[发明专利]一种变台阶衍射元件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种变台阶衍射元件及其制备方法，所述制备方法根据不同区域的环带宽度尺寸，规划其台阶数目，从而解决加工设备加工能力极限与衍射元件衍射效率之间的矛盾。对于衍射元件的中心区域，相较于外围区域设计更高台阶数目，由于台阶数目的增加，提高了该区域的衍射效率，从而提高整个衍射元件的衍射效率。同时，利用激光直写机分批次对衍射元件的不同级的台阶区域进行曝光，以及利用离子束刻蚀设备对基片进行离子束刻蚀加工，从而在不损失加工精度的前提下，实现具有更高衍射效率的衍射元件的设计及制作。

技术领域

本发明涉及光学器件领域，尤其涉及一种变台阶衍射元件及其制备方法。

背景技术

衍射元件是光线器件的重要一项，以菲涅尔透镜为例，由于其具有独特的色散性能、更多的设计自由度、宽广的材料可选性等特点，因而被广泛地应用于光学、电子等众多领域。

衍射效率是衍射元件的重要参数，连续的位相结构理论上可以实现100％的衍射效率，但是现有的光刻加工工艺难以实现连续结构的制作。在实际加工中，通过离散台阶分布对连续位相结构进行近似，将每一个周期内的环带宽度按固定台阶数目进行分解，以提高衍射效率。一个周期内的台阶数越多，其位相结构越逼近连续型衍射元件，衍射效率也就越高。一般情况下，两台阶衍射元件的衍射效率为40％，四台阶衍射元件的衍射效率为81％，八台阶衍射元件的衍射效率为95％。因此，为得到能量利用率高的衍射元件，需要尽可能的增加台阶数目。

然而随着台阶数目的增加，每一级台阶的宽度会减小，这个尺寸会受到实际加工过程中光刻设备加工能力的限制。即使可以设计多级台阶的衍射元件，也无法保证其加工精度。尤其对于位相分布旋转对称的衍射元件，其环带半径沿径向方向减小，即中心区域环带宽，最外环带宽尺寸最小，实际可实现的台阶数目会受到最外环周期内线宽尺寸的限制，从而限制衍射元件的衍射效率。

发明内容

为此，需要提供一种变台阶衍射元件的技术方案，解决由于加工设备加工能力有限，导致加工得到的衍射元件衍射效率低、能量利用率等问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种变台阶衍射元件的制备方法，所述变台阶衍射元件包括多个同心环带，方法包括以下步骤：

(1)定义W为加工设备在保持高精度的同时可实现的最窄线宽尺寸，根据W(依目前的加工水平通常为6μm)、衍射元件的设计波长λ、焦距f，以及F数F^#，确定不同台阶数目的加工区域σ_L，计算公式如下：

其中，加工精度W与环带宽度Δr_n满足条件：Δr_n＝r_n-r_n-1；r_n为第n个环带半径值，r_o为最外环环带半径值，L为台阶数目；

(2)计算不同加工区域的各级深度，计算公式如下：

其中，n(λ)为基底材料在衍射元件设计波长处的折射率值；

(3)在基片表面涂覆光刻胶，将带有光刻胶的基片放置在激光直写加工平台中心；

(4)控制激光直写加工平台对步骤(1)确定的加工区域进行曝光，并将完成曝光后的基片放入显影液静置N秒，而后清洗基片并烘干；

(5)保留基片上的光刻胶作为抗蚀剂，对基片进行离子束刻蚀加工，将刻蚀加工后的台阶结构从光刻胶转移到基底材料上；

(6)重复步骤(3)至(5)，直至各级台阶均加工完成；

(7)清洗基片，得到具有多级台阶的衍射元件。

进一步地，所述N的数值范围为30至90秒。

进一步地，步骤(6)具体包括：