一种相位型衍射光栅的制作方法

本发明涉及衍射光栅技术领域，尤其涉及一种相位型衍射光栅。

背景技术：

衍射光栅一般是采用平行的黑白条衍射光栅，在光谱分析中只有±1级的光有利于分析，但是黑白条光栅存在多级衍射的问题，即存在高级衍射，而且在极紫外波段的应用时，由于材料对于此波段的吸收也是较为严重，工艺和图像设计上都有很大的困难。

目前已有的几种单级衍射光栅，包括倾斜的矩形孔和随机大小的圆形孔，还有六边形孔的单级衍射光栅，虽然都能够抑制高级衍射，使得只存在0级和±1级，但是±1级的绝对衍射效率较低，最高的也只有6.25％，在实际应用中也有局限，如何获得在抑制高级衍射的同时，还可以提高绝对衍射效率的衍射光栅是目前光谱分析技术发展和应用领域要解决的问题。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的相位型衍射光栅。

本发明实施例提供一种相位型衍射光栅，包括：

薄膜衬底；

所述薄膜衬底上均匀开设的形状和尺寸相同的多个栅孔，其中，所述多个栅孔在所述薄膜衬底上呈规则阵列排布；所述多个栅孔呈规则阵列排布时的横向周期为px，纵向周期为py；所述栅孔的尺寸与所述横向周期px和纵向周期py呈预设比例；所述薄膜衬底的厚度根据入射光的波长的值确定。

优选的，所述栅孔的形状为对称六边形、v型、正方形或圆形。

优选的，所述栅孔的形状为v型时，v型栅孔的第一对称轴与所述横向周期的方向相同，且所述第一对称轴将所述v型栅孔的一相对的凹角的顶点和凸角的顶点相连，在所述第一对称轴上有第一参考点，所述第一参考点与所述凸角的顶点的距离为a，所述第一参考点与所述凹角的顶点的距离为a1，所述第一参考点是所述第一对称轴与所述凸角的两个邻角的两个顶点的连线的交点，其中，a＝px/3，a1＝px/6。

优选的，所述凸角的两个邻角的两个顶点与所述第一参考点位于一条直线上，且所述两个顶点分别到所述第一参考点的距离为b，b＝py/2。

优选的，在所述栅孔的形状为对称六边形时，对称六边形栅孔连接两相对顶角的第二对称轴的方向与所述横向周期的方向相同，所述两相对顶角的顶点的连线的中点为第二参考点，所述第二参考点分别到所述两相对顶角的顶点的距离为a，所述对称六边形栅孔的相对平行的两边的边长均为2a1，其中，a＝px/3，a1＝px/6。

优选的，所述第二参考点到所述对称六边形栅孔的相对平行的两边的距离分别为b，b＝py/2。

优选的，在所述栅孔的形状为正方形时，正方形栅孔的边长为a，且所述正方形栅孔的一边长方向与所述横向周期方向或所述纵向周期方向相同，其中，a＝px/3。

优选的，在所述栅孔的形状为圆形时，圆形栅孔的半径为a，其中，a＝px/3。

优选的，所述薄膜衬底为透明材料，所述透明材料具体为氧化硅、二氧化钛、氮化硅中的任意一种。

优选的，所述薄膜衬底的厚度d与入射光波长λ的关系如下：

其中，δ2＝0，kdδ1＝π，c为光在真空中的传播速度，k为波矢。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供一种相位型衍射光栅，包括薄膜衬底和薄膜衬底上均匀开设的形状和尺寸相同的多个栅孔，其中，该多个栅孔在薄膜衬底上呈规则阵列排布，栅孔在呈规则阵列排布时的横向周期为px，纵向周期为py，栅孔的尺寸与横向周期px和纵向周期py呈预设比例，由于该栅孔的尺寸与栅孔呈规则阵列排布时的横向周期和纵向周期呈预设比例，根据光栅的绝对衍射效率的计算公式获得±1级的绝对衍射效率值相对较高，0级和高级的绝对衍射效率得到有效抑制。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：

图1a示出了本发明实施例中v型栅孔的结构示意图；

图1b示出了本发明实施例中v型栅孔尺寸的结构示意图

图2a示出了本发明实施例中的对称六边形栅孔的结构示意图；

图2b示出了本发明实施例中的对称六边形栅孔尺寸的结构示意图；

图3示出了本发明实施例中的相位型衍射光栅的远场衍射图；

图4示出了本发明实施例中的相位型衍射光栅的衍射特性图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种相位型衍射光栅，包括薄膜衬底10，该薄膜衬底10上均匀开设的形状和尺寸相同的多个栅孔，其中，多个栅孔在薄膜衬底上呈现规则阵列排布；多个栅孔呈规则阵列排布时的横向周期为px，纵向周期为py，栅孔的尺寸与横向周期px和纵向周期py均呈预设比例，薄膜衬底10的厚度d根据入射光的波长的值确定。其中，相邻栅孔之间的横向距离用px表示，相邻栅孔之间的纵向距离用py表示。

该栅孔的形状具体可以为对称六边形、v型、正方形或圆形。

下面对这几种形状的栅孔的尺寸分别介绍：

如图1所示，当为v型栅孔时，该v型栅孔的第一对称轴l1与横向周期px的方向相同，且该第一对称轴l1将该v型栅孔的一相对的凹角101的顶点和凸角102的顶点相连，且该v型栅孔的第一参考点o1位于该第一对称轴l1上，该第一参考点o1到该凸角102的顶点的距离为a，该第一参考点o1到该凹角101的顶点的距离为a1，该第一参考点o1是该第一对称轴l1与该凸角102的两个邻角的两个顶点的连线l2的交点，且满足a＝px/3，a1＝px/6。

优选的，该v型栅孔的凸角102的两个邻角的两个顶点与该第一参考点o1位于一条直线上，且该两个顶点分别到该第一参考点o1的距离为b，且满足b＝py/2。

如图2所示，当栅孔为对称六边形时，该对称六边形栅孔连接两相对顶角103，104的顶点的第二对称轴l3的方向与横向周期px的方向相同，该两相对顶角103，104的顶点的连线的中点为第二参考点o2，该第二参考点o2分别到该两相对顶103，104的顶点的距离为a，该对称六边形栅孔的相对平行的两边的边长均为2a1，其中，a＝px/3，a1＝px/6。

另外，该第二参考点o2到对称六边形栅孔的相对平行的两边的距离分别为b，b＝py/2。

当栅孔为正方形时，该正方形栅孔的边长为a，且正方形栅孔的一边长方向与该横向周期方向或纵向周期方向相同，且，a＝px/3，在本发明中就不作具体的图示。

当栅孔为圆形时，该圆形栅孔的半径为a，其中，a＝px/3，在本发明中就不作具体的图示。

上述的v型栅孔、对称六边形栅孔、正方形栅孔、圆形栅孔的尺寸的最小线宽在亚微米到微米量级之间。

该薄膜衬底10具体是透明材料，该透明材料可以为氧化硅、二氧化钛、氮化硅中的任意一种。

采用上述的相位型衍射光栅，采用正入射方式，且入射波长为532nm，形成如图3所示的远场衍射图，具体是在ξ轴上(η＝0)只存在1级衍射，0级和高级衍射得到有效抑制，采用本发明中的相位型衍射光栅，能够作为单色仪或者光谱仪的分光元件使用，从而排除谐波污染。

对于该相位型衍射光栅来说，绝对衍射效率的公式：

其中，m是衍射级次，d是光栅的厚度，材料的折射率n＝1+δ1+iδ2，nx和ny分别代表横向栅孔个数和纵向栅孔个数，c是常数，a0是单个栅孔的面积，a是每个周期单元的面积，a＝pxpy。

对于v型栅孔来说，单个栅孔的面积

当m＝0时，

则

c²nx²ny²a0²为系数项，为与薄膜衬底的厚度d相关的项，由于折射率n＝1+δ1+iδ2，可见，该薄膜衬底的厚度d是与折射率相关的，而折射率λ为波长，c为光在真空中的传播速度，可见，该薄膜衬底的厚度d是与波长λ相关的，在不同的波长下，可以改变该薄膜衬底的厚度d，使得δ2＝0，kdδ1＝π,k为波矢，从而使得与薄膜衬底的厚度d相关的项的值为0，即由此获得i(0)＝0，抑制了0级衍射。

同样的条件下，即δ2＝0，kdδ1＝π，当m≠0时，绝对衍射效率的公式如下：

其中，当m＝±2，±3……时，根据sinc函数的性质获得由此，获得的绝对衍射的光强为0，从而抑制了高级衍射。

当m＝±1时，相较于之前振幅型光栅来说，未引入与该薄膜衬底的厚度d相关的项时，增加了光强。

针对对称六边形、正方形、圆形的栅孔结构，上述的公式同样适用。

可见，该相位型衍射光栅可以抑制0级和高级衍射，且提高±1级的衍射效率。

如图4所示为该相位型衍射光栅在ξ轴上η＝0方向的远场衍射特性图，由该图可以看出，1级衍射效率为27.72％，虽然有5级的衍射，但是该5级的衍射相对于1级衍射效率很低，因此可忽略不计。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明提供一种相位型衍射光栅，包括薄膜衬底和薄膜衬底上均匀开设的多个形状和尺寸相同的栅孔，其中，该多个栅孔在薄膜衬底上呈规则阵列排布，栅孔在呈规则阵列排布时都得横向周期为px，纵向周期为py，栅孔的尺寸与横向周期px和纵向周期py呈预设比例，由于该栅孔的尺寸与栅孔呈规则阵列排布时的横向周期和纵向周期呈预设比例，薄膜衬底的厚度按照入射光的波长的值调整，根据光栅的绝对衍射效率的计算公式获得±1级的绝对衍射效率值相对提高，0级和高级的绝对衍射效率得到有效抑制。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。