技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種極紫外單極衍射光柵。

背景技術(shù)：

衍射光柵是光譜儀的核心光學(xué)組件，決定著光譜儀的色散和成像本領(lǐng)，對(duì)于衍射光柵在推動(dòng)科技發(fā)展起到的作用，近十幾年來，隨著微納米加工技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)制作出各種類型的高質(zhì)量的衍射光柵；麥克斯韋方程組可以被各種進(jìn)步算法精確求解，從而可以模擬所有光柵在任意光波段的性能以及衍射效率。衍射光柵的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到光學(xué)的所有分支以及其它多個(gè)學(xué)科，特別在極紫外光學(xué)系統(tǒng)中有著重要的作用，如色散、偏振、分束、相襯成像等方面的作用。

但是在衍射光柵普遍的衍射分析、攝譜分析等應(yīng)用中，很多情況下高級(jí)衍射會(huì)在一級(jí)衍射的光譜范圍產(chǎn)生交疊，導(dǎo)致了一個(gè)復(fù)雜的展寬結(jié)果，擾亂分析的結(jié)果，帶來不容易消除的誤差，制約其攝譜精度，降低整個(gè)系統(tǒng)性能，為極紫外光學(xué)系統(tǒng)的研究帶來了很多的困難。

因此，設(shè)計(jì)并制作能夠在極紫外波段有效地抑制高次諧波，并且易于加工的單級(jí)衍射光柵是目前光譜分析技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域中迫切需要解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種極紫外單極衍射光柵，以解決現(xiàn)有技術(shù)中高級(jí)衍射與一級(jí)衍射發(fā)生級(jí)次疊加，帶來誤差，導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，攝譜精度降低的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種極紫外單極衍射光柵，包括：

透光襯底；

位于所述透光襯底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上開設(shè)有多個(gè)圓形透光通孔；

其中，所述圓形透光通孔在所述不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圓形透光通孔的圓心位于所述斜方格子的中心，所述圓形透光通孔的半徑隨機(jī)分布，存在最大值R_max和最小值R_min；

在所述不透光薄膜所在平面內(nèi)，沿第一方向上，所述斜方格子的周期為P_x，沿第二方向上，所述斜方格子的周期為P_y，所述第一方向與所述第二方向垂直；

所述斜方格子的周期與所述圓形透光通孔半徑的最大值和最小值之間具有預(yù)設(shè)比例。

優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)比例為R_min＝P_x/6，R_max＝P_x/2。

優(yōu)選地，所述隨機(jī)分布為均勻分布、正弦分布、t分布、正態(tài)分布或泊松分布。

優(yōu)選地，所述斜方格子包括：正方格子、長(zhǎng)方格子或三角格子。

優(yōu)選地，所述不透光薄膜的材質(zhì)包括金、銀、鋁、鉻、硅、氮化硅或碳化硅。

優(yōu)選地，所述不透光薄膜的厚度范圍為100nm-300nm，包括端點(diǎn)值。

優(yōu)選地，所述透光襯底為熔融石英、玻璃或者有機(jī)玻璃。

經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的極紫外單級(jí)衍射光柵，包括透光襯底；和位于所述透光襯底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上開設(shè)有多個(gè)圓形透光通孔；半徑隨機(jī)的圓形透光通孔在所述不透光薄膜上呈斜方格子分布，完全抑制了背景噪聲，提高了信噪比；且所述斜方格子的周期與所述的每個(gè)圓形通孔的半徑的最大值和最小值之間按照預(yù)設(shè)的比例取值，這種光柵抑制了±2級(jí)和±3級(jí)衍射，從而消除了諧波污染，提高了分辨率，大大降低了結(jié)果的誤差，進(jìn)而提高分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，提高了攝譜精度。

另外，由于光柵的透光圖形為圓形，而且圓心位置固定，加之其二值化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大大降低了加工工藝的難度。為極紫外光學(xué)系統(tǒng)提供了有力的光譜分析技術(shù)保障，并適應(yīng)更廣范圍的應(yīng)用領(lǐng)域。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種極紫外單級(jí)衍射光柵的局部結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1所示的極紫外單級(jí)衍射光柵在極紫外光照射下的衍射特性圖；

圖3為圖1所示的極紫外單級(jí)衍射光柵在極紫外光照射下x軸方向的計(jì)算機(jī)模擬衍射軸線圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種極紫外單級(jí)衍射光柵的局部結(jié)構(gòu)圖；

圖5為圖4所示的極紫外單級(jí)衍射光柵在極紫外光照射下的衍射特性圖；

圖6為圖4所示的極紫外單級(jí)衍射光柵在極紫外光照射下x軸方向的計(jì)算機(jī)模擬衍射軸線圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例一

本實(shí)施例提供一種極紫外單級(jí)衍射光柵，包括：透光襯底；位于所述透光襯底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上開設(shè)有多個(gè)圓形透光通孔；其中，所述圓形透光通孔在所述不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圓形透光通孔的圓心位于所述斜方格子的中心，所述圓形透光通孔的半徑隨機(jī)分布，存在最大值R_max和最小值R_min；在所述不透光薄膜所在平面內(nèi)，沿第一方向上，所述斜方格子的周期為P_x，沿第二方向上，所述斜方格子的周期為P_y，所述第一方向與所述第二方向垂直；所述斜方格子的周期與所述圓形透光通孔半徑的最大值和最小值之間具有預(yù)設(shè)比例。

請(qǐng)參見圖1，圖1為本實(shí)施例的極紫外單級(jí)衍射光柵的局部結(jié)構(gòu)圖，黑色區(qū)域?yàn)椴煌腹獗∧?；白色區(qū)域?yàn)閳A形透光通孔。其中，本實(shí)施例附圖中透光襯底并未示出。本實(shí)施例中對(duì)透光襯底的材質(zhì)不做限定，可選為熔融石英、玻璃或者有機(jī)玻璃。

本實(shí)施例中所述不透光薄膜具有吸收極紫外光的作用，只要具有較好地吸收紫外光的不透明薄膜均可，因此，本實(shí)施例中對(duì)不透光薄膜的具體材質(zhì)不進(jìn)行限定，其材質(zhì)可以包括金、銀、鋁、鉻、硅、氮化硅或碳化硅，同樣的，本實(shí)施例中對(duì)不透光薄膜的厚度也不做限定，可選的，所述不透光薄膜的厚度范圍為100nm-300nm，包括端點(diǎn)值?？蛇x的，圖1所示極紫外單級(jí)衍射光柵的不透光薄膜的厚度為100nm，材質(zhì)為金屬鉻。

如圖1所示，本實(shí)施例中的圓形透光通孔在不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圓形透光通孔的圓心位于所述斜方格子的中心，本實(shí)施例中不限定所述斜方格子的具體形式，可選的，斜方格子包括：正方格子、長(zhǎng)方格子、三角格子及普通的斜方格子。如圖1中所示，斜方格子為長(zhǎng)方格子，也即每個(gè)圓形透光通孔的圓心，與沿第一方向(也即x軸方向)相鄰的圓形透光通孔的圓心；以及與沿第二方向(也即y軸方向)相鄰的圓形透光通孔的圓心，以及斜對(duì)著的圓形透光通孔的圓心組成長(zhǎng)方形，且周期性排列形成圓形透光通孔陣列。在所述不透光薄膜所在平面內(nèi)，沿第一方向上，所述斜方格子的周期為P_x，也即每個(gè)圓形透光通孔的圓心與相鄰的圓形透光通孔的圓心在x軸方向上的距離為P_x；沿第二方向上，所述斜方格子的周期為P_y，也即每個(gè)圓形透光通孔的圓心與相鄰的圓形透光通孔的圓心在y軸方向上的距離為P_y；所述第一方向與所述第二方向垂直。

需要說明的是，本實(shí)施例中所有圓形透光通孔的半徑均存在最大值R_max和最小值R_min；但每個(gè)圓形透光通孔的半徑隨機(jī)分布，本實(shí)施例中對(duì)所述隨機(jī)分布不做限定，只要是隨機(jī)分布，且所述斜方格子的周期與所述圓形透光通孔半徑的最大值和最小值之間具有預(yù)設(shè)比例，即可實(shí)現(xiàn)極紫外光的單級(jí)衍射。所述隨機(jī)分布可以為均勻分布、正弦分布、t分布、正態(tài)分布或泊松分布等；本實(shí)施例中每個(gè)圓形透光通孔的隨機(jī)半徑均滿足半徑最小值R_min＝P_x/6，半徑最大值R_max＝P_x/2。

下面通過衍射特性分析，說明本實(shí)施例中提供的極紫外單級(jí)衍射光柵的衍射結(jié)果。如圖2所示為本實(shí)施例的極紫外單級(jí)衍射光柵在可見光照射下的衍射特性圖，圖中ξ代表衍射平面與薄膜平面的x軸平行的方向，η代表衍射平面與薄膜平面的y軸平行的方向，從圖中可以直觀的看到本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵對(duì)極紫外光的單級(jí)衍射，和所預(yù)期的一致，在x軸上只存在0級(jí)和±1級(jí)衍射，有效的抑制高級(jí)衍射。因此，本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵可以作為單色儀或者光譜儀的分光元件使用，從而能夠避免諧波污染的問題。

本實(shí)施例中極紫外單級(jí)衍射光柵的具體設(shè)置參數(shù)為：光柵線密度為3300線/毫米，光柵常數(shù)為300nm。假設(shè)入射極紫外光的光源面積為1mm×1mm，光柵圖形區(qū)為了能夠大于光源面積進(jìn)行有效透射，x方向應(yīng)該至少有1000000nm/300nm＝3333個(gè)周期，同樣y方向也需要3333個(gè)周期，其中接收屏距離光柵面1m，入射方式為正入射，入射波長(zhǎng)為13.5nm。

如圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵在波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光光照射下x方向的衍射特性圖。其中，橫軸表示衍射級(jí)次，縱軸表示相對(duì)衍射效率的對(duì)數(shù)，可以看出本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵和正弦衍射光柵一樣，同樣具有抑制高級(jí)衍射的性質(zhì)，在平行于光柵衍射的ξ軸上，只存在明顯的0級(jí)和±1級(jí)衍射，雖然有±4級(jí)的衍射，但是相對(duì)衍射效率極低，其相對(duì)衍射效率的對(duì)數(shù)約為10^-4，可以忽略。

此外，通過實(shí)驗(yàn)還可以驗(yàn)證，本發(fā)明提供的極紫外單級(jí)衍射光柵在X-ray、極紫外光、可見光、紅外光各個(gè)波段都可以有效抑制高級(jí)衍射，主要包括±2、±3級(jí)的衍射，從而能夠消除諧波污染，提高分辨率、靈敏度和噪聲容限。

實(shí)施例二

本實(shí)施例提供一種極紫外單級(jí)衍射光柵，包括：透光襯底；位于所述透光襯底上的不透光薄膜，所述不透光薄膜上開設(shè)有多個(gè)圓形透光通孔；其中，所述圓形透光通孔在所述不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圓形透光通孔的圓心位于所述斜方格子的中心，所述圓形透光通孔的半徑隨機(jī)分布，存在最大值R_max和最小值R_min；在所述不透光薄膜所在平面內(nèi)，沿第一方向上，所述斜方格子的周期為P_x，沿第二方向上，所述斜方格子的周期為P_y，所述第一方向與所述第二方向垂直；所述斜方格子的周期與所述圓形透光通孔半徑的最大值和最小值之間具有預(yù)設(shè)比例。

請(qǐng)參見圖4，圖4為本實(shí)施例的極紫外單級(jí)衍射光柵的局部結(jié)構(gòu)圖，黑色區(qū)域?yàn)椴煌腹獗∧?；白色區(qū)域?yàn)閳A形透光通孔。其中，本實(shí)施例附圖中透光襯底并未示出。本實(shí)施例中對(duì)透光襯底的材質(zhì)不做限定，可選為熔融石英、玻璃或者有機(jī)玻璃。

本實(shí)施例中所述不透光薄膜具有吸收極紫外光的作用，只要具有較好地吸收紫外光的不透明薄膜均可，因此，本實(shí)施例中對(duì)不透光薄膜的具體材質(zhì)不進(jìn)行限定，其材質(zhì)可以包括金、銀、鋁、鉻、硅、氮化硅或碳化硅，同樣的，本實(shí)施例中對(duì)不透光薄膜的厚度也不做限定，可選的，所述不透光薄膜的厚度范圍為100nm-300nm，包括端點(diǎn)值?？蛇x的，圖4所示極紫外單級(jí)衍射光柵的不透光薄膜的厚度為100nm，材質(zhì)為金屬鉻。

如圖4所示，本實(shí)施例中的圓形透光通孔在不透光薄膜上呈周期斜方格子分布方式排列，所述圓形透光通孔的圓心位于所述斜方格子的中心，本實(shí)施例中不限定所述斜方格子的具體形式，可選的，斜方格子包括：正方格子、長(zhǎng)方格子、三角格子及普通的斜方格子。如圖4中所示，斜方格子為三角格子，也即每個(gè)圓形透光通孔的圓心，與沿第一方向(也即x軸方向)相鄰列的兩個(gè)相近的圓形透光通孔的圓心連線為三角形，且周期性排列形成圓形透光通孔陣列。在所述不透光薄膜所在平面內(nèi)，沿第一方向上，所述斜方格子的周期為P_x，也即每個(gè)三角格子的一個(gè)圓形透光通孔的圓心與相鄰三角格子的相對(duì)位置上的圓形透光通孔的圓心在x軸方向上的距離為P_x；沿第二方向上，所述斜方格子的周期為P_y，也即每個(gè)三角格子的一個(gè)圓形透光通孔的圓心與相鄰三角格子的相對(duì)位置上的圓形透光通孔的圓心在y軸方向上的距離為P_y；所述第一方向與所述第二方向垂直。

需要說明的是，本實(shí)施例中所有圓形透光通孔的半徑均存在最大值R_max和最小值R_min；但每個(gè)圓形透光通孔的半徑隨機(jī)分布，本實(shí)施例中對(duì)所述隨機(jī)分布不做限定，只要是隨機(jī)分布，且所述斜方格子的周期與所述圓形透光通孔半徑的最大值和最小值之間具有預(yù)設(shè)比例，即可實(shí)現(xiàn)極紫外光的單級(jí)衍射。所述隨機(jī)分布可以為均勻分布、正弦分布、t分布、正態(tài)分布或泊松分布等；本實(shí)施例中每個(gè)圓形透光通孔的隨機(jī)半徑均滿足半徑最小值R_min＝P_x/6，半徑最大值R_max＝P_x/2。

下面通過衍射特性分析，說明本實(shí)施例中提供的極紫外單級(jí)衍射光柵的衍射結(jié)果。如圖5所示為本實(shí)施例的極紫外單級(jí)衍射光柵在可見光照射下的衍射特性圖，圖中ξ代表衍射平面與薄膜平面的x軸平行的方向，η代表衍射平面與薄膜平面的y軸平行的方向，從圖中可以直觀的看到本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵對(duì)極紫外光的單級(jí)衍射，和所預(yù)期的一致，在x軸上只存在0級(jí)和±1級(jí)衍射，有效的抑制高級(jí)衍射。因此，本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵可以作為單色儀或者光譜儀的分光元件使用，從而能夠避免諧波污染的問題。

本實(shí)施例中極紫外單級(jí)衍射光柵的具體設(shè)置參數(shù)為：光柵線密度為3300線/毫米，光柵常數(shù)為300nm。假設(shè)入射極紫外光的光源面積為1mm×1mm，光柵圖形區(qū)為了能夠大于光源面積進(jìn)行有效透射，x方向應(yīng)該至少有1000000nm/300nm＝3333個(gè)周期，同樣y方向也需要3333個(gè)周期，其中接收屏距離光柵面1m，入射方式為正入射，入射波長(zhǎng)為13.5nm。

如圖6所示為本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵在波長(zhǎng)為13.5nm的極紫外光光照射下x方向的衍射特性圖。其中，橫軸表示衍射級(jí)次，縱軸表示相對(duì)衍射效率的對(duì)數(shù)，可以看出本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵和正弦衍射光柵一樣，同樣具有抑制高級(jí)衍射的性質(zhì)，在平行于光柵衍射的ξ軸上，只存在明顯的0級(jí)和±1級(jí)衍射，雖然有±4級(jí)的衍射，但是相對(duì)衍射效率極低，其相對(duì)衍射效率的對(duì)數(shù)約為10^-4，可以忽略。

此外，通過實(shí)驗(yàn)還可以驗(yàn)證，本發(fā)明提供的極紫外單級(jí)衍射光柵在X-ray、極紫外光、可見光、紅外光各個(gè)波段都可以有效抑制高級(jí)衍射，主要包括±2、±3級(jí)的衍射，從而能夠消除諧波污染，提高分辨率、靈敏度和噪聲容限。

另外，需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例提供的極紫外單級(jí)衍射光柵制作方法簡(jiǎn)單，本實(shí)施例中公開一種極紫外單級(jí)衍射光柵器件的制作方法，需要說明的是，制作方法為本領(lǐng)域公知技術(shù)，并不限于下述方法。且下述透光襯底的材質(zhì)、不透光薄膜的材質(zhì)以及不透光薄膜的厚度均僅為示例說明，對(duì)本發(fā)明不做限定。

所述制作方法包括：

步驟1：在拋光好的石英襯底上濺射一層100nm的鉻薄膜；

步驟2：在鉻薄膜上旋涂一層正性電子束光刻膠后，立即進(jìn)行熱處理，再利用電子束曝光制作出設(shè)計(jì)好的周期排布的圓形光刻膠圖形；

步驟3：以光刻膠圖形為掩膜，利用干法刻蝕工藝刻蝕掉露出來的鉻薄膜，形成圓形透光圖形區(qū)；

步驟4：去除電子束光刻膠后，形成上述極紫外單級(jí)衍射光柵。

從上述制作過程可以看出，本發(fā)明提供的極紫外單級(jí)衍射光柵的制作均采用現(xiàn)有技術(shù)中的工藝，制作方法簡(jiǎn)單，且能夠達(dá)到納米級(jí)，因此減小了極紫外單級(jí)衍射光柵的制作成本，相對(duì)于正弦衍射光柵，更加容易制作，且并未采用昂貴的制作設(shè)備，相較于正弦衍射光柵的制作成本能夠有所降低。

需要說明的是，本說明書中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見即可。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)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(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。