光栅及其反光栅、复制光栅以及制造方法技术

本发明专利技术光栅的刻槽横截面不是薄层形状，而是例如类似正弦波或锯齿形，刻槽底部形状类似平面形。在刻槽周期与从近红外到红外的所用波长为相同数量级的范围内，本发明专利技术光栅比相关技术中的全息光栅和小阶梯光栅的光谱性能更出色（在较宽的波长范围内具有平衡的高效率）。当制造本发明专利技术光栅的复制品时，由于刻槽深宽比小，因此刻槽彼此间的啮合力也小，由于刻槽底部大，因此脱模剂能充分到达刻槽底部。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用作分光镜或分路滤波器中作为波长分离/选择元件的光栅，并涉及通过从该光栅转印制得的反光栅和复制光栅，并涉及制造这些光栅的方法。
技术介绍
光栅是分光镜、分路滤波器等中使用的波长分离/选择元件。已知的光栅依照刻槽截面形状可大略分成(1)全息光栅，(2)铜焊全息光栅(brazedholographic grating)或划线光栅(ruled grating)，以及(3)薄片光栅。全息光栅是通过曝光并显影干涉条纹制造的，所述干涉条纹通过两个光通量干涉(全息曝光法)形成到基板上涂覆的光刻胶上。全息光栅的抗蚀图形具有形状类似正弦波的刻槽横截面。此后将刻槽横截面类似正弦波的光栅称为全息光栅。铜焊全息光栅是通过利用离子束加工技术将(1)全息光栅的刻槽横截面形状转换成锯齿形状制造的。划线光栅的刻槽横截面形状类似锯齿，该形状通过刻线机等刻划出来。此后将每个刻槽横截面形状类似锯齿的光栅共同称为小阶梯光栅。薄层光栅是通过利用离子束加工技术将(1)全息光栅的刻槽横截面形状转换成长方形形状制造的。光是横波，其具有两个分量电波和磁波，它们彼此呈直角传播。本质上，电波与磁波之间边界区域中的作用会变化。因此，为获得光栅的衍射效率，必需将光栅上的入射光分离成平行于刻槽方向振动的分量和垂直于刻槽方向振动的分量，并对每个分量计算对光栅刻槽表面的作用。然而，如果所使用的光波长相对于光栅的刻槽周期较小，则无需讨论将入射光分离成两个分量，而仅仅用每个光栅刻槽对光强度、即每个光栅刻槽的Fraunhofer衍射，进行积分，由此可简单地计算出衍射效率，该效率与实际光栅效率相配能很好地吻合。该计算理论称为纯量理论。依照该理论，能够给出与实际光栅效率很好吻合的计算结果。刻槽周期/波长＞5(刻槽周期相对于波长大于5)的区域称为纯量(scalar)域。对每个光栅刻槽形成的Fraunhofer衍射进行积分，由此可以计算衍射效率。在纯量域中，由频谱形状中的偏振引起的差异很小。相反，刻槽周期/波长＜5(刻槽周期相对于波长小于5)的区域称为共振域，纯量理论不再成立。在共振域中，取决于偏振的边界区域作用发生变化。由此，为获得衍射效率，需要将入射到光栅上的入射光作为矢量，严格计算对光栅刻槽表面的作用。通常，对于诸如辐射的短波长频谱，经常使用刻槽横截面形状类似长方形的薄层光栅。对于波长从紫外到近红外的分析器的分光镜，主要使用刻槽横截面形状类似锯齿的小阶梯光栅。尽管存在各种原因，具有最佳衍射效率的刻槽形状主要取决于所用的波长区、光栅用法等。在纯量域中，基于纯量理论的计算结果能相当好地与实际结果匹配。然而，在共振域中，对于从近红外到红外的那些波长，刻槽周期与波长变为相同数量级，因为刻槽横截面形状类似正弦波的全息光栅在衍射效率方面比小阶梯光栅更好，因此经常利用光栅横截面形状类似正弦波的全息光栅。通常按照以下方式大规模生产复制光栅在反光栅的光栅面上形成作为脱模剂的薄油膜或金或铂等粘接力较弱的金属膜。通过真空溅射在膜上面形成铝薄膜。然后用粘接剂将复制基板(玻璃基板)粘到铝薄膜上。粘接剂固化后，将玻璃基板与母模部件(反光栅)分离。铝薄膜连同玻璃基板一起与母模部件分离。从而，提供了复制光栅，其中反光栅的光栅刻槽转印到该复制光栅上。在制造光栅时，如果试图提供所用波长区中的分辨率，必需增加光栅的刻槽数量(缩短刻槽周期)。当刻槽周期和所用的波长变为相同数量级时，需要增大刻槽深度相对于刻槽周期(深宽比)。然而，就全息光栅而论，因为曝光时干涉条纹的刻槽横截面形状类似于锯齿波，且在曝光时存在振动、热等的分布，因此在曝光过程中很难稳定地产生良好对比度的干涉条纹。由此，不能形成较深刻槽深度的抗蚀图形。由此就不能制造出刻槽深度较深的全息光栅或铜焊全息光栅。当复制在能制造光栅的范围内深宽比适当大的全息光栅或小阶梯光栅时，脱模剂不能有效地敷设在刻槽表面，在分离阶段容易发生破损。例如，在分离时，光栅刻槽破碎或没有忠实地转印刻槽形状，由此光栅性能下降，即，经常是制造效率会极度变坏。为避免分离过程中的这个问题，需要一种深宽比小和容易分离的形状。然而，为试图获得特别用在从近红外到红外的波长范围内的光栅的高分辨率，深宽比变大，绝对刻槽深度也变深；上述问题更加突出。另外，对于全息光栅和小阶梯光栅，在共振域，即使将深宽比作得很大，波峰也留在短波长侧。由此，在理论上将波峰带到任何想要的波长中也很困难。因此，难于在所用波长的邻近波长区中形成具有足够衍射效率的反射(透射)带。
技术实现思路
因此本专利技术的一个目的是提供一种光栅，其在很宽的波长区域、特别是在共振域内具有高衍射效率，该光栅适于通过从光栅转印制造复制品、反光栅和复制光栅，本专利技术还提供了制造这些光栅的方法。专利技术人注意到根据所用波长区等应用而使用不同类型光栅的事实。作为勤勉研究的结果，专利技术人发现了一种能解决上述问题的刻槽横截面形状，其在衍射效率方面非常突出，同时考虑到了基于相关技术中刻槽横截面形状的制造方法。根据计算，对于从近红外到红外的波长，全息光栅在刻槽周期与波长为同一数量级的域内比小阶梯光栅更出色。在光栅的复制品中，刻槽深宽比越小，刻槽彼此之间的啮合力越小，而刻槽底部越大，到达刻槽底部的脱模剂就越充足。当刻槽形状满足这些条件时，依照本专利技术的光栅的刻槽横截面不类似于薄片形状(长方形)，而是类似于例如锯齿、正弦波等，刻槽底部形状类似平面形。也就是说，依照本专利技术光栅的刻槽横截面为半锯齿形、半正弦波形和具有平坦顶部的半锯齿形等。对具有这种刻槽横截面形状的本专利技术光栅进行了衍射效率模拟。发现，本专利技术的光栅在任何想要的波长区域内能获得以前在现有技术的小阶梯光栅或全息光栅中得不到的高衍射效率。也发现，通过模拟获得的衍射效率能与实际制造的光栅的衍射效率测量结果很好地相符；能提供良好的有效结果。如果光栅在刻槽底部具有平坦部分，则作为基础的刻槽横截面形状可以是除薄层形状外的任何形状，例如锯齿形、正弦波形、或通过对锯齿形状或正弦波形状进行小幅修改提供的形状。光栅可以是反射型或透射型。附图说明图1A到1H是描述依照本专利技术用于制造全息光栅和复制光栅的实施例的示意图；图2是描述全息曝光装置的结构示例的示意图；图3是基于依照本专利技术的光栅的TE偏振的衍射效率模拟图；图4是基于依照本专利技术的光栅的TM偏振的衍射效率模拟图；图5是基于依照本专利技术的光栅的非偏振的衍射效率模拟图；图6是表示依照本专利技术刻槽横截面形状类似具有平坦顶部的半锯齿的光栅横截面视图。具体实施例方式通过将刻槽横截面形状类似正弦波的光栅作为示例，讨论依照本专利技术的光栅的制造方法和复制方法。在图1A中，数字1表示由光学玻璃制成的基板。基板是光栅的原始坯料，基板可以是任何的材料，如果它能够进行光学抛光且能在它上面涂覆光刻胶。光学玻璃具有低的由热变化引起的膨胀系数，其作为用作光学元件的光栅，是很出色的。例如，也能很好地使用低膨胀率的水晶玻璃，这些玻璃例如BK7、BSC2、耐热玻璃、苏打玻璃(soda glass)、石英玻璃、Zerodure(由SCHOTT制造)、或crystron(由HOYA有限责任公司制造)。在本实施例中，采用BK7玻璃作为例子。首先，对BK7玻璃(大约60mm×60mm×11.3mm)进行光学抛光，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅，其刻槽横截面形状不是薄片形状，刻槽底部形状类似平面形。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：长野哲也，小枝胜，佐藤诚，佐藤晃，宫内真二，
申请(专利权)人：株式会社岛津制作所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]