一種新型可調(diào)光柵的制作方法*

崔 敏，張斌珍，張 勇

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引言

光柵作為一種非常重要的光學(xué)元件，被廣泛應(yīng)用于集成光路、光通信、光學(xué)互連、光信息處理、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域中。與普通光柵相比，可調(diào)光柵可以通過(guò)改變周期來(lái)選擇不同波長(zhǎng)的光或?qū)⒛骋徊ㄩL(zhǎng)的光偏轉(zhuǎn)不同的角度，可廣泛應(yīng)用于微型光譜儀、掃描儀、光通信等領(lǐng)域中［1～3］。

Park Jung kyu和Chang Tien li等人利用飛秒激光刻寫(xiě)技術(shù)在聚甲基硅氧烷(PDMS)上燒蝕出微米級(jí)光柵的圖形［4，5］。飛秒激光直寫(xiě)法、雙光束干涉法可用來(lái)制作周期為幾百納米的光柵，但是制作出來(lái)的納米光柵平直性不好，光路復(fù)雜，工藝過(guò)程不好控制。Li Yigui和Yan Dong等人運(yùn)用電子束光刻和聚焦離子束刻蝕的方法制造出納米光柵，基底分別為Si和SoI材料［6，7］。電子束光刻、X射線(xiàn)光刻都可以制作納米級(jí)光柵，但所使用的設(shè)備昂貴、復(fù)雜、難以控制，而且其工藝方法難以制作出周期可調(diào)的光柵結(jié)構(gòu)。由美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的可調(diào)諧光柵式光開(kāi)關(guān)，通過(guò)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)光柵改變其光柵常數(shù)可達(dá)到改變衍射光束方向的目的［1，2］。Shih Weichuan等人利用薄膜壓電驅(qū)動(dòng)光柵，從而使得光柵常數(shù)改變［8］。運(yùn)用靜電力式和壓電式來(lái)驅(qū)動(dòng)可調(diào)光柵，所需要的模擬電壓非常大，對(duì)設(shè)備的要求很高?？烧{(diào)光柵的制作需要用到刻蝕工藝、電子束光刻工藝等復(fù)雜的工藝，制作周期較長(zhǎng)，成本高。

本文提出了一種成本低、周期短、工序簡(jiǎn)單、易于控制的制備可調(diào)光柵的方法，克服了傳統(tǒng)制作方法所用設(shè)備昂貴、工藝條件苛刻復(fù)雜、難以控制、制作成本高、周期長(zhǎng)的問(wèn)題，應(yīng)用前景廣泛。

1 可調(diào)光柵的制作原理

本文介紹的可調(diào)光柵的制作方法，首先在基底上勻膠，通過(guò)紫外光刻的方法，制作出周期為8μm的光柵結(jié)構(gòu)，然后配制PDMS，將光柵復(fù)制在PDMS薄膜上，并將PDMS固化，形成內(nèi)嵌式PDMS光柵。利用PDMS薄膜優(yōu)異的彈性，將此薄膜沿著光柵柵線(xiàn)的方向拉伸，隨著柵線(xiàn)的伸長(zhǎng)，光柵的溝槽和凸脊逐漸變窄，光柵常數(shù)也隨之變小。因此，可通過(guò)控制PDMS薄膜的拉伸長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)該光柵的周期，即光柵常數(shù)。

2 工藝流程

2.1 光柵模板的制備

用紫外線(xiàn)光刻技術(shù)制作光柵模版，如圖1(a)所示。1)備片:按順序分別用丙酮、酒精、去離子水清洗載玻片;2)甩膠:在載玻片上旋涂一層正性光刻膠EPG533，轉(zhuǎn)速為3 500 rpm，勻膠時(shí)間30 s;3)曝光:使用深紫外線(xiàn)光刻機(jī)，用接觸式曝光的方法進(jìn)行曝光操作，曝光劑量約為75mJ/cm2;4)顯影:將曝光后的載玻片放在顯影液中顯影，顯影時(shí)間15 s，顯影液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaOH;5)后烘:將制作好的光柵放置于100℃的烘盤(pán)上烘20 min，取下備用。如圖1(b)是制作出來(lái)的微米量級(jí)的光柵;圖1(c)所示為制作PDMS薄膜的示意圖;圖1(d)為制作出來(lái)的PDMS薄膜。本實(shí)驗(yàn)所制作的光柵周期為8μm，占空比為1∶1(線(xiàn)寬:槽寬)，如圖2所示。

圖1 可調(diào)光柵工藝流程圖Fig 1 Processing flow chart of tunable grating

圖2 周期為8μm占空比為1∶1的光柵結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Grating structure diagram with period of 8μm and duty ratio of 1∶1

2.2 PDMS薄膜的制備

1)為了得到更加柔韌的PDMS薄膜，將預(yù)聚物和固化劑按照20∶1的體積比混合(產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上所建議的常規(guī)配比原為10∶1)，然后將混合好的PDMS液體放在真空干燥箱中，保持抽真空狀態(tài)直至液體中無(wú)氣泡為止，該過(guò)程需要約5～15 min;2)將PDMS液體緩慢地傾倒在光柵模版的表面，待無(wú)氣泡后，在100℃的烘盤(pán)上加熱固化1 h，取下并冷卻后，將PDMS薄膜從光柵模版上剝離下來(lái)備用。此時(shí)的PDMS薄膜上內(nèi)嵌有光柵圖形，薄膜厚度約為1 mm。如圖3為激光共聚焦顯微鏡拍攝的PDMS薄膜上的光柵圖形。

圖3 PDMS薄膜上的光柵圖形Fig 3 Grating figure on PDMS film

2.3 可調(diào)光柵的調(diào)諧過(guò)程

如圖4所示，將PDMS薄膜切成規(guī)則的長(zhǎng)方形小塊，以光柵的柵線(xiàn)方向?yàn)殚L(zhǎng)邊，然后將其夾持在手動(dòng)平移臺(tái)上。本實(shí)驗(yàn)所用到的拉伸裝置是由實(shí)驗(yàn)人員自主設(shè)計(jì)并制作的，其中用到的手動(dòng)平移臺(tái)由北京聯(lián)英精機(jī)科技有限公司生產(chǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)平移臺(tái)的手輪，平移臺(tái)沿著光柵柵線(xiàn)的方向移動(dòng)，此時(shí)就是可調(diào)光柵的周期連續(xù)可調(diào)諧的過(guò)程。隨著PDMS薄膜長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)，寬度方向發(fā)生一定的收縮，光柵常數(shù)也隨之變小。

圖4 可調(diào)光柵的調(diào)諧過(guò)程Fig 4 Adjusting process of tunable grating

在保證PDMS薄膜不被拉斷的情況下，光柵周期最小可變?yōu)樵瓉?lái)的60%，且是可逆形變。如圖5為拉伸PDMS薄膜一定的長(zhǎng)度后，將光柵常數(shù)變小的光柵轉(zhuǎn)移到NOA73上的光柵圖形。NOA73是一種光學(xué)性能很好的紫外光敏材料，固化前呈液態(tài)，經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)照射后，很快固化，可以完整地將光柵圖案復(fù)制出來(lái)。

圖5 NOA73材質(zhì)的光柵，周期為5μmFig 5 Grating with NOA73 material with period of 5μm

3 測(cè)試與分析

3.1 光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長(zhǎng)量的關(guān)系

PDMS是一種彈性材料，彈性模量為360～870 kPa，泊松比為0.5。PDMS薄膜的原始尺寸為2.4 cm×1.6 cm，厚為1 mm。

如圖6為拉伸PDMS薄膜時(shí)，光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長(zhǎng)量的關(guān)系。平移臺(tái)的位移與薄膜原長(zhǎng)的差就是PDMS薄膜的伸長(zhǎng)量。光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長(zhǎng)量的關(guān)系近似為線(xiàn)性:0～10 mm之間，光柵常數(shù)基本不發(fā)生變化;10 mm以后，光柵常數(shù)開(kāi)始發(fā)生顯著的變化，且與PDMS薄膜的伸長(zhǎng)量呈線(xiàn)性的關(guān)系;20 mm以后，光柵常數(shù)保持最小量不再變化;當(dāng)拉伸到23 mm以后，PDMS薄膜有斷裂的跡象。

圖6 光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長(zhǎng)量的關(guān)系圖Fig 6 Relation graph of grating constant and PDMS film elongation volume

3.2 光柵衍射圖樣的觀(guān)察

光柵的初始周期為8μm，柵線(xiàn)寬度為4μm，經(jīng)過(guò)拉伸周期變?yōu)?μm，有明顯的衍射現(xiàn)象，圖7所示為它的衍射圖樣。

4 結(jié)論

本文提供了一種制作可調(diào)光柵的方法。首先利用紫外光刻的方法制造出光柵，再利用PDMS優(yōu)異的彈性，運(yùn)用拉伸的方法實(shí)現(xiàn)光柵常數(shù)的可調(diào)諧，采用此種方法制作的可調(diào)光柵成本低、操作簡(jiǎn)單、制作周期短，可廣泛應(yīng)用于微型光譜儀、掃描儀、光通訊等領(lǐng)域中。

圖7 光柵常數(shù)為5μm的光柵衍射圖樣Fig 7 Diffraction image of grating constant 5μm

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