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螺旋相位板的加工方式对比

作者: 时间:2021-07-15

螺旋相位片(Spiral phase plate, SPP)又叫做涡旋相位片(vortex phase plate),是用来产生涡旋光束的一种纯相位型衍射光学元件,入射激光在通过螺旋相位片以后会形成涡旋光。涡旋光是一种具有螺旋相位结构和确定轨道角动量的特殊光场,在光镊、STED显微镜、量子光学、光场调控、大气光通信等领域有着重要应用。

目前螺旋相位片的加工方式有电子束或聚焦离子束逐点直写、激光直写、微机械加工和掩模光刻等多种方式,本文将简单介绍下这几种加工方式的区别。

一、电子束直写

电子束直写是用电子束光刻机,通过电场作用让电子束聚焦到一个很小的点,然后照射到光刻胶上面,让光刻胶感光。焦点的移动可以通过电场控制来实现,在光刻胶上得到想要的图案。如果增大电子束强度和照射的时间,甚至可以直接在基板上进行刻蚀。

通过电子束直写可以制作出接近理想的连续型螺旋相位板,但是这种方式操作复杂,制作周期长,对于批量生产来讲是不适用的。

二、激光直写

激光直写是利用激光直写系统,通过控制激光器的能量分配,在光敏刻蚀剂上得到不同的灰阶。在激光直写仪将光刻胶曝光以后,放在显影液中显影去除曝光部分,用去离子水冲洗以后再用氮气吹干。最后烘干镜片,以减小显影过程中的表面粗糙度。

如果制作过程中螺旋相位片深度值与理论值有偏差,体现在能量分布中就是不均匀。

三、灰度掩模光刻

普通的光刻制作是将设计好的掩模图形刻蚀到光刻胶上形成浮雕型的结构,基本步骤为光刻掩模制备,然后将图形转移到光刻胶上。为了得到近似连续型的结构,一种方式是将螺旋相位片设计台阶化,得到台阶型螺旋相位板。掩模版上透光和不透光的地方形成0:1二值掩模。每次刻蚀得到一个深度,经过多次曝光形成近似连续的台阶型深度结构。曝光一次为二阶,两次为四阶,三次为八阶,四次为十六阶。随着阶数的增加,生产成本也直线上升,德国Vortex提供的就是64阶的台阶型螺旋相位片,精度很高,同样价格也不菲。

因此为了降低成本,有一种新的曝光技术:灰度掩模。灰度掩模在曝光时不是0:1,而是透光率表现为连续灰度。根据相位分布设计制备螺旋相位片所需的灰度掩模,灰度值由相位延迟决定,延迟越多,灰度值就越高。用密度可变的灰度编码方法,灰度值与密度值能保持一致。将灰度图形打印到透明胶片上,得到高分辨率的掩模。之后对投影光刻系统进行光刻得到设计的螺旋相位片。

这种螺旋相位板是接近连续型螺旋相位片的。

四、移动掩模光刻

移动掩模光刻与灰度掩模光刻目的相同,都是为了制备出近似连续的螺旋相位片。把三维目标面形在一维的方向上按一定间隔抽样处理,然后将得到的样条按照高度进行归一化处理,并使得最大值为抽样间隔。最后将所有样条按比例平铺在抽样空间内,得到设计所需的二维掩模结构图形。

由于三维结构面型是被抽样量化成多个微样条并用其来组成掩模结构,抽样间隔会影响到结构面型的粗糙度,所以需要对抽样间隔进行分析。

加工时将掩模板进行一次曝光就可以得到设计所需的螺旋相位片,掩模板移动的距离是抽样间隔。

移动掩模光刻得到的螺旋相位片在干涉仪和台阶仪测量后,表面光滑平整,矢高符合设计要求。这种方式不需要昂贵的仪器,且制作周期短,成本低。

五、其他

除了上述几种方法外,还有以下几种方法:

-在石英基底上多重刻蚀得到台阶型的螺旋相位片,就是上面提到的多阶螺旋相位片;

-用准分子激光消融技术在聚亚酰胺衬底上加工多阶的螺旋相位片;

-微机械加工技术,使用与可见光波段的螺旋相位片,但是在毫米量级内很难产生低拓扑荷数的螺旋相位片;

-空间光调制器;

-在光学玻璃基底上面压制或者涂覆一层沿方位角方向高度递增的介质材料;或者是一层折射率旋转分布的材料;

不同工艺得到的螺旋相位片在精度、损伤阈值和价格等方面有所差异,客户在选择时可以根据自己核心需求来做选择。比如使用高能量激光就不能选择聚合物材质的螺旋相位片,光镊和STED需要螺旋相位板的台阶误差很小,激光加工行业会考虑到成本管控等。

如果有上述疑问,欢迎来电咨询。

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