宽波段全息-离子束刻蚀光栅的设计研究
光谱仪器是测量、分析和处理物质结构和成分的基本设备，按光谱范围可分为真空紫外光谱仪、紫外-近红外光谱仪和红外光谱仪。光谱仪主要由光源、分光系统和接收系统3部分组成。其中分光系统是光谱仪器的主体，而衍射光栅（以下简称光栅）是分光系统的核心部分，它使复色光发生空间分离形成光谱。因此，光谱技术的进步及发展与光栅制造技术水平息息相关。
根据光谱仪器的工作原理，光栅在较宽的波段范围都有较高的衍射效率（衍射光能量与入射光能量之比），同时整个衍射效率曲线比较平滑，这是光栅制造领域始终追求的目标之一。而相较于单闪耀角光栅，宽波段光栅在光谱分析领域具有更独特且不可替代的优势，其光谱更宽，能满足多种光谱仪全波段使用的需求，使成像探测器更加简单。另外，同一块光栅具有多个闪耀角使仪器结构更简单、使用更便捷，不但减小了光谱仪器的体积也降低了设备成本。
目前，国内外主要采用机械刻划和电子束刻蚀两种工艺制作微结构不同的宽波段光栅。与机械刻划光栅、电子束曝光光栅相比，全息-离子束刻蚀光栅具有无鬼线、高信噪比、制造周期短、口径大等诸多优点。通过优化离子束刻蚀工艺参数可以在同一光刻胶掩模条件下获得不同闪耀角的光栅，从而使得在同一基底上制作双闪耀或多闪耀角的组合型光栅成为可能。
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的吴娜等研究人员提出了一种多闪耀角组合的宽波段全息-离子束刻蚀光栅优化方法，以1200gr/mm刻槽密度、200~900nm的宽波段全息光栅为例进行了槽形优化设计，并与传统方法进行了对比。然后针对同一参数光刻胶掩模可获得不同闪耀角开展了离子束刻蚀实验，获得了稳定可控的工艺参数，并最终制作了3种闪耀角混合的宽波段光栅。本研究获得了国家重大科学仪器设备开发专项资助项目（No.2011YQ120023）。
本研究以光谱为200~900nm、刻槽密度为1200gr/mm?口径为60mm x 60mm和膜层材料为铝的平面宽波段光栅为例进行设计。在同一基底上沿栅线垂直方向制作3个或4个不同角度的闪耀光栅区域，如图1所示。为达到全波段高衍射效率且衍射效率分布均匀的目的，基底上的这些不同区域的光刻胶掩模为一次曝光获得，其相位完全一致，故无论如何分区进行图形转移都不影响宽波段光栅的衍射波前。
图1 宽波段全息光栅设计原理图
利用阴极灯丝离子源的KZ-150型离子束刻蚀机对光栅进行反应离子束刻蚀，经过优化获得如图2所示的图形转移结果。
图2 优化的三个区域闪耀角实验结果及1200gr/mm宽波段全息光栅外观
本研究在同一基底上分段制作多闪耀角光栅，再加权组合形成宽波段全息-离子束刻蚀光栅的分区设计方法，获得了3个区域全是闪耀槽形的宽波段光栅分区优化设计结果。在此基础上通过大量图形转移工艺实验，确定了实现不同闪耀角的离子束刻蚀工艺参数，制作了具有9°、18°、29°3个不同闪耀角，口径为60mm x 60mm，使用波段为200~900nm的宽波段全息光栅。通过衍射效率测试，全波段最低衍射效率超过30%，最高衍射效率超过50%，达到了国外同类产品的制作水平。
与其它方式制作的宽波段光栅相比，宽波段全息-离子束刻蚀光栅的工艺成熟，不仅易于控制光栅槽形，而且光栅的有效面积较大，可以批量复制，满足光谱仪器行业的迫切需求。
北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的AdvancedLKJ系列离子束刻蚀系统，为通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能，还可实现化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）与反应离子束刻蚀（RIBE）。
埃德万斯采用RIBE配合He-Ne激光全息光刻制备500nm周期的SiO2闪耀光栅，闪耀角为27°和4°，光栅密度达到了1200线/mm，闪耀波长0.25μm，制成的中心波长为2.3~4.5nm的波带片已实用于同步辐射系统中2~5nm闪耀波长的软X射线扫描；埃德万斯制备了1000线/mmAu透射光栅，与针孔成像技术配合，实现了对X射线光源空间分辨能谱的分析应用。埃德万斯已成功为长春光机所研制了我国第一个大尺寸二元光学器件，并提供了成套设备和工艺软件。