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1、应用与市场 利用准分子激光刻蚀法在光学玻璃 上快速制作耐用的相位透射光栅 1 简介 现在各种产业对衍射、 折射式和混合式 的微小光学器件有着强烈的需求。随着这一 领域的快速发展, 已为微小光学元件的制造、 复制和后期加工研制出许多方法, 包括电子 束刻蚀、 光刻蚀、 铸模、 钻石切削和其它技术。 这些不同的方法几乎可以获得任何所需要的 光学表面结构, 但是大多数方法需要适合选 定工艺的特殊材料, 而这种工艺却又不一定 满足应用的要求。 以玻璃为基质的微小光学元件以其独特 的光学、 电学和热学特性及其可以承受较高 光功率密度的特性, 将会有极大的需求。 特别 是传统的加工技术, 例如切削不适合于
2、可见 光和紫外光波段常用的光学玻璃这样较脆材 料的加工。玻璃铸模技术也不适用于精度小 于 1 ?m 的加工, 只有在半导体生产中常用 的光刻术和刻蚀加工法可以在以玻璃为基质 的微小光学元件的加工中达到这一精度。然 而, 除这些源于加工过程二元性的局限外, 生 产过程中的较高经济成本也使这些工艺不适 合于元器件的小批量生产。 深紫外波段的激光加工, 配以高精度的 定位和控制系统可以使材料的加工精度优于 亚微米。 准分子激光在 500 Hz 中等脉冲重复 率时可以输出每个脉冲 1 J 的能量。这是一 种通过烧蚀来加工复杂三维元件的理想工 具。 在过去几年中, 陶瓷和有机材料的细微加 工得到了广泛的
3、验证。 相反, 玻璃的激光加工更复杂, 激光脉冲 与材料之间的作用机制还远没有搞明白。紫 外光子能量正好在材料的典型束缚能范围 中。 光刻的相互作用过程涉及这一能级, 但同 时也观测到热效应、 保温效应和被照玻璃内 色心的影响使这一状态更加复杂。为了弄清 相关的物理过程, 要做更多的研究工作, 我们 现在的工作是基于经验模型。 下面, 作为二元相位透射光栅的例子, 我 们将描述玻璃衍射元件的制作。二元相位透 射光栅已被生产, 用来获得用于激光多普勒 风速计的高效高功率分束元件。 2 加工装置 实验所用机器的主要部分是: 激光源、 导 光系统、 工件定位系统、 控制系统、 监测系统 和附属子系统
4、( 图 1) 。 实验中以一台商用准分子激光器作为光 源, 它产生的光束截面为 10 mm30 mm, 发 散角为 31 mrad 2, 每个脉冲能量为 0. 8 J。 光强度轮廓陡边近似为高斯型, 另一边近似 为均匀分布。通过改变气体的组成而得到的 不同波长中, 由于玻璃的特征吸收光谱和其 它物理特性, 只有 248 nm ( KrF) 和 193 nm ( ArF) 适合于加工玻璃材料。 光束发散和强度轮廓等不利特性, 需要 一个成像导光系统, 将一个可伸缩的掩模投 射到工件上。该加工系统的侧向分辨率由光 波长和数值孔径( NA ) 决定。对目前的装置 Dmin= 1. 22? / NA
5、= 3?m。 34激光与光电子学进展 2000 年第 2 期( 总第 410 期) 图 1 受激准分子刻蚀的实验装置图 3 材料与光束的相互作用 如上所述, 迄今为止仍无完整的理论模 型来精确预计玻璃的真实刻蚀速率, 因此现 在所用的是基于刻蚀速率统计测定上的经验 模型。相互作用过程中一个重要的参数是首 个脉冲的刻蚀阈值 ?th, 刻蚀速率定义为在固 定能量密度下每个脉冲的刻蚀深度。 根据输 入光能量密度的大小可分为三个区域: ? ?th: 产生刻蚀, 随能量密度增加, 刻 蚀速率线性上升到一定值, 直到非线性效应 产生并且刻蚀速率最终达到一饱和值。 为了在加工表面获得较好的光学质量, 需要对
6、具体的玻璃选择正确的波长。实验中 采用了 193 nm、 248 nm 和 308 nm 波长, 结 果显示 193 nm 波长, 除了熔石英材料外, 光 学元件所用的几种玻璃可以被加工得很好; 248 nm 波长, 只有一些玻璃( 如 F2, InSe 和 FG375) 表现出尚好的加工特性; 在 308 nm, 除了 InSe 玻璃外, 所有被研究的玻璃都呈现 出有裂纹和碎片的粗糙表面。 由于 InSe 玻璃 是一种用于红外波段的可塑性材料, 很容易 用传统的切削和研磨方法加工, 所以不再对 其进行更深入的实验。 加工深度可以达到的分辨率由每一脉冲 的刻蚀速率决定, 每个脉冲的最小刻蚀速率
7、 为 50100 nm, 提高能量密度可使刻蚀速率 上升到最大 1 ?m/ 脉冲。 因此, 采用不同能量 密度下不同的脉冲数可以得到几乎所有的刻 蚀深度, 然而必须考虑加工中所限制的最小 加工深度分辨率。 根据激光束的最大宽度和 40 倍率缩小, 最大的刻蚀宽度约为 500 ?m/ 脉冲, 若需要 较大的结构, 必须采用多个脉冲。 为了避免机 械位移出现起伏, 需采用合适的交迭方式。 我 们采用了不同的方法以避免波动, 但效果均 不理想。 这是目前要进一步研究的问题, 加工 的宽度将受此值的限制。 利用准分子激光刻蚀玻璃所带来的另一 个问题是重新沉积在光栅表面上的碎屑所引 起的透射损失, 这是
8、不可避免的, 但是加工中 采用合适的气体将可以大大减少碎屑, 在所 试验的气体中, 氦气的效果最好。 残余的碎屑 35激光与光电子学进展 2000 年第 2 期( 总第 410 期) 也可以用其它合适的清洁方法清除, 例如用 超声波和合适的清洗液。 4 相位透射式衍射光栅 最先推动此项研究工作的是多普勒风速 计设备中需要透射相位衍射光栅作为光束分 束器, 这里的激光能量密度超出传统的光栅 材料( 环氧树脂, 聚合物和二色明胶) 的损伤 阈值。 用衍射光栅进行激光分束, 在其他许多 应用中也有很多优点, 例如, 把光栅成像到所 需的特定位置能达到干涉光束的相继交叉, 而不用分别调节各个光束, 就
9、可产生交叠的 干涉图样, 这样既可以减少准直工作量, 又可 以消去多谱线或宽带宽激光发射所带来的色 散影响。 在讨论衍射理论时, 我们采用了光栅理 论的标量近似。当考虑一个有周期性表面轮 廓 s( x ) ( x 为材料的折射率) 的透明光栅时, 光栅的透射函数为 t( x) = exp i 2? ?( n - 1) s( x) ( 1) 假设激光光束垂直入射, 利用标量近似值, 对 于光栅常数为 g 的刻槽周期性光栅, 其远场 的可测光强仅在以下角度上可以观测到: a = m? g ; m = 0, 1, 2( 2) ?为光束波长。 第m 级功率Pm可以通过对透 射函数 t( x) 在一个光
10、栅周期上进行傅里叶 积分得到 Pm= 1 k= 0 t( kg) e(i2? mk)dk 2 PL( 3) PL为光栅的入射激光功率。 用于对称光束分束 的许多光栅形状中, 对称矩形光栅不仅形状简 单而且有很高的衍射效率, ( 1) 级衍射效率 为 81%。 对于这样的光栅( 即光栅周期的一半 为深度为h 的刻槽) , 当? = ( ?/ ? ) ( n - 1) 或 光功率被衍射到 m 级时可以得到 Pm PL = 濎? k= 0 ei( 2? km- 2?)dk + 1 k= 濎? e( i2? km)dk 2 = cos 2?m = 0 0m 0 4sin2? m 2?2m = 奇数 (
11、 4) 当 ? = ?/ 2 时获得( 1) 级最大的衍射效 率, 对应于 h = ? / 2( n - 1) 890 nm , 此 时的激光波长为 1064 nm, 光栅材料为 F 玻 璃。在( 1) 级的总效率约为 81% 。 衍射效率与光栅刻槽深度的正弦关系使 得光栅性能对所计算的最佳几何形状的微小 偏差不灵敏。深度与最佳值之间偏差 10% 时, 衍射效率仅减少 2% 。 5 制作和测试光栅 制作一常数为 20 ?m, 对应一级衍射角 3. 05 的光栅, 当能量密度为 2. 8 J/ cm 2 时, 利用上述装置在 F 玻璃上可获得 220 nm 的平均刻蚀深度。利用 4个脉冲获得的刻
12、槽 深度为 880 nm。在玻璃基底上刻蚀宽度为 500 ? m 的 100 条刻槽形成 2 mm0. 5 mm 的刻槽结构。 激光处理数据 激光器:KrF 准分子成 像:401 波 长:? = 248 nm脉冲总数:4 个/线 能量密度:H = 2. 8 J/cm2材 料:玻璃(f2) 图 2 三维光栅图(周期: 20 ?m) 图 2 是所制作光栅的放大图像。从图 3 中可 以看出, 由于熔化的材料在沟槽的两边堆起 400 nm 高的珠状突起, 使这种光栅的一个周 期的扫描线与理想轮廓有较大的偏差。结构 的宽度和深度分别约为10 ? m 和 900 nm。 刻 槽底宽为 100 nm 两侧边
13、的斜度为 55 。 36激光与光电子学进展 2000 年第 2 期( 总第 410 期) 激光处理数据 激光器:KrF 准分子能量密度:H = 2. 8 J/cm2材 料:玻璃(F2) 波 长:? = 248 nm成 像:401加工气体:氦气 脉 宽:25 ns脉冲总数:4 个/线清 洗:超声波 图 3 二维光栅线扫描图 表 1 衍射效率的理论值与实验值的比较, 其中附加的菲涅耳反射已消除 衍射级次 理论值 ( % 强度) 测量值 ( % 强度) - 34. 52 - 201 - 140. 539 002 140. 539 201 34. 92 高阶级次9. 911 噪声-3 图 4 波长为
14、1064nm的光束通过光栅时的远场衍 射轮廓, 不同衍射级次的强度近似代表透射 强度 为了测试光栅, 我们把一束钕玻璃光纤 激光通过一小孔并将其投射到光栅上。远场 衍射图样由CCD 相机接收。 图 4 为获得的衍 射谱与无光栅时光束通过平板玻璃后的光强 作归一处理。表 1 是与理想矩形光栅理论值 的比较, 可以看出, 考虑到图像中的光栅形状 与完美的矩形有很大偏差, 可以说光栅的衍 射效率还是较接近理论值的。 6 结论 准分子激光已被证明很适合加工类似光 学玻璃这样易碎的材料。本文研究了不同波 长的脉冲准分子激光与玻璃的相互作用。通 过玻璃光刻制作了一种透射式相位衍射光 栅。以准分子激光为基础的光刻系统可以制 作出光学衍射效率高达理论值的 97% 的衍 射式相位透射光栅。 与传统耗时又很不经济的光刻术和蚀刻 相比, 激光刻蚀不仅装置简单且耗时小, 这种 方法即使加工一片或少量的元件也较经济。 目前光栅单个结构的宽度最大为 500 ?m, 正在进行的多脉冲交迭最优化的进一步 研究将会突破这一局限。为了改进光栅结构 中的坡度问题, 将试验具有大数值孔径的光 学系统。准分子激光刻蚀工艺与大片光学玻 璃的兼容性, 使得多功能光学元件的组合如 带有衍射结构的折射率渐变透镜成为可能。 ( 杨 蕾; 范品忠供稿) 37激光与光电子学进展 2000 年第 2 期( 总第 410 期)
