一種用於極紫外的二維單級衍射光柵的製作方法

2023-05-11 23:26:06

本發明涉及光學器件技術領域，更具體的說，涉及一種用於極紫外的二維單級衍射光柵。

背景技術：

衍射光柵發展時間較長，目前用於光譜儀的光柵一般為傳統的一系列的平行溝槽和線條組成的金屬薄膜黑白光光柵，存在多級衍射的問題。尤其是在極紫外波段，由於此波段存在大量的原子共振線與吸收線，任何材料對此波段的輻射都存在嚴重的吸收，甚至空氣也不例外，其吸收長度通常為微米或納米量級。因此，極紫外波段輻射的研究具有極大的困難。

目前，很多的衍射光柵器件已經被發明應用，有的衍射光柵器件利用光柵製造周期d在(λ，2λ)區間時會抑制特定波長λ所產生的高級衍射，然而，有效抑制的波長λ範圍只被限制在了(d/2，d)區間，而對於極紫外波這樣的短波長，以目前的納米製造工藝很難將周期控制在合適區間之內；有的衍射光柵器件利用不同種類的濾片組合來抑制目標波長的高次諧波，但是在測量光譜時,一塊濾片僅對某一波長區域有效,不同的區域需要不同的插入件,這不僅增加了製造成本,也使譜儀結構變得複雜,更重要的是這會對測量譜線的精度造成很大的影響。總之，在極紫外波段,這些方法都很難得到滿意的效果。

因此，設計並製作能夠在極紫外波段有效地抑制高次諧波，並且易於加工的單級衍射光柵是目前光譜分析技術發展和應用領域中迫切需要解決的問題。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供了一種用於極紫外的二維單級衍射光柵，可以在極紫外波段有效的抑制高次諧波，且製作工藝簡單，製作成本低。

為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種用於極紫外光的二維單級衍射光柵，所述二維單級衍射光柵包括：透明基底以及位於所述透明基底表面的柵條層；

所述柵條層具有多個透光柵條以及多個不透光柵條；

所述透光柵條以及所述不透光柵條在第一方向上交替分布，且所述透光柵條以及所述不透光柵條均沿第二方向延伸，所述第一方向垂直於所述第二方向；

在所述第一方向上，所述透光柵條相對的兩邊均為鋸齒形；且所述透光柵條在所述第一方向上的寬度處處相同。

優選的，在上述二維單級衍射光柵中，在所述第一方向上，所述二維單級衍射光柵的光柵常數為p，所述透光柵條的寬度為p/2，所述不透光柵條在所述第一方向上的寬度為d；且d的取值範圍滿足：

優選的，在上述二維單級衍射光柵中，所述光柵常數的範圍是450nm-550nm，包括端點值。

優選的，在上述二維單級衍射光柵中，在所述第一方向上，所述透光柵條一側鋸齒的寬度等於所述光柵常數的六分之一。

優選的，在上述二維單級衍射光柵中，所述不透光柵條為金薄膜、或銀薄膜、或鋁薄膜、或鉻薄膜、或矽薄膜、或氮化矽薄膜、或碳化矽薄膜。

優選的，在上述二維單級衍射光柵中，在垂直於所述透明基底的方向上，所述不透光柵條的厚度範圍是100nm-300nm，包括端點值。

優選的，在上述二維單級衍射光柵中，所述透明基底為二氧化矽基底、或氮化矽基底、或碳化矽基底。

通過上述描述可知，本發明技術方案提供的用於極紫外的二維單級衍射光柵中，設置所述透光柵條以及所述不透光柵條在第一方向上交替分布，且所述透光柵條以及所述不透光柵條均沿第二方向延伸，所述第一方向垂直於所述第二方向；在所述第一方向上，所述透光柵條相對的兩邊均為鋸齒形；且所述透光柵條在所述第一方向上的寬度處處相同。通過調整透光柵條在之間的間距以及透光柵條的寬度，在實現對極紫外光波段的衍射的同時，使得衍射圖案只具有0級和正負1級衍射圖案，能夠消除2n、3n、4n、5n級衍射(n為非零整數)級衍射，抑制高級衍射，降低噪點，提高解析度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種於極紫外光的二維單級衍射光柵的俯視圖；

圖2為圖1所示二維單級衍射光柵在aa』方向的切面圖；

圖3為圖1所示二維單級衍射光柵的透光柵條的結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種二維待機衍射光柵對極紫外光的衍射特性圖；

圖5為本發明實施例提供的一種二維待機衍射光柵對可見光的衍射特性圖；

圖6為本發明實施例提供的一種衍射特性圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

本發明實施例提供了一種用於極紫外光的二維單級衍射光柵，如圖1-圖3所示，圖1為本發明實施例提供的一種於極紫外光的二維單級衍射光柵的俯視圖，圖2為圖1所示二維單級衍射光柵在aa』方向的切面圖，圖3為圖1所示二維單級衍射光柵的透光柵條的結構示意圖。

本發明實施例提供的二維單級衍射光柵包括：透明基底11以及位於所述透明基底表面的柵條層；所述柵條層具有多個透光柵條12以及多個不透光柵條13。

所述透光柵條12以及所述不透光柵條13在第一方向x上交替分布，且所述透光柵條12以及所述不透光柵條13均沿第二方向y延伸，所述第一方向x垂直於所述第二方向y。所述第一方向x以及所述第二方向y均平行於所述透明基底11。第三方向z垂直於所述透明基板11。

在所述第一方向x上，所述透光柵條12相對的兩邊均為鋸齒形；且所述透光柵條12在所述第一方向x上的寬度處處相同，均為p/2。p為所述二維單級衍射光柵的光柵常數。

如圖3所示，為了使得透光柵條12相對的兩邊均為鋸齒形，所述透光柵條12包括：沿第二方向y延伸的矩形條狀區域21；在第一方向x上，設置在矩形條狀區域21兩側的多個鋸齒22。

通過調節光柵常數、透光柵條12的寬度以及不透光柵條13的寬度可以使得該二維單級衍射光柵在目標波段實現衍射的同時，並消除該波段的高級衍射。如上述，當所述二維單級衍射光柵的光柵常數為p時，為了實現在實現衍射的同時消除高級衍射，在所述第一方向x上，設置所述透光柵條12的寬度為p/2，所述不透光柵條13在所述第一方向上的寬度為d，且d的取值範圍滿足：不同的不透光柵條的寬度d可以不同。不透光柵條的寬度d滿足隨機分布關係。

通過設置光柵常數p以及所述不透光柵條13的寬度為d，可以使得該二維單級衍射光柵能夠對不同波段的光波實現衍射的同時，並消除高階衍射。

根據光柵的延伸原理，不透光柵條的寬度d、入射光的波長λ以及入射角θ滿足：

dsinθm＝mλ

其中，θm為入射角，m為±1、±2、±3、…。根據夫琅禾費衍射原理可知，衍射強度公式為：

其中，m為衍射級次，不同衍射級次的強度是零級衍射強度i0與三個sinc數學式的乘積。當d滿足上述隨機分布時，2n、3n、4n、5n級衍射的強度均為零，以消除高級衍射。

本發明實施例所述二維單級衍射光柵通過鋸齒形的透光柵條12以及鋸齒形的不透光柵條實現光波衍射，同時通過設計不透光柵條13的寬度為關於光柵常數的預設隨機分布關係，在實現衍射的同時能夠消除高級衍射，降低噪點，提高解析度。

當用於極紫外光的衍射時，所述光柵常數p的範圍是450nm-550nm，包括端點值。在所述第一方向x上，所述透光柵條13一側鋸齒22的寬度等於所述光柵常數的六分之一，即鋸齒22的寬度等於p/6。

本發明實施例中，所述不透光柵條13採用吸收極紫外光的材料製備。具體的，所述不透光柵條13可以為金薄膜、或銀薄膜、或鋁薄膜、或鉻薄膜、或矽薄膜、或氮化矽薄膜、或碳化矽薄膜。

可選的，在垂直於所述透明基底的方向z上，所述不透光柵條13的厚度範圍是100nm-300nm，包括端點值。可以設置不透光柵條13的厚度為150nm。所述透明基底11為二氧化矽基底、或氮化矽基底、或碳化矽基底。

本發明實施例所述的二維單級衍射光柵能夠消除2n、3n、4n，5n級的衍射光柵，擴大了單極衍射光柵檢測到的光譜範圍，完全的抑制了噪聲，有效的解決了高次諧波的汙染問題，同時本發明設計的單級衍射光柵包括透光和不透光的二值化的結構，易於製作，極大的簡化了工藝難度，尤其是在極紫外光學系統中，使現代的光譜分析技術應用於極紫外波段。

本發明實施例所述的二維單級衍射光柵結構簡單，可以通過圖案化該薄膜可以形成預設結構的不透光柵條13以及透光柵條12，該薄膜可以通過鍍膜工藝形成，圖案化該薄膜的方法可以採用標準的半導體工藝製作，易於加工，製作方法簡單，製作成本低。可以通過刻蝕工藝在薄膜表面形成隨機分布的透光柵條12，以使得不透光柵條13的寬度成預設的隨機分布。

本發明實施例所述的二維單級衍射光柵用於極紫外波段衍射時，能夠有效抑制高次諧波，可以在極紫外光學系統和雷射等離子體診斷軟x光譜測量當中得到應用，以適應更廣範圍的實際應用需求。

下面結合具體的實驗數據說明本申請實施例中二維待機衍射光柵消除高級衍射的效果。

在透明基底表面形成不透光的薄膜。該薄膜可以完全吸收極紫外光。該薄膜可以為金屬鉻薄膜，厚度為150nm。刻蝕所述不透光的薄膜，被刻蝕的區域形成透光柵條，未刻蝕的區域為不透光柵條。被刻蝕的區域在第一方向上的兩側均為鋸齒形，形成上述鋸齒形的透光柵條。

所述透光柵條在所述不透光的薄膜上隨機分布，使得不透光薄膜的寬度滿足隨機分布關係。

當發明實施例所述二維待機衍射光柵在極紫外光照射下，其衍射特性圖如圖4所示，圖4為本發明實施例提供的一種二維待機衍射光柵對極紫外光的衍射特性圖。

由圖4可知，當入射波長為50nm時，在橫軸ξ上，只存在0級和±1級衍射。圖4中在橫軸ξ上依次排布的三個白色光斑中，中間亮度較大的白色光斑為0級顏色圖像，其左右兩側的分別為±1級衍射圖像。在橫軸ξ上，不存在其他高級衍射，在縱軸η上，在0級衍射圖像的上下兩側不存在衍射圖案。因此，該二維待機衍射光柵可以作為單色儀或者光譜儀的分光元件使用，將排除諧波汙染問題。

當發明實施例所述二維待機衍射光柵在波長為500nm的可見光照射下，其橫軸ξ方向上的衍射特性圖如圖5所示，圖5為本發明實施例提供的一種二維待機衍射光柵對可見光的衍射特性圖，圖5中縱軸為相對衍射效率，橫軸為衍射級次，可以看到，1級的相對0級的衍射效率為23.94％，可以看出本發明實施例所述二維待機衍射光柵和傳統正弦衍射光柵有同樣的抑制高級衍射的性質，在平行於光柵衍射的ξ軸上，只存在0級和+1/-1級衍射。不存在高級衍射。

如圖6所示，圖6為本發明實施例提供的一種衍射特性圖，他圖6中縱軸為相對衍射效率的對數，橫軸為衍射級次，可以更加清晰地看到，單級衍射光柵能夠抑制2n、3n、4n，5n(n為非零整數)級衍射。本發明擴大了單極衍射光柵檢測到的光譜範圍，完全的抑制了噪聲，有效的解決了高次諧波的汙染問題。

通過上述描述可知，本發明實施例所述二維待機衍射光柵通過鋸齒形的透光柵條與不透光柵條實現衍射，透光柵條的寬度不變，並設置隨機分布的透光柵條，使得不透光柵條的寬度滿足預設的隨機分布，可以在實現對預設波段實現衍射的同時消除高次諧波。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。