[发明专利]以时间基准为参照的精密光栅制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，特别涉及一种以时间基准为参照的精密光栅高精度制造方法。该方法主要用于精密光栅的制造，包括圆光栅、长光栅、面光栅等。

背景技术

精密光栅是当今精密加工装备、精密测量、光学调制等的关键部件之一，广泛应用于能源、精密制造、航天探测、超精密光学工程等领域。目前，精密光栅的周期一般为500nm~10μm，槽型结构根据不同应用场合主要为矩形、正弦形、锯齿形、梯形等。随着超精密制造及超精密光学工程的进一步发展，对精密光栅制造的精度要求越来越高，光栅周期可延伸至10nm，光栅结构的表面光洁度要求可达亚纳米级，这对现有的光栅制造方法提出了严重挑战。

目前，精密光栅制造方法主要有机械刻划加工、激光干涉加工技术、光学光刻加工等方法。上述制造技术中光栅纳米结构的成形都是基于长度为基准进行度量，并以此来控制加工过程中的各个参数，如加工时长、能量密度、加工速度等。这与传统的宏观机械加工在理念上是一致的。以长度为基准的微纳加工手段，难以实现纳米级、亚纳米级精度的制造。

1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上通过了长度标准单位-米的新定义：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”实际上，米是被定义为光在以铂原子钟测量的0.000000003335640952秒内走过的距离。米的定义意味着计量意义上长度单位(米)是可以从时间单位(秒)导出，实现更高的精度等级。现行时间单位(秒)的计量精度等级已经达到10^-17，而长度单位(米)的计量精度等级比其低两个数量级为10^-15。

综上所述，以长度为加工的计量基准相较以时间为加工的计量基准将相差两个精度数量级，尤其在纳米制造中这将显现明显的劣势，并将限制纳米制造的加工精度等级的提高。本发明拟提供一种以时间作为加工基准，实现纳米级精度的精密光栅加工方法。

发明内容

针对上述现有精密光栅加工技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提出一种以时间基准为参照的精密光栅高精度制造方法。该方法以时间为加工基准，将光栅制造过程的加工控制量时间化，避免了传统的以长度为加工基准，从而从度量基准上提高了精密光栅制造的加工精度。

为实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

以时间基准为参照的精密光栅制造方法，包括如下步骤：

1)清洗待加工工件；

2)时间映射长度的转换：根据待加工工件的结构参数、工件的材料，对工件进行加

工的高能束的脉宽、能量密度以及工件的进给速度，进行以时间为基准映射长度

基准的转换，得到以时间为基准的纳米加工控制量：沟槽处连续加工脉冲数N₁和

高能束循环加工次数N₂；

3)根据脉冲数N₁控制时钟开关的打开、根据高能束循环加工次数N₂达到所需纳米

结构的槽深，进行精密光栅的制造。

优选地，所述步骤2)中沟槽处连续加工脉冲数N₁和高能束循环加工次数N₂的计算方法如下：首先，计算单个沟槽处脉冲连续加工时间t₁：沟槽处连续加工脉冲数N₁：

然后，计算单个凸起处脉冲停止工作时间t₂：高能束循环加工次数N₂：其中，待加工工件的纳米结构：L₁为槽宽，L₂为凸起宽度，H为槽深，ΔT为高能束脉宽，h为单次脉冲加工的深度；v为待加工工件的进给速度。

优选地，通过调节高能束的脉宽ΔT、高能束束斑的工作能量密度和工件的进给速度v，调节光栅的加工精度。

优选地，对于纳米尺度为10nm~100nm的周期的光栅加工，所述高能束为电子束或离子束。

优选地，对于亚微米至微米尺度为100nm~20μm周期的光栅加工，所述高能束为离子束或激光。

本发明的有益效果是：

本发明以时间基准为参照，将传统的以长度为基准的加工量转换为时间控制量，通过计算高能束脉冲数把纳米制造中的加工控制量时间化，利用不同类型的高能束实现纳米级精密光栅制造中纳米尺度要求以及亚纳米级的精度化要求。时间基准的引入提高加工控制量的度量精度，高能束的引入实现了纳米级精度要求。

附图说明