基于柱面光栅的分光波导模块和集成光谱仪及制作方法与流程

本发明涉及基于柱面光栅的分光波导模块和集成光谱仪及制作方法，特别涉及小型化、高集成的光谱仪及其制作方法，属于光谱技术领域。

背景技术：

光谱仪在环境检测、食品安全以及实时安检等众多领域有重要应用。其中光栅色散型光谱仪由于具有色散均匀、光谱分辨率高等优点受到广泛关注。

目前市场上光栅色散型光谱分析仪器向着小型化集成化的方向发展，通常是通过缩小光学元件的尺寸，对传统结构进行空间上的优化，带来的后果是组装更加困难，性能快速下降。

有学者提出用波导压缩光束以便更好的小型化。如foster-miller公司研制的znse波导红外光谱仪，采用rowland结构，波导为znse楔形波导，凹面光栅粘在波导的一端，线阵探测器放置在波导的另一端。光线由入射光纤引入，经凹面光栅分光会聚后成像在探测器上。凹面全息光栅在两个方向曲率半径一样，设计光路时不容易匹配像差，而且光栅粘在znse波导上，无法避免定位偏差。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种基于柱面光栅的分光波导模块和集成光谱仪及制作方法，利用一片固体导光介质，将光波导、透镜、光栅等的制备全在其上完成，一体成型无需拼接和调节，具有效果稳定可靠和微型的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

基于柱面光栅的分光波导模块，包括光波导单元和光栅分光单元，所述光波导单元包括平板波导和柱形出入射端，所述光栅分光单元包括柱面光栅，所述柱面光栅和柱形出入射端分别设置在所述平板波导的两端，且与所述平板波导为一体式结构；所述柱面光栅表面镀有高反膜。

上述技术方案中，所述平板波导选用高折射率材料，所述高折射率材料包括sio2、znse或玻璃。

上述技术方案中，所述高反膜选用金膜。

上述技术方案中，所述柱面光栅包括若干连续刻槽，总体呈圆弧柱状结构，其在水平方向面的曲率半径为r，20mm≤r≤120mm。

基于柱面光栅的集成光谱仪，包括入射狭缝、分光波导模块和线阵探测器；所述入射狭缝用于接收外界光信号并将该光信号入射到所述光谱仪内部；所述分光波导模块包括光波导单元和光栅分光单元，所述光波导单元包括平板波导和柱形出入射端，所述光栅分光单元包括柱面光栅，所述柱形出入射端用于将光信号在垂直方向上压缩使其限制在波导内传输，并将反射到其上的光信号聚焦到所述线阵探测器；所述柱面光栅用于将入射光线分光并反射到柱形出入射端；所述入射狭缝和所述线阵探测器靠近所述分光波导模块的柱形出入射端设置。

基于柱面光栅的分光波导模块的制作方法，所述方法采用机械加工法制作模块轮廓结构，并基于电子束3d灰度曝光光刻法制作柱面光栅；所述方法包括：

选用大小适宜的高折射率材料作为平板波导基底；

通过机械加工将所述平板波导基底加工成模块轮廓结构，所述模块轮廓结构为一端平直另一端呈圆弧面的板块式结构，所述板式结构包括如上所述的平板波导和柱形出入射端，以及用于制作柱面光栅的圆弧柱面；

将圆弧柱面清洗并烘干，通过hmds（六甲基二硅胺）蒸气淀积使圆弧柱面表面具有疏水性；

根据刻蚀比将适量光刻胶旋涂到所述圆弧柱面；并使用真空热板对所述圆弧柱面进行软烘，并将所述圆弧柱面边缘的光刻胶去除；

使电子束对准所述圆弧柱面并精准定位，并根据bmp灰度文件进行电子束曝光，所述bmp灰度文件包括与光刻胶对应的柱面光栅的曝光能量和焦距数据；将经过电子束曝光后的圆弧柱面浸入显影溶剂使其柱面光栅结构显影，并将其通过110~300℃热板后烘去除其上未曝光光刻胶，得到分光波导模块粗产品；

将所述分光波导模块粗产品通过100-130℃热板硬烘1-2min，使用干法刻蚀技术对硬烘后的分光波导模块粗产品的柱面光栅结构进行icp（电感耦合等离子体）刻蚀，并将经过电子束灰度曝光的光刻胶从所述柱面光栅结构上去除，清洗后得到柱面光栅。

将所述柱面光栅表面镀上高反膜，即得到所述分光波导模块。

上述技术方案中，所述柱面光栅包括若干连续刻槽形成的光栅，所述光栅线宽能够达到几十纳米。

上述技术方案中，平板波导基底尺寸为20mm×15mm×2mm~120mm×100mm×10mm。

本发明具有以下优点及有益效果：

1)光信号在固体平板波导中传播没有杂散光影响，结构简单，平板波导材料折射率越大发散角越小，光束尺寸越小，整体尺寸也越小，且入射端为柱面结构可以进一步使光束汇聚，从而减小光谱仪的尺寸。更小的发散角在保证分辨率的同时提高信号强度；

2)实现真正意义上的片上集成，而不是通过粘黏的方式组装光学零件。减少了光谱仪中各种光阑，没有活动部件，提高了整个系统的稳定性。在减小光谱仪尺寸的同时提高了分辨率，可应用于多种领域，特别是对分辨率要求高的领域。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于柱面光栅的集成光谱仪光路示意图。

图2为本发明所涉及的基于柱面光栅的分光波导模块结构示意图。

图3为本发明所涉及的基于柱面光栅的分光波导模块制作步骤示意图。

图4为本发明所涉及的柱面光栅结构示意图。

图5为实例1的尺寸示意图：（a）俯视图；（b）侧视图。

图中：1–入射光线；2–柱形出入射端面；3–入射光线；4–柱面光栅；5–出射光线；6–线阵探测器；7–平板波导；8–入射狭缝。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，基于柱面光栅的集成光谱仪，包括入射狭缝8、分光波导模块和线阵探测器6。本发明所述的光谱仪结构实际上是设置在作为光谱仪的仪器箱体中的内部结构，本领域一般技术人员均能理解和想象。仪器箱体一侧设有光信号入口，其光信号入口即为本发明所述的入射狭缝8。仪器箱体中的线阵探测器6具体位置则需要根据光谱仪的具体参数进行校准。入射狭缝8用于接收外界光信号并将该光信号入射到光谱仪（分光波导模块）内部。

如图2所示，分光波导模块包括光波导单元和光栅分光单元。光波导单元包括平板波导7和柱形出入射端2。平板波导为平直的长方体状结构，选用高折射率材料，高折射率材料包括sio2、znse或玻璃，能有效降低系统的整体高度，并提高系统的数值孔径，获得较高的光通量，更适用于拉曼光谱等弱信号检测领域。

光栅分光单元包括柱面光栅4，本发明所用柱面光栅为反射光栅。柱面光栅4呈圆弧柱状结构，该圆弧柱状结构为与所述平板波导等高且上下平面水平平行、光栅面在水平俯视方向呈圆弧状。柱面光栅4在水平方向面的曲率半径为r，20mm≤r≤120mm。柱面光栅4包括若干连续的刻槽，这些刻槽即为光栅。光栅的闪耀角固定且线宽相同，如图4所示。柱面光栅的闪耀角由光谱仪波长决定，通常为5°~40°。本发明的光栅线宽能够达到几十纳米的量级。柱面光栅4和柱形出入射端2分别设置在平板波导7的两端，且与平板波导7为一体式结构。柱形出入射端2为柱形透镜，如图2和图5b的侧视图所示，其曲率往往就是平板波导的厚度。柱形出入射端2用于将光信号在垂直方向上压缩使其限制在波导内传输，并将反射到其上的光信号聚焦到线阵探测器6。柱面光栅4表面（与柱形出入射端相对的一面）镀有高反膜，高反膜选用金（au）膜，用于将入射光线分光并反射到柱形出入射端2。

入射狭缝8和线阵探测器6靠近分光波导模块的柱形出入射端2设置。

基于柱面光栅的分光波导模块的制作方法，采用机械加工法制作模块轮廓结构，并基于电子束3d灰度曝光光刻法制作柱面光栅。

选用大小适宜的高折射率材料作为平板波导基底，高折射率材料包括sio2、znse或玻璃。平板波导基底的尺寸为20mm×15mm×2mm~120mm×100mm×10mm。

通过机械加工将平板波导基底加工成模块轮廓结构，模块轮廓结构为一端平直另一端呈圆弧面的板块式结构（如图3a所示），板块式结构包括平板波导7和柱形出入射端2以及用于制作柱面光栅的圆弧柱面。

将圆弧柱面清洗并烘干，去除表面污染物和水蒸气，使基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的粘附性；通过hmds（六甲基二硅胺）蒸气淀积，气相成底膜，使圆弧柱面表面具有疏水性，增强圆弧柱面表面与光刻胶的粘附性。

根据刻蚀比将适量光刻胶旋涂到圆弧柱面，如图3b所示。并使用真空热板对圆弧柱面进行软烘，除去溶剂（4～7%），增强黏附性，释放光刻胶膜内的应力，防止光刻胶玷污设备；并将圆弧柱面边缘的光刻胶去除。

使电子束对准所述圆弧柱面并精准定位。对准，主要包括激光自动对准功能进行预对准和通过对准标志进行精准定位，如图3c所示。并根据bmp灰度文件进行电子束曝光，如图3d所示。bmp灰度文件包括与光刻胶对应的柱面光栅的曝光能量和焦距数据，通过实验获得。

图3中虚线部分为电子束光刻的原理，在真空条件下，利用电子枪中产生的低能量密度电子经加速、聚焦后照射高分子材料，使材料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产生潜象，再将其浸入溶剂中将其显影出来。

并将其通过110~300℃热板后烘，减少驻波效应，激发化学增强光刻胶的pag产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。显影，使光刻胶具有柱面光栅的结构，去除其上未曝光光刻胶，得到分光波导模块粗产品，如图3e所示。

将所述分光波导模块粗产品通过100℃-130℃热板硬烘1-2min，全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力，进一步增强光刻胶与基底表面之间的黏附性，减少驻波效应。使用干法刻蚀技术对硬烘后的分光波导模块粗产品的柱面光栅结构进行icp刻蚀，并将经过电子束灰度曝光的光刻胶从所述柱面光栅结构上去除，清洗后得到柱面光栅，如图3f所示。柱面光栅包括若干上下贯通的刻槽，这些即为光栅。光栅的闪耀角固定且线宽相同，如图4所示。并且，通过本方法制作的柱面光栅线宽能够达到几十纳米。

将柱面光栅的表面镀上高反膜，即得到分光波导模块。

光栅是光谱仪的核心元件，选用柱面光栅具有如下显著的优势：

1）与平面闪耀光栅相比更利于集成，从而实现其微型化。这是由于使用平面光栅时，需同时增加准直、聚焦透镜，增大集成难度。同时由于光线的发散做作用，如果只在一个方向上准直，如光入射和出射处的柱面结构，最终得到的光谱仪的尺寸远远大于本发明尺寸。若将光入射和出射处的柱面结构改为球面结构，则加大了加工难度。

2）与全息凹面光栅相比，柱面光栅可以降低光谱中球差等像差，因为全息凹面光栅在两个方向曲率半径一样，设计光路时不容易匹配像差，对设计和制作要求更高。

目前制作柱面光栅的主要方式是机械加工，因此，往往受限制于机械加工的精度及光谱仪设计的整体尺寸。一般机械加工的加工精度很难高于1μm，其制作的光栅很难用于高精度光谱分光。

激光加工是目前很常用的一种加工方法，飞秒激光加工精度可以达到100nm，但是其加工深度一般仅为10μm，无法垂直于上表面加工深度为4mm的光栅。若垂直于侧面加工，无法实现高精度对准。且激光在加工过程中会产生热量，限制加工材料的种类，激光加工后的结构表面相比于刻蚀法更为粗糙。

使用3d灰度曝光光刻和刻蚀技术制作柱面光栅，可以制作几十纳米线宽的光栅，加工精度高、刻蚀后结构表面较为光滑。

实施例一：

选定大小合适的高折射率平板波导k9玻璃，其折射率约为1.517，相比空气传输（折射率1）可以使光谱仪的分辨率更高。如图5所示，经过机械加工后，平板波导轮廓尺寸为70mm×60mm×4mm。入射狭缝8宽度为0.05mm，高度为0.5mm，可以保证平板波导内有足够的光强。平板波导7的厚度为4mm，柱形出入射端2柱面曲率半径约为4mm，可以使光线发散角很小，保证光线在平板波导中水平传播，减少像差。从狭缝8到柱形出入射端2的距离为6mm，从柱形出入射端2至柱面光栅4的距离为70mm，从柱面光栅4至柱形出入射端2的距离69mm，从柱形出入射端2至线阵探测器6的距离为8mm。

使用3d灰度曝光光刻技术制作的柱面光栅曲率半径为87mm，刻线数为600/mm，闪耀角β为14.7°。最终制作的光栅线宽为1.66μm，高度为0.4μm。平板光谱仪的上下两个面是平行的，柱面光栅同时与两个面垂直，垂直高度为4mm。在完成光栅的刻蚀后在外表面镀高反射膜-au膜，使线阵探测器探测到的信号更强。柱面光栅4垂线与水平线的夹角为13°，柱形出入射端2垂线与水平线夹角为6.5°，线阵探测器6与水平线的夹角为3°。线阵探测器6选用ccd（chargedcoupleddevice）图像传感器，单个像元大小为14μm×14μm。光路图如图1所示，光谱范围为800-900nm，光谱分辨率为0.6纳米。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。