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大尺寸衍射光栅的制造

石磊  
【摘要】:大尺寸衍射光栅在许多科学技术领域有重要的应用。特别是惯性约束核聚变的高功率啁啾脉冲放大系统中的脉冲压缩器,对米级光栅有非常紧迫的需求。通过全息曝光制造大口径、高质量衍射波面的光栅受到了曝光透镜的口径限制。近年来出现了使用多次曝光的光学拼接技术,目标是制造超出曝光系统口径的大光栅。这类技术的核心问题是研究光栅基板相对曝光光束的位置与姿态的高精度控制;也需要具备适于生产的稳定性和实用性,以及扩展到米级光栅制作的能力。针对大尺寸衍射光栅的制作需求,本论文对基于潜像的曝光拼接工艺进行了研究。 本论文分析了拼接误差的影响,制定了拼接条件。通过利用光刻胶被曝光产生的潜像光栅对曝光光束的衍射形成的干涉条纹,实现了高精度的基板相对曝光光束的位置和姿态的对准,分别为10nm和0.1μrad量级,包括各次曝光之间的调整及每次曝光期间的自动化条纹锁定。本论文提出的完全自参考技术,统一了曝光、调整与锁定系统,消除了它们之间相对漂移带来的各种随机和累积的拼接误差。通过多种拼接实验,如改变拼接次数、方向、口径、曝光量、曝光时间等,获得的拼接光栅的衍射波面质量与基板面形、曝光像差以及单次曝光光栅的衍射波面相当,而接缝处的拼接误差明显优于0.05λ,已经难以分辨。例如,面积为50×(30+30+30+30) mm~2的1×4拼接光栅,全口径的波面峰谷值为0.05λ,并且3条接缝处的波面峰谷值均低于0.03λ;以及面积为90×(80+80) mm~2的1×2拼接光栅,全口径的波面峰谷值为0.14λ,并且接缝处的波面峰谷值低于0.05λ。高质量的拼接实验结果验证了该拼接方法的精准性、稳定性、实用性与成功率。 离子束刻蚀是拼接光栅制作的最终环节。本论文所使用的刻蚀工艺路线为:首先以Ar为工作气体刻穿铬膜;然后以CHF3为工作气体对多层介质膜顶层的SiO2进行反应离子束刻蚀,采用TM偏振进行刻蚀监测的终点判断。实验得到了面积为70×(40+40) mm~2,衍射效率为95.4±0.6%,波面峰谷值为0.10λ的1×2拼接多层介质膜光栅,验证了该刻蚀工艺以及完整的曝光拼接技术路线的有效性。 针对曝光拼接向米级拓展的需求,本论文分析了可直接移植的优势技术以及遗留的主要问题和可能的解决方案。分析结果表明目前的曝光拼接技术已经适合向更大尺寸的光栅制造拓展。


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