基于二元光學(xué)的陣列位相環(huán)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)是伴隨納米加工技術(shù)發(fā)展起來的新型科技，在微納米加工的這項(xiàng)新型的技術(shù)應(yīng)用的過程中，利用激光的特點(diǎn)進(jìn)行加工，會有很多的特點(diǎn)，為加工更小的微型器件，提供了新的方法。比如說在利用激光進(jìn)行的利用掩膜版進(jìn)行的光刻和利用激光的特點(diǎn)進(jìn)行直寫實(shí)驗(yàn)過程中，激光系統(tǒng)的能量輸入掩模面，在輸出面上能量分布均勻是否，這都將影響到輸出面上的光的能量的分布，這樣在加工的過程中，能量的均勻分布的特性，就會影響加工制作元件的質(zhì)量。因?yàn)榧す夤馐恼穹跈M向上呈高斯

2、分布，能量并非均勻分布這個原因，這就需要把高斯光束整形為能量均勻分布的平頂光束，因此曝光系統(tǒng)中光能分布均勻性是很重要的。
　　 本文在分析現(xiàn)在常用的幾種激光整形的方法后，針對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的脈沖半導(dǎo)體固體激光器的特點(diǎn)和實(shí)際用途，提出以二元光學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用實(shí)驗(yàn)室微納米器件的加工技術(shù)，設(shè)計(jì)并且制作了脈沖半導(dǎo)體固體激光的波面整形的陣列位相環(huán)勻光片。
　　 論文首先從理論上證明了二元光學(xué)元件的衍射效率，在此基礎(chǔ)上，說明對激光波面的

3、整形作用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是利用相位恢復(fù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的問題。在此思想基礎(chǔ)上，利用GS算法，對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和優(yōu)化，在設(shè)計(jì)的初期，首先利用MATLAB軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬入射場和出射光場的光的分布情況，從而給出了二元光學(xué)元件的位相分布。從模擬結(jié)果看出，出射光場呈平頂化的分布，實(shí)現(xiàn)了波面整形。利用模擬的實(shí)驗(yàn)就可以得到，如果設(shè)計(jì)的器件是純相位的元件，那么這種器件會對激光具有一定的整形作用。
　　 然后，在二元光學(xué)的特有的加工設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)之上，利

4、用角譜衍射理論作為模擬勻光器光路的理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)陣列結(jié)構(gòu)的位相環(huán)，所設(shè)計(jì)的每個單元的結(jié)構(gòu)是3環(huán)2值位相環(huán)，其中每個單元最外環(huán)半徑由實(shí)際的光路給出，本文的設(shè)計(jì)是應(yīng)用355nm固體激光，則根據(jù)激光設(shè)計(jì)最外環(huán)直徑為0.3mm，中間環(huán)直徑0.108mm，最小環(huán)直徑是0.027mm，利用納米器件加工工藝，在3英寸的JGS2石英基材料上制作出兩臺階的170*170個結(jié)構(gòu)的微浮雕衍射微光學(xué)元件，并利用MATLAB對高斯光對設(shè)計(jì)的陣列結(jié)構(gòu)的位相環(huán)進(jìn)行模

5、擬仿真，證明了設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對激光能量的均勻化，在此基礎(chǔ)上還可以提高光能利用率。
　　 在制作陣列位相環(huán)元件的過程中，首先根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，使用專業(yè)軟件LEDIT繪制了兩塊掩模版的圖形并制作完成。為了保證在第一版掩膜版和第二版在套刻曝光的時候，能夠精準(zhǔn)的吻合進(jìn)行套刻，并降低誤差對結(jié)果的影響。在設(shè)計(jì)掩模板的時候兩側(cè)分別加入了相應(yīng)的對準(zhǔn)標(biāo)記。接著通過試驗(yàn)摸索，首先對石英進(jìn)行測試和拋光，其次在對石英涂膠過程中，使用增粘劑解決了石

6、英材料的親水性所帶來的無法粘合光刻膠的問題。
　　 在利用等離子體刻蝕，蒸金屬和剝離等技術(shù)基礎(chǔ)上，最終把掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到石英基片上，關(guān)鍵是研究等離子體刻蝕的參數(shù)的設(shè)定上，例如在離子刻蝕過程中的流量，功率和時間的選擇和設(shè)定。主要是根據(jù)以往刻蝕的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)刻蝕的深度，進(jìn)過大致的實(shí)驗(yàn)測試，最終確定了刻蝕加工的時間。
　　 最終確定加工的參數(shù)：
　　 1）光刻階段
　　 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度：20℃；使用的

7、增粘劑型號：六甲基二硅胺烷；增粘劑涂膠時的轉(zhuǎn)速：5000r/min；光刻膠型號：9920型，光刻膠涂膠時的速率：3000r/min；前烘的溫度：85℃，前烘的時間：4min；光刻機(jī)的曝光時間：13s；光刻膠的顯影時間：60s；光刻膠的定影時間：30s；
　　 2）刻蝕階段
　　 實(shí)驗(yàn)的溫度：20℃；本底真空（低真空）：1.4×10-2Pa，刻蝕機(jī)的壓強(qiáng)：15Pa，通入刻蝕機(jī)氣體的壓強(qiáng)：5～8Pa，刻蝕機(jī)的偏轉(zhuǎn)電壓：300

8、V，使用時的刻蝕的壓強(qiáng)P=400W；通入刻蝕機(jī)的氣體：CHF3：180sccm，SF6：60sccm；刻蝕時間：T=4分50秒（因?yàn)闀r間不好控制，大致為整數(shù)）；刻蝕速率：V=70nm/min。
　　 制作完成后，對陣列位相環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)檢驗(yàn)，利用顯微鏡對石英進(jìn)行觀察，檢查其制作后的效果圖。在此基礎(chǔ)上，并對整形效果進(jìn)行了測試，對比陣列菲涅耳波帶片的整形效果，對結(jié)果進(jìn)行了可能存在的問題進(jìn)行分析，為下一階段的制作工藝，制作出良好的元件提