[发明专利]一种高密度无机材料光栅的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种高密度无机材料光栅的制备方法，具体涉及结合激光干涉法和化学刻蚀法的无机材料光栅的制备方法。

背景技术

高密度光栅是微光学中的一种重要的光学元件，可广泛应用于光谱学、计量学、集成光学、信息处理及光通信等领域，对于提高光学元器件的分辨率，实现集成化具有重要意义。

目前，制备高密度光栅的方法很多，传统的方法包括机械刻划和化学刻蚀等，这些方法一般精度较低且难以制备亚微米高密度光栅。随着新型有机感光材料的发展，结合激光干涉技术在亚微米级光栅的制备方面获得了很大进展。但是有机光栅在耐蚀、抗辐射、抗老化等方面受到诸多限制，在实际应用中仍存在一些难题需要解决。与有机材料相比，无机材料光栅在耐蚀、抗辐射、稳定性等方面则具有明显优势。

目前采用离子刻蚀或飞秒激光刻蚀等方法可以成功地制备无机材料光栅，但是这些方法本身技术难度大、成本高，工艺持续时间长，并且制备的光栅边缘规整度差。

为了降低成本，一些学者研究并发展了一些基于溶胶-凝胶工艺的微细加工方法，如纳米压印法(nano-imprint lithography)和软式刻印法(softlithography)等，这些方法一般通过接触压印或者毛细现象等结合热处理工艺制备亚微米级无机光栅，制备的光栅面积小，而且在脱模过程中很容易造成图形的变形和失真。

感光溶胶-凝胶法是另一类基于溶胶-凝胶工艺的微细加工方法，该方法通过在溶胶的制备工艺过程中添加一些二酮类感光剂合成有机-无机复合感光材料，结合激光干涉技术可以制备传统方法难以获得的亚微米级无机光栅，极大地提高了光栅的寿命和使用范围。但是这种方法目前存在的问题在于，制备的光栅沟槽深度很小，导致其深宽比较小，因此制备出的光栅的衍射效率很低，难以达到实用化要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高密度无机材料光栅的制备方法，基于感光溶胶-凝胶法，将激光干涉法和化学刻蚀法相结合，可制备出具有高衍射效率的高密度无机材料光栅。

本发明所采用的技术方案是，一种高密度无机材料光栅的制备方法，按以下步骤进行，

a.采用感光溶胶-凝胶法制备感光薄膜

以金属化合物、酮类或二酮类化合物为出发原料，采用溶胶-凝胶法制备具有紫外感光性的含金属螯合物的凝胶薄膜，通过提拉，旋涂等方法将凝胶薄膜涂在硅基底上；

b.采用激光干涉法制备高密度光栅，并使之转化为无机材料光栅

采用紫外激光器作为光源，使两束满足干涉条件的平行光以相同的角度照射到步骤a得到的感光凝胶薄膜表面，使之产生干涉条纹，干涉曝光后，将凝胶薄膜和基板浸入有机溶剂中，未光照区域在有机溶剂中完全溶解，光照区域则保留下来，从而得到凝胶薄膜光栅；

进一步在大气环境下，将凝胶薄膜光栅进行热处理，使之转化为无机材料光栅；

c.对无机材料光栅进行化学刻蚀

配制硅的各向异性化学刻蚀剂，搅拌至澄清，将上步得到的无机材料光栅浸入刻蚀剂中，在超声波中进行刻蚀，得到一个表面被无机材料薄膜覆盖的硅槽光栅；

d.将上步刻蚀后的光栅进行表面镀金处理，即完成制备过程。

本发明基于感光溶胶-凝胶法，将激光干涉法和化学刻蚀法相结合，首先采用激光干涉法制备出高密度无机光栅，进而利用光栅材料和基板之间存在的刻蚀速率差进行化学刻蚀以增加光栅的沟槽厚度，提高其衍射效率。本发明结合了激光干涉法和化学刻蚀法的优点，可制备出高密度、高衍射效率的无机材料光栅，且工艺简单，成本较低，对于高密度光栅的实用化具有重要意义。

附图说明

图1是本发明方法制备高密度光栅的过程示意图；

图2是激光干涉法制备高密度光栅的流程示意图；

图3是高密度无机薄膜光栅刻蚀后的原子力(AFM)扫描照片，其中，a为AFM三维扫描照片，b为沿a中所画线段ab的断面轮廓扫描照片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明涉及高密度无机材料光栅的制备方法，首先采用感光溶胶-凝胶法制备感光薄膜，进而采用激光干涉法制备高密度光栅，结合热处理工艺获得无机薄膜光栅，接着采用化学刻蚀法以提高光栅的深宽比，最后对光栅进行表面镀金处理。如图1所示，具体按以下步骤进行，

a.采用感光溶胶-凝胶法制备感光薄膜