衍射光栅被广泛应用于各种场合，光栅必须具有良好的质量。在制作大尺寸光栅的各种方法中，激光直写具有明显的优势。本课题组采用并行激光直写技术制作了尺寸为100×100mm、线数为1780条/毫米的正弦光栅。首先对光栅进行理论分析，找到正弦光栅效率最高的槽深，然后采用激光直写技术制作光栅，最后镀上一层金。本文介绍了光栅的制作和效率测量，并对其均匀性进行了评价。测量得到了16×16个数据点，将其分成4×3个区域，对每个小区域进行效率测量，经过软件处理，得到效率分布图。大部分效率都在90%左右,与理论计算值接近,且效率分布均匀。实验结果表明,所开发的并行激光直写技术对于大尺寸光栅的刻写是可行的。
关键词:镀金光栅;测量;激光直写;衍射效率
本文分享一篇光栅加工和流片的文章，本文是采用激光直写方式制备的大面积的金反射式光栅。金在近红外波段具有较好的反射率，因此近红外波段的反射式光栅常用金膜来作为反射层。
划重点
当然光栅的加工流片方式有很多种 ，
对于大面积的光栅，低精度的采用激光直写，高精度的采用电子束光刻
对于小面积的光栅，低精度的可以采用激光直写和接触式曝光，高精度的采用电子束光刻和步进紫外曝光
对于需要量产的小面积光栅，duv步进式是最好的选择。
针对国内多样化的加工需求，小编提供上述4种方式来做光栅的流片，
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1.引言
衍射光栅是一种周期结构衍射元件，其应用范围几乎无处不在。光栅必须具有高分辨率和高信噪比，以及高的衍射效率。光栅的制作主要有机械刻蚀、全息、掩模光刻和掩模光刻。机械光刻是制作光栅的最早方法[1]。它是指利用光栅光刻机的金刚石刀具在光栅基片表面标记出一系列光栅线条来制作光栅。全息法由Gable于1948年提出。目前，美国利弗莫尔国家实验室已成功制作出直径940 mm的平面脉冲压缩光栅。但这种方法有明显的局限性，面临着巨大的技术和资金挑战。无掩模光刻中激光直写技术的发展为大规模光栅的制作带来了解决方案，具有成本相对较低、无需掩模等优点。为了了解光栅的质量，对光栅的效率进行了理论和实验评估。通过测量光栅的效率来评估光栅的均匀性。验证了所提方法的有效性，为下一步的制作积累了经验。
2. 基本原理
2.1 严格耦合波理论
在分析高线数光栅效率时，通常采用基于矢量衍射理论的严格耦合波理论[2][3]，将一维光栅在空间分为三个区域：入射介质区域I、光栅区域II和基底区域II。当光栅周期为A、占空比为f、光栅槽深为d时，TE和TM反射波的衍射效率为[4][5]：
式中：k0 0 = 2 / πλ为光在真空中的波长，n1为区域I的折射率，Ri为区域I中I级后向衍射(反射波)的复振幅，θ为入射角，kⅠ,z为I级波矢的Z方向分量。
Kxi 是 I 波矢量的 X 方向分量。
2.2 光栅效率的理论计算
光栅的衍射效率是一个非常重要的指标，有很多因素对它有很大的影响，例如光栅的剖面形状、光栅的材料、光束的入射角等。在模拟中，除了考虑算法的效率外，还需要考虑光栅区域的层数和衍射级数。本文模拟了当光栅刻槽为正弦波、表面材料为金、以Littrow角入射时，刻槽深度发生变化时衍射效率与刻槽深度的关系。参考文献[8]可假设光栅由金组成。图1和图2分别是在TM和TE模式下计算的衍射效率与刻槽深度的关系。
图1 镀金光栅TM模式效率与深度关系
由图1可见，线数为1780l/mm的镀金光栅的衍射效率随槽深而变化，其效率也随偏振方向TM而变化。衍射效率随槽深的增加先增大后减小，呈半周期的正弦形变化，在槽深为235nm处衍射效率最大，为92%。参照此理论值，将光栅预制过程中最大效率附近的槽深对应值与最终测量衍射效率时的理论值进行比较。图2给出了偏振方向TE上槽深与衍射效率的关系，表明光栅的衍射效率与槽深呈正相关。图中TM偏振方向235nm对应的槽深为31%，TM对应的最大槽深即为设计参考的槽深，TE模式下的测量值与理论值进行了对比。
图2 镀金光栅TE模式效率与深度关系
3.实验测量与分析
与几种光栅制作方法相比，激光直写技术也是制作大尺寸光栅的较好方法，但也面临一些挑战，如二维调节台的控制，精度误差要保证在纳米级，要保证稳定运行，防止出现开环，这对控制提出了很高的要求。但激光直写技术仍然是制作大尺寸光栅的理想方法。
最大衍射效率对应的槽深为235nm，在前期的技术探索中，通过涂胶配比得到了接近理论值的槽深。采用激光直写技术制作光栅，光栅的槽形与激光功率、曝光程度有关。它可以是正弦形，也可以是矩形，为了得到想要的正弦形状，可以在实验中控制激光功率来改变曝光程度，在不断的摸索中得到正弦形状。激光直写是一种无掩模光刻技术，利用强度调制的激光束在涂有光刻胶的基片上进行不同剂量的曝光，经过显影后，在光刻胶层表面即可形成所需要的掩模图案，其最大优点是面积大、成本低、规则性高、速度快、可控性强。为了评价光栅的质量，必须测量衍射效率。
图3 镀金光栅
一般来说，光栅的衍射效率可以用三种方式定义：第一，它是指衍射光的能量与入射光总能量的比值；第二，衍射光的能量与所有衍射光的能量之比；第三，从与光栅相同材料制成的平板反射回来的总光能。在能量的基础上，考虑了某一级的衍射光的能量。我们选择了第一种，并使用了以下测量设备，如图5所示，包括：808nm激光器（功率200mW）、PBS、功率计（型号PD300-3W）。激光器提供光源作为入射光；PBS决定偏振方向，根据PBS的不同放置位置可以测得TM或TE模式下不同的衍射效率；功率计测量入射前后激光的能量。如图4所示，在TM下测量偏振方向。首先，激光器发出一束激光，经PBS偏振成TM后以Littrow角入射到光栅上，用功率计测量入射前后的读数。通过调节光栅下方的二维平台，使光栅移动到不同位置，依次测量光栅不同位置的衍射效率。最后得到16×16组数据。
图4 测量装置示意图(TM)
如图5所示为测量效率分布图，x，y代表光栅的平面坐标[9]。图5(a)给出了16×16组数据点的平面分布。从图中可以看出整个光栅平面的效率分布比较均匀，效率在90%左右，平均值为90.35%。将所有测量点平均分成4×3个区域，对每个区域内的测量点取平均值，得到图5(b)的区域分布图。从图中可以看出，光栅中间位置的平均值最大，光栅边缘的平均值趋于一致。
图5 效率图（TM）。（a）测量点分布；（b）面积图
同样，在TE模式下测量光栅的效率分布，改变PBS的位置，将偏振方向改为TE如图5所示，即可得到TE模式下的测量装置。
同样，808nm激光器发出的一束光经PBS偏振后，以TE发射，然后以利特罗角入射到光栅上，最后反射到功率计上。同样，测量入射和反射的读数后，得到如图6所示的效率图。同样，调节光栅下方的二维调节架，改变入射位置，测量光栅的不同位置，共采集到1616组数据。从图6(a)可以看出光栅的效率分布约为30%，平均值为30.1%，其分布比较均匀。将平面分成4×3个区域，每个区域取其测点的平均值，得到图6(b)的区域分布图。从图中可以看出平均值在30%上下波动。与图2计算的理论值差别不大，分布非常均匀。
图6 效率图（TE）。（a）测量点分布；（b）面积图
光栅的最大TM偏振效率为92％，对应的槽深为235nm。
从最终的测量结果来看，光栅的TM偏振衍射效率与理论计算值基本相符，且平面内分布较为均匀。TE偏振下的衍射效率也与理论值相符。从以上分析来看，本课题组采用激光直写技术制作的光栅质量依然良好。表明本课题组采用独特的并行激光直写技术在国内处于先进水平，具有良好的应用前景。
4. 结论
本课题组采用激光直写技术成功制作了线数为1780 l/mm、尺寸为100×100 mm的光栅，并在表面镀金膜。本文对光栅的衍射效率进行了测量，结果表明衍射效率分布均匀，约为90%，与理论计算相差不大，进一步证明了本课题组发明的激光矫直技术的正确性，为下一步制作更大面积、高质量的光栅奠定了基础
