二元光學(xué)元件的制造技術(shù)一．概述二元光學(xué)是基于光波衍射理論進(jìn)展起來(lái)的一個(gè)興光學(xué)分支元光學(xué)器件具有質(zhì)量輕、易復(fù)制、造價(jià)低等特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微小陣列、息處理光纖通信及生物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代國(guó)防要作用及寬闊前景。2080MIT林肯試驗(yàn)室領(lǐng)先提出，衍射光學(xué)元件的外表帶有浮雕分層，故引出了“二元光學(xué)”的概念。隨后加拿大、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)也相繼開(kāi)展了這一領(lǐng)域的工作。2090年月初期，等方面取得了突破性進(jìn)展?！惨弧扯鈱W(xué)元件的構(gòu)造二元光學(xué)元件是以光的衍射理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)作為設(shè)計(jì)根底1給出三種不同類型的二元光學(xué)元件剖面示意圖。其中圖a0，兩個(gè)位相等級(jí)；b為多值型，包含有N=2n個(gè)位相等級(jí)〔圖中n=2〕;c為混合型，它由一個(gè)折射光學(xué)元件和一個(gè)二元光學(xué)元件組合而成。圖〔1〕〔〕〕〔〕混合型元件〔二〕二元光學(xué)元件特點(diǎn)和特點(diǎn)：高衍射效率雕構(gòu)造。一般使用N 塊模板可得到L〔=2N〕個(gè)位相等級(jí)，其衍射效率為=sin(/L)/(/L)2。當(dāng)相位等級(jí)L16時(shí)，同軸理論衍射效率接近于100%。更多的設(shè)計(jì)自由度在傳統(tǒng)的折射光學(xué)系統(tǒng)或鏡頭設(shè)計(jì)中只能通過(guò)轉(zhuǎn)變面的曲率或使用不同的光學(xué)材料校功能光學(xué)元件，這是對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的一次的變革。獨(dú)特的色散性能方法已用于行的非球面設(shè)計(jì)和溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)中。材料的可選擇范圍寬外，在光電系統(tǒng)材料選取中，一些紅外材料，如ZnSe和Si等，由于它們具有一些不抱負(fù)的外應(yīng)用中，可使用的光學(xué)成像波段展寬1000倍。適用范圍廣不僅用于可見(jiàn)光，而且用于微波，紅外，紫外和射線等各種不同的波段。特別的光學(xué)功能振等特性。二元光學(xué)元件這些優(yōu)良特性必將促進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)從折射向衍射進(jìn)展藝發(fā)生深刻的變革，這勢(shì)必會(huì)引發(fā)光學(xué)領(lǐng)域的的技術(shù)革命。隨著二元光學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，二元光學(xué)元件已廣泛用于光學(xué)傳感，光通信，光計(jì)算存儲(chǔ)，激光醫(yī)學(xué)，消遣消費(fèi)以及其他特別系統(tǒng)中。二．二元光學(xué)元件的制造工藝二元光學(xué)元件是一種純位相型衍射光學(xué)元件幾種?！惨弧橙缓笸ㄟ^(guò)反映離子蝕刻，制造出二元光學(xué)元件。二元振幅型掩模的制造N個(gè)等級(jí)，一般去N=2n。為制造出具有N個(gè)位相量化級(jí)的二元光學(xué)元件模板，必需產(chǎn)生一個(gè)二元振幅型掩模。以N=41號(hào)掩模板的透亮單元對(duì)應(yīng)于位相值為3/2的像素，用于刻蝕兩個(gè)深度單位；2號(hào)掩模板的透亮單元對(duì)應(yīng)位相為/23/2的像素，用于刻蝕兩個(gè)深度單位。通過(guò)兩次重復(fù)套刻，可產(chǎn)生具有四個(gè)位相等級(jí)的臺(tái)階形構(gòu)造2表示用兩個(gè)掩模板產(chǎn)生四個(gè)位相等級(jí)的套刻過(guò)程。3所示。對(duì)振幅掩模板的曝光記錄目前多數(shù)承受計(jì)算機(jī)掌握的圖形發(fā)生器或光繪儀機(jī)。圖〔2〕n=2,N=4圖〔3〕振幅型掩模制造工藝母版的刻蝕加工在早期的微電子加工工藝中，始終沿用濕刻蝕方法〔即化學(xué)刻蝕，承受的刻蝕液主要有高氯酸，碳酸，高錳酸鉀，鈰硝銨等，濕刻蝕工藝本錢較低，但它的主要缺點(diǎn)是簡(jiǎn)潔產(chǎn)生元件；還有就是對(duì)環(huán)境的污染。因此近年來(lái)，濕刻蝕工藝已漸漸被等離子體干刻蝕所取代。漸漸剝離的方式將掩模圖形復(fù)制到基外表上?！捕秤帽∧こ练e法制造二元光學(xué)元件的步驟如圖4所示。首先在片基上涂布一層光致抗蝕劑，用接觸復(fù)印法吧二元振幅掩模上的圖案復(fù)制到抗蝕層上，如圖4〔a〕所示；然后再真空中均勻蒸鍍一層SiO ，掌握膜層的厚度，使其準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)所要求的相移，見(jiàn)圖4〔b〕;第2三步用堿性溶液去除抗蝕層，留下具有要求厚度的SiO 圖形，如圖4〔c〕,(d)所示。用多2個(gè)掩模重復(fù)上述步驟，就可以制造具有多位相等級(jí)的二元光學(xué)元件。圖〔4〕〔〕在光致抗蝕劑層上形成圖形〔b〕〔c〕〔d〕〔三〕1:1的比例記錄亞微米級(jí)5喝一些外部設(shè)備掌握器組成。直接在晶片的透亮導(dǎo)電層〔In2O3〕上涂布電抗蝕劑，通過(guò)電EC-BES-40A0.25m，線條邊緣粗糙度<0.05m15cm15cm范圍內(nèi)累計(jì)位置誤差0.1m較長(zhǎng)。圖〔5〕電子束印刷系統(tǒng)原理框圖(四)復(fù)制技術(shù)復(fù)制技術(shù)是二元光學(xué)元件制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已經(jīng)進(jìn)展的復(fù)制技術(shù)包括環(huán)氧樹(shù)脂鑄造，r溶膠鑄造，模壓，和全息復(fù)制方法等。下面以模壓方法來(lái)說(shuō)明在PMMA上復(fù)制二元光學(xué)元件的過(guò)程。圖〔6〕模壓復(fù)制原理61mmPMMA材料，上面掩蓋要復(fù)制的二元光學(xué)133.322Pa1h內(nèi)將溫度由室溫漸漸上升至140°C，恒溫1h之后爐子斷電，壓力漸漸加大，溫度漸漸降至室溫，在最終將母版剝離，就得到復(fù)制品。用這種方法復(fù)制的透鏡陣列衍射效率可到達(dá)91%，且光學(xué)質(zhì)量始終。它的缺點(diǎn)是保真度稍差，特別微細(xì)的構(gòu)造不簡(jiǎn)潔復(fù)制，且圖〔6〕模壓復(fù)制原理另一種具有進(jìn)展前途的復(fù)制方法是光學(xué)塑料的注射成型用這種方法復(fù)制的光學(xué)元件其特征尺寸可以小到1 m，且環(huán)境穩(wěn)定性比模壓零件更好。三．二元光學(xué)元件的應(yīng)用二元衍射光學(xué)是光學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科,二元光學(xué)元件可以完成用傳統(tǒng)的光學(xué)元件難以處理的工作,它能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微型、陣列、集成及任意波面變換等功能,目前正在進(jìn)展的一代,致力于多層或三維集成微光學(xué),在成像和簡(jiǎn)單的光互連中