚀剂，对基片进行离子束刻蚀加工，将刻蚀加工后的台阶结构从光刻胶转移到基底材料上；
(6)重复步骤(3)至(5)，直至各级台阶均加工完成；
(7)清洗基片，得到具有多级台阶的衍射元件。
进一步地，所述n的数值范围为30至90秒。
进一步地，步骤(6)具体包括：
在完成步骤(5)的基片上再次涂覆光刻胶，使得涂覆的光刻胶填充满台阶凹槽，保持光刻胶表面均匀平整；
利用激光直写进行套刻曝光，对已完成加工的台阶区域不进行曝光，只对未完成加工的台阶区域进行曝光，并将完成曝光后的基片放入显影液静置n秒，而后清洗基片并烘干；
对经过二次曝光后的基片进行离子束刻蚀，本次刻蚀深度为上一次刻蚀深度的两倍，而后将刻蚀加工后的台阶结构从光刻胶转移到基底材料上。
进一步地，在基片表面涂覆的光刻胶的深度大于步骤(2)计算得出的最大台阶深度。
进一步地，进行离子束刻蚀包括：刻蚀至对应的台阶深度值时，停止刻蚀，洗去光刻胶。
发明人还提供了一种变台阶衍射元件，所述变台阶衍射元件为如前文所述的制备方法所制备出的衍射元件。
本发明提供了一种变台阶衍射元件及其制备方法，以及提出一种规划台阶数目的方法，所述制备方法根据不同区域的环带宽度尺寸，规划其台阶数目，从而解决加工设备加工能力极限与衍射元件衍射效率之间的矛盾。对于衍射元件的中心区域，相较于外围区域设计更高台阶数目，由于台阶数目的增加，提高了该区域的衍射效率，从而提高整个衍射元件的衍射效率。同时，利用激光直写机分批次对衍射元件的不同级的台阶区域进行曝光，以及利用离子束刻蚀设备对基片进行离子束刻蚀加工，从而在不损失加工精度的前提下，实现具有更高衍射效率的衍射元件的设计及制作。
附图说明
图1为本发明一实施例涉及的变台阶衍射元件的制备方法的流程图；
图2为本发明一实施例涉及的变台阶衍射元件的结构示意图；
附图标记：
1、2级台阶区域；
2、4级台阶区域；
3、8级台阶区域；
4、中心台阶区域。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，为本发明一实施例涉及的变台阶衍射元件的制备方法的流程图。所述变台阶衍射元件包括多个同心环带，方法包括以下步骤：
首先进入步骤s101根据加工精度尺寸w、衍射元件的设计波长λ、焦距f，以及f数f#，确定不同台阶数目的加工区域σl。f数的值等于焦距f除以口径，加工精度尺寸w定义为实际光刻加工过程中所确定的最可靠最窄的可加工线宽尺寸。计算方式如公式(1)所示：
σl＝rn/ro(1)
其中，rn为第n个环带半径值，ro为最外环环带半径值，每一个环带宽度δrn＝rn-rn-1，l为台阶数目。得到公式(2)：
结合公式(1)和公式(2)，经过推导转化可得到需要加工的台阶数环带半径区域之间的关系，如公式(3)所示：
由于f#＝f/2r0，lw/4r0的数值较小，可以近似忽略，因而可以对公式(3)进行简化，如公式(4)所示：
综上，根据实际确定的最小可加工尺寸w、衍射元件的设计波长λ和f#，可确定不同台阶数目的加工区域。
而后进入步骤s102计算不同加工区域的各级深度。位相型衍射元件在一个周期内的位相变化为2π，变台阶衍射元件在不同区域具有不同的台阶数目，不同区域的每级台阶深度不同。其台阶深度可由公式(5)表示：
其中，n(λ)为基底材料在衍射元件设计波长处的折射率值，通过公式(5)可分别计算出不同区域对应的台阶深度值。
而后进入步骤s103在基片表面涂覆光刻胶，将带有光刻胶的基片放置在激光直写加工平台中心。优选的，在基片表面涂覆的光刻胶的深度大于步骤s102计算得出的最大台阶深度。具体做法如下：利用旋涂设备，根据需要加工的最深台阶深度，在基底材料上涂覆厚度超过最大台阶深度的光刻胶，要求光刻胶厚度均匀，表面平整。
而后进入步骤s104控制激光直写加工平台对待加工的台阶区域进行曝光，并将完成曝光后的基片放入显影液静置n秒，而后清洗基片并烘干。在本实施方式中，所述n的数值范围为30至90秒，优选为60秒。此时台阶轮廓图案已经加工在光刻胶表面，清洗基片并烘干后可以准备进行下一步加工。
而后进入步骤s105保留基片上的光刻胶作为抗蚀剂，对基片进行离子束刻蚀加工，将刻蚀加工后的台阶结构从光刻胶转移到基底材料上。在本实施方式中，进行离子束刻蚀包括：刻蚀至对应的台阶深度值时，停止刻蚀，洗去光刻胶。此时，边缘区域已完成加工，除边缘之外的其他区域还尚待加工。
而后进入步骤s106判断所有不同级台阶是否全部加工完成，若是则进入步骤s107清洗基片，否则执行步骤s103，直至所有台阶区域全部加工完成。
在本实施方式中，所述方法还包括：
首先，在步骤s105完成的基片上再次涂覆光刻胶，使得涂覆的光刻胶填充满台阶凹槽，保持光刻胶表面均匀平整。要求光刻胶上表面均匀平整。
而后利用激光直写进行套刻曝光，对已完成加工的台阶区域不进行曝光，只对未完成加工的台阶区域进行曝光，并将完成曝光后的基片放入显影液静置n秒，而后清洗基片并烘干。
而后对经过二次曝光后的基片进行离子束刻蚀，本次刻蚀深度为上一次刻蚀深度的两倍，而后将刻蚀加工后的台阶结构从光刻胶转移到基底材料上。具体地，当刻至预设深度值后停止加工，以待加工衍射元件为图2的衍射元件为例，当进行到这一步骤时，2台阶区域(1)有光刻胶作为抗蚀剂，台阶深度不发生变化，4台阶区域(2)完成加工，8台阶区域(3)及位于中心台阶区域(4)尚未完成加工，中心台阶区域的台阶数量大于8。重复上述步骤，直到8台阶区域(3)及位于中心台阶区域(4)也完成加工。
如图2所示，为本发明一实施例涉及的变台阶衍射元件的结构示意图。以一个口径20mm、f数f#＝15、设计波长632.8nm的衍射元件为例，其最外环线宽18μm，若将其设计为四台阶结构，最外环单台阶宽度小于5μm，激光直写设备可靠加工尺寸大于6μm，无法保证其加工精度，若制作2台阶结构，其衍射效率只能达到40％。而根据本发明的设计方法，通过规划不同区域加工不同台阶数目，使得靠近中心区域由于台阶数目的增加，更大程度上的提高了该区域的衍射效率，从而提高整个衍射元件的衍射效率，例如靠近中心台阶区域(4)加工8台阶区域(3)，在边缘的2台阶区域(1)与8台阶区域(3)之间加工4台阶区域(2)，边缘区域加工2台阶的方式，可以将衍射元件的衍射效率提高至67％。在另一些实施例中，衍射元件包括的环带数量还可以为4个以上。
本发明利用激光直写机、离子束刻蚀设备，在不损失加工精度的前提下实现具有更高衍射效率的衍射元件的设计及制作。与传统多台阶衍射光学元件制作工艺具体以下特点：传统多台阶衍射光学元件每次曝光的尺寸大小都是整个衍射光学元件，而本专利中每次曝光的尺寸都小于上一次曝光区域尺寸大小，即从边缘环带区域开始向中心环带区域逐步加工，从而在不损失加工精度的前提下尽可能高的提高衍射效率。此外，本发明既可以利用大线宽图案套刻小线宽图案的方式进行加工，也可以利用小线宽图案套刻大线宽图案的方式进行加工。优选的，本专利中的变台阶衍射光学元件利用小线宽图案套刻大线宽图案，使得加工更加方便。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。