微光學技術(shù)及其應用(版)

微光學及其應用(Microoptics

and

its

applications)鄭國興電子信息學院Tel:87851024E-mail:

g.x.zheng@163.com1微光學是上個世紀80年代末逐漸發(fā)展起來的一門應用型學科，它的研究對象為微小光學結(jié)構(gòu)，所謂“微小”是指光學結(jié)構(gòu)的特征尺寸在微米甚至納米量級。這些預先設計好的微細結(jié)構(gòu)，對入射其表面的光波起調(diào)制作用，能夠改變?nèi)我馕恢玫墓獠ǖ恼穹臀幌?，從而達到操縱光波實現(xiàn)多種功能的目的。這些功能比如聚焦、成像、位相補償、光束整形、分束、濾波、耦合、互聯(lián)等等。我們知道，微光學是相對于宏光學而言的，宏光學元件主要指特征尺寸遠大于光波波長的元件，比如透鏡、反射鏡、棱鏡等等。受設計理論和加工手段的限制，宏光學元件的光學功能非常單一，一般僅用于聚焦和成像。微光學由于能夠?qū)崿F(xiàn)宏光學無法實現(xiàn)、或者難于實現(xiàn)的功能，極7大的擴大了光學的應用領(lǐng)域，因此這些年來，微光學備受國內(nèi)外研究者的重視，誕生20多年來，微光學在設計理論和加工手段上都取得了長足的進步，被業(yè)類譽為“九十年代的光學”。這次課程我們將對微光學的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、工作原理、設計和分析方法、典型應用做一個詳細的介紹。a微光學應用學科a性質(zhì)a研究對象a微小光學結(jié)構(gòu)a光學行為a操縱光波實現(xiàn)多種功能a理論工具物理光學應用光學電磁場理論微電子學材料學化學聚焦、成像、位相補償、光束整形、分束、濾波、耦合、互聯(lián)等等a宏光學23內(nèi)容微光學概述微光學元件的設計原理微光學元件的加工工藝技術(shù)微光學的應用舉例這其中的關(guān)鍵詞是微米和納米特征尺寸，它使得微光學在設計理論和加工方法上不同于傳統(tǒng)的宏光學元件，也正是微光學成為一門獨立學科的意義之所在?，F(xiàn)代光學系統(tǒng)都在向微型化方向發(fā)展，微光學元件的體積小、重量輕的優(yōu)點正好順應了這種發(fā)展趨勢。比如上天的衛(wèi)星、飛行中的導彈，光學系統(tǒng)具有重要的作用，但由于還要容納很多其他的大體積重型儀器設備，所以要求光學系統(tǒng)占據(jù)的體積越小越好、重量越輕越好。在后面我們將看到，微光學元件中的衍射透鏡由于具有與宏透鏡完全不同的光學特性，有望取代傳統(tǒng)宏透鏡系統(tǒng)中的部分透鏡組，構(gòu)造輕量化的新型、高效的光學系統(tǒng)。可集成是指在同一塊基片上可以一次性制作出具有相同或不同功能的微光學元件，從而構(gòu)造出結(jié)構(gòu)緊湊、功能強大的集成光學系統(tǒng)。比如微透鏡陣列(板書說明)。微光學元件的母版一旦制成，利用熱壓等方法像蓋章一樣在廉價的聚合物材料上批量復制，極大的提高了生產(chǎn)率并降低成本，使微光學元件走向大眾化。一、微光學(microoptics)的定義研究微米、納米級特征尺寸的光學元器件的設計、制作工藝及利用這類元器件實現(xiàn)光波的發(fā)射、傳輸、變換及接收的理論和技術(shù)的新學科。二、微光學元件的特點體積小、重量輕、設計自由度大、可集成、可復制4折射型微光學元件是指微光學元件的特征尺寸相比工作波長較大，達到幾十、數(shù)百微米，這時可以用幾何光學中的折射定律來分析光線的走向。這類元件的典型是連續(xù)面型的微透鏡陣列，這種微透鏡陣列可以用于緊密排列光源、光纖的準直或者聚焦。衍射型微光學元件是指微光學元件的特征尺寸和工作波長相當，比如1微米左右，這時就需要用衍射理論來分析了。這類器件在微光學中被稱為衍射光學元件(DOE)。三、微光學元件的分類分類折射率調(diào)制型：GRIN透鏡(GRIN:gradient-index)浮雕調(diào)制型：折射型、反射型(幾何光學分析)5連續(xù)面型衍射型(衍射光學分析)多臺階面型(即：二元光學元件)GRIN透鏡微透鏡陣列二元光學元件連續(xù)面型衍射光學元件n6四、微光學的主要研究機構(gòu)國外：美國：加利福尼亞大學、林肯實驗室、JPL噴氣動力實驗室、杜邦公司等加拿大：國家光學實驗室(NOL)德國：愛爾蘭根(Erlangen)大學、愛森(Essen)大學瑞士：CSEM、MICROSUSS、奴沙泰爾大學俄羅斯：西伯利亞電工研究所日本等國的一些高校與研究所國內(nèi)：中科院光電所：微細加工光學技術(shù)國家重點實驗室中科院長春光機所清華大學精密儀器系浙江大學光電系華中科技大學光電系等7微光學和其他基礎科學不同，它的誕生本來就是解決一些具體的工程技術(shù)問題，經(jīng)過20多年的摸索，微光學已經(jīng)走向?qū)嵱没⒃谠絹碓蕉嗟墓こ虒嶋H中發(fā)揮著重要的作用，在一些典型應用場合，比如紅外焦平面探測、半導體激光器的準直、光纖陣列的耦合，微光學元件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)。五、微光學研究現(xiàn)狀國外：已經(jīng)逐步走向?qū)嵱没⒌玫綇V泛的應用國內(nèi)：軍用和民用均得到了較大發(fā)展存在的困難：1、成本高2、成品率低3、深浮雕面型控制困難4、復制技術(shù)不過關(guān)89內(nèi)容微光學概述微光學元件的設計原理微光學元件的加工工藝技術(shù)微光學的應用舉例按照上面的分類，下面我們分別闡述這些微光學元件的設計方法。射線方程。Grin透鏡在光通信中可用來實現(xiàn)光纖輸出光束的準直和實現(xiàn)光纖的耦合。在加工方法上主要是離子交換的方式實現(xiàn)折射率的梯度變化。由于其工作原理和加工方法與浮雕型微光學元件完全不同，所以在這里不再詳細闡述。一、折射率調(diào)制型微光學元件——GRIN透鏡zrnn(ρ)r10橫截面折射率分布GRIN透鏡側(cè)面自聚焦透鏡的特性重要性能參數(shù)：–焦距：f=-1/[n0A1/2sin(A1/2L)]聚焦參數(shù)：A=2D/a2數(shù)值孔徑：NA=n0(2D)1/2節(jié)距：P=2p/A1/2成像特性：與透鏡長度有關(guān)：1/4節(jié)距透鏡1/2節(jié)距透鏡0.23節(jié)距透鏡0.29節(jié)距透鏡……11典型應用：光通信、微型光學系統(tǒng)、醫(yī)用光學儀器、光學復印機、傳真機、掃描儀1213CODE

V中的GRIN

LensZEMAX中的GRIN

Lens14以平凸透鏡的設計為例二、折射型微光學元件的設計1、規(guī)則面型微透鏡的設計幾何光學成像公式計算、追跡曲率半徑非球面系數(shù)透鏡玻璃牌號15特殊面型的微光學元件主要是實現(xiàn)特殊的光學功能，其中具有典型意義的是將一束高斯分布的激光整形為平頂分布。z像面微光學元件入射光強度分布像面強度分布x162、特殊面型的微光學元件折射定律、邊界條件、能量守恒原則以一維情況為例，假設物面坐標為x，像面坐標為alpha，物象的距離為z，微光學元件的面型分布為h(x)。板書說明有無fourier

lens

的情況zx(x)x按照輸入輸出能量守恒原則：微光學元件面和輸出像面具有一一對應的關(guān)系：微光學元件面的面型決定著偏折角的大?。?1)(2)(3)h(x)zθ17設計舉例：將一束具有高斯強度分布的激光變換成環(huán)形強度分布輸入場分布：輸出場分布：第一步：將上述分布代入公式(1)，可得：(式中L為微光學元件尺寸)與x的關(guān)系：第二步：利用公式(2)求解當x>0時，誤差函數(shù)：第三步：利用公式(3)求解微光學元件浮雕分布h(x)：同理可分析x<0的情況。18設計仿真結(jié)果：微光學元件浮雕分布入射光強分布出射光強分布19副鏡 主鏡卡賽格林望遠系統(tǒng)示意圖高斯→環(huán)形的典型應用：激光信號探測20剛才提到的光束整形的方法叫做“幾何法”利用公式(1)、(2)和(3)計算得到的微光學元件，可以將任意輸入光強分布變換為想要的分布，比如：平頂分布→環(huán)形分布；高斯分布→平頂分布；高斯分布→環(huán)形分布等等注意：1、設計的前提是入射光束為準平行光，入射波前為近似平面，所以實際應用中，如果入射光束發(fā)散角較大，須先進行準直擴束；2、公式(1)、(2)和(3)的成立須滿足“穩(wěn)相條件”，即輸入函數(shù)變化緩慢，否則計算精度較低；3、入射光場的相干性對輸出強度分布有一定影響，在圖形突變部分會造成強度分布的輕微振蕩。21前面我們主要討論了折射型微光學元件的設計，這里我們討論衍射光學元件的設計。事實上，微光學元件的特征尺寸大多在微米量級，所以絕大多數(shù)微光學元件都是衍射光學元件。首先看一下位相的折疊。為何進行位相的折疊？用微光學加工手段很難加工大浮雕深度的元件，位相折疊在不損害微光學元件性能的前提下，能將浮雕深度控制在微米量級，利于加工。而正因為位相的折疊，造就了很多微小的特征尺寸(尤其在起伏劇烈的地方)，使微光學元件的工作模式由折射變?yōu)檠苌?。三、衍射光學元件的設計1、位相的折疊——將位相約束在一定范圍以內(nèi)采用模除的方法將位相約束在 以內(nèi)：mod[

(x),n=

floor[]= (x)-n*(x)/

](x)"

(x)22衍射元件的復振幅透過率：若

=2

，則：由此可見，2 整數(shù)倍位相的折疊不影響復振幅透過率最大浮雕深度：(h一般在數(shù)微米)23我們還可以從fourier級數(shù)展開的角度考慮位相折疊的問題。折疊后的位相

"(x)是原位相

(x)的周期函數(shù)，其周期為調(diào)制深度

；因而exp[i

"(x)]也是以 為周期、

(x)的周期函數(shù)，將其按傅立葉級數(shù)展開后得到：各衍射級的振幅：如果調(diào)制深度

=2 ，則當m=1時，C1=1，其余Cm=0，說明從衍射元件中出射的光都衍射進＋1級中，所以衍射效率為100%。如果調(diào)制深度 不是2 的整數(shù)倍(比如實際加工誤差引起)，則所有的Cm都不為零，出射光束存在多級衍射光，降低了了衍射效率。24(x)"(x)最常用的掩模是二值化的，即只有透光和不透光之分；而光刻機的曝光作用力方向是垂直向下的，所以只能實現(xiàn)具有臺階結(jié)構(gòu)的面型。2、浮雕結(jié)構(gòu)的二元臺階近似起因：具有斜度的連續(xù)面型用微細加工工藝存在一定困難，而加工階梯結(jié)構(gòu)相對較容易。二元臺階近似下的衍射效率：設調(diào)制深度為2

，則二元器件的復振幅透過率為：L——臺階數(shù)將其代入衍射級的振幅公式中，得到：衍射效率：5臺階數(shù)2481632衍射效率40.5%81.1%95.0%98.7%99.7%

2前面我們談到的主要是衍射光學元件的面型實現(xiàn)方法，DOE的一個最大用途是用來實現(xiàn)光束整形，這里我們來談談光束整形的一些設計理論和方法。當特征尺寸小至波長及其以下尺寸時，偏振光的相互作用對衍射的影響較大，這時用標量理論設計就存在較大的誤差。當衍射元件的特征尺寸大于或等于光波波長時，可使用標量衍射理論來進行設計和分析；反之，用矢量理論。3、用于光束整形的衍射光學元件的設計理論標量衍射理論：G-S算法直接二元搜索法(DBS)模擬退火算法(SA)遺傳算法(GA)Y-G算法矢量衍射理論：積分法微分法模態(tài)法耦合波法26被SCI引用600多次.算法的基本思想是基于衍射元件面和像平面的fourier變換及其逆變換，在相互變化過程中，不斷修正輸入和輸出的振幅，反復循環(huán)逼近理想值，G-S證明過，循環(huán)過程是收斂的，誤差函數(shù)將出現(xiàn)逐漸降低的趨勢。G-S算法原理FFTF"=|F"|.exp[i修正：令|F"|=bFFT-1f"=|f"|.exp[i修正：令|f"|=aF=b.exp[i

]數(shù)據(jù)輸入比較：若|F"|2-|b|2<設定誤差值，則a(x,y).exp[i.

(x,y)]為衍射光學元件的復振幅透過率，跳出循環(huán)衍射光學元件面f=a.exp[i

]像平面G-S算法也稱迭代傅立葉變換算法，是1972年由英國物理學家Gerchberg和Saxton首次提出用于設計計算全息片。RW

Gerchberg

and

WO

Saxton,

“A

practical

algorithm

for

the

determination

ofthe

phase

from

image

and

diffraction

plane

pictures,”

Optik

35,

237–246

(1972).27整形舉例1：將一束高斯光整形為具有三個環(huán)的強度分布衍射光學元件像面(x2,y2)zy1y2x1x2P1(x1,y1)入射高斯光已知：衍射元件面的振幅為高斯分布:像面的振幅分布為三個平頂環(huán)：將上述振幅分布置入G-S算法中，循環(huán)多次即可得到衍射元件面的位相分布。28循環(huán)次數(shù)：m=1循環(huán)次數(shù)：m=20循環(huán)次數(shù)：m=229循環(huán)次數(shù)：m=3衍射元件的位相分布位相折疊后位相折疊之前30實驗結(jié)果：像面強度分布圖(激光波長632.8nm)31第一個環(huán)第二個環(huán)第三個環(huán)下面我們看一下另一種重要的整形元件達曼光柵。Dammann光柵是1971年由dammann提出并設計一種二元衍射器件。他和普通光柵的區(qū)別在于，普通光柵的衍射條紋成sinc函數(shù)分布，不同級數(shù)占有的能量各不相同，達曼光柵通過對光柵每一個周期內(nèi)位相分布的特殊設計，不僅使能量集中在少數(shù)幾個級次，而且各個級次分配的能量相等。所以達曼光柵可用來作為光束分束

器。這種分光作用使得其還可實現(xiàn)光互聯(lián)、多重成像、圖像處理等等。整形舉例2：Dammann光柵達曼光柵Dammann光柵原理：通過對光柵每一個周期內(nèi)位相分布的特殊設計，使其各個衍射級數(shù)內(nèi)分配的能量相等Dammann光柵用途：分束器、光互聯(lián)、多重成像、圖象處理等等I048-4-8普通光柵0I白：透光

黑：不透光白：位相0黑：位相π321級0級-1級單色相干光Fourier透鏡實例：達曼光柵光譜面33設計的Dammann光柵在一個周期內(nèi)的面面型型分分布布仿真計算的高斯光束經(jīng)過Dammann光柵后的遠場衍射分34布前面我們闡述的是用于光束整形的衍射光學元件的設計，這里我們談談用于成像的衍射透鏡的光學特性。假設衍射透鏡的面型是旋轉(zhuǎn)對稱的，其位相分布可以用多項式來描述；研究表明，式中第一項決定著透鏡的光焦度，衍射透鏡在第m衍射級的光焦度為……。從衍射透鏡和折射透鏡的焦距公式可以看出，波長對折射透鏡的焦距影響沒有衍射透鏡大。4、用于成像的衍射透鏡的特性假設衍射透鏡的面型是旋轉(zhuǎn)對稱的，其位相分布可描述為：式中第一項決定著透鏡的光焦度，衍射透鏡在第m衍射級的光焦度為：衍射透鏡和折射透鏡的焦距公式比較：Abbe數(shù)比較：一般在80~20對白光約-3.45熱差：35nu/nju:/5、折/衍混合系統(tǒng)中衍射透鏡消色差的功能折/衍混合系統(tǒng)消色差原理+

=藍紅紅藍白光消色差光焦度分配公式：(1)(2)傳統(tǒng)光學組合：正負透鏡搭配構(gòu)成雙膠合結(jié)構(gòu)缺點：要求Abbe數(shù)相差較大，造成透鏡光焦度大，單色像差校正困難折/衍混合光路：折射透鏡和衍射透鏡組合優(yōu)點：兩透鏡均為正光焦度；折射透鏡可分配大光焦度，衍射透鏡分配小光焦度，利于制造；相對于雙膠合結(jié)構(gòu)，利于減小單色像差。折射透鏡

衍射透鏡

折/衍混合透鏡36折/衍混合系統(tǒng)舉例1：望遠物鏡F"=100mm,口徑40mm，視場±2.5o(a)雙膠合結(jié)構(gòu)望遠物鏡37衍射元件面(b)折/衍混合望遠物鏡像差曲線38點陣圖折/衍混合系統(tǒng)舉例2：埃爾弗(Erfle)目鏡的改進39引進衍射透鏡的優(yōu)勢：混合目鏡均由正透鏡組成，降低了折射透鏡的表面曲率，使單色像差易于校正；衍射透鏡本身不引起場曲，又因無負透鏡介入而使折射面曲率變小，因此場曲必然下降；衍射透鏡還可用于校正大視場的畸變；可減少組成器件數(shù)目和所需材料的種類，減小組成器件的體積、重量，從而大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能，降低成本。眼睛眼睛部分像差曲線：左：原系統(tǒng)右：折衍混合系統(tǒng)40衍射透鏡除了用來成像外，還可以用于聚焦。下面我們談談用于聚焦的菲涅爾波帶透鏡的設計。菲涅耳波帶透鏡是基于菲涅其波帶片F(xiàn)ZP的近場衍射，將FZP的圖形制作成閃耀的相位結(jié)構(gòu)，以獲得高衍射效率。m:第m環(huán)帶；L:臺階數(shù)；N:環(huán)帶的周期數(shù)；6、菲涅爾波帶透鏡的設計菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)41菲涅爾波帶透鏡結(jié)構(gòu)實例：焦距f=80mm，口徑1mm，石英材料，8臺階，波長632.8nm。計算得到環(huán)帶數(shù)39，最小特征尺寸13.8um，衍射效率95%8臺階16臺階42雖然目前連續(xù)面型的非球面微透鏡陣列比菲涅爾透鏡陣列性能更加優(yōu)越，但菲涅爾透鏡更容易實現(xiàn)大批量的復制，更容易走向大眾化和實用化。菲涅爾透鏡陣列SEM照片43側(cè)面結(jié)構(gòu)CCD探測到的聚焦光斑微光學元件折射率調(diào)制型：GRIN透鏡→準直、聚焦、成像浮雕調(diào)制型折、反射型衍射型小結(jié)：普通折射型微透鏡光束整形光束整形44分束：Dammann光柵補償像差：折/衍混合系統(tǒng)聚焦成像：菲涅爾衍射透鏡凡是透鏡、自由空間用矩陣來描述；遇到衍射元件和光闌7、微光學、宏光學混合系統(tǒng)的分析M1M2M3x1x2x3x4zx1x2x3x4z微光學元件傳輸矩陣：自由空間：薄透鏡：其中：L是通過系統(tǒng)軸上光路的長度；k為自由空間的波數(shù)4549連續(xù)面型微光學元件的制作工藝方法1、特殊掩模技術(shù)灰度掩模、半色調(diào)掩模、移動掩模2、光刻膠熱熔法只能制作大NA的微透鏡、填充因子小、面型控制難3、激光束、電子束直寫成本高、周期長、浮雕深度淺、分辨率低4、金剛石車削適合于制造小數(shù)值孔徑、旋轉(zhuǎn)對稱的微光學元件半色調(diào)掩模灰度掩模50熱融法制作的微透鏡陣列51工藝設計包括各種工藝數(shù)據(jù)的生成。微光學元件制作流程元件設計工藝設計掩模制作光刻刻蝕檢測是否合格？否交付使用批量復制52是掩模板的數(shù)據(jù)非常大，主要是因為每一個光點很小，在1um左右，比如一個1cm×1cm的圖形，縱橫需要掃描1萬×1萬個點。如果是灰度掩模，需要掃描的更多。一、掩模(Mask)的制作金屬鉻層透光部分掩模板的側(cè)面結(jié)構(gòu)玻璃基底光刻膠金屬層掩模板實物電子束、激光束顯影去鉻去光刻膠53He-Cd氦鎘激光直寫系統(tǒng)工作原理示意圖系統(tǒng)照片54二、光刻曝光過程光刻機分類：□投影式光刻機系統(tǒng)分辨率高、價格昂貴□接觸(接近)式光刻機系統(tǒng)□易污染掩模、價格便宜涂膠基片預處理前烘曝光顯影清洗、吹干觀測圖形是否滿意是后烘堅膜否掩模板光刻膠基片曝光實驗的步驟如下：基片預處理即對基片的清洗和干燥，使其表面有良好的粘附性，以獲得最大的工藝穩(wěn)定性。硅片的清洗處理過程為：首先將硅片在丙酮溶液中浸泡數(shù)分鐘，使其上的光刻膠等有機物溶解，然后，將其置于甩膠機上，用丙酮棉球擦去未祛除的污跡，再用丙酮和酒精溶液清洗并甩干，最后，將其在烘箱里用200高溫烘干2小時。涂膠即在基片上均勻地涂一層抗蝕劑，這是光刻膠的成膜過程。涂膠時膠膜必須均勻，根據(jù)工藝的要求應達到一定的厚度，而且無灰塵、雜質(zhì)污染等。涂膠的方法有噴霧涂膠（Spray-Coating）、流動涂膠（Flow-Coating）、浸潤涂膠（Dip-Coating）、滾動涂膠（Roller-Coating）、旋轉(zhuǎn)涂膠（Spinner-Coating）等。相比較而言，旋轉(zhuǎn)涂膠方法可獲得均勻性和穩(wěn)定性較好的膠膜。我們采用的勻膠機為中科院微電子中心研制的KW-4型臺式勻膠機，抗蝕劑為S9912型。通過調(diào)整涂膠時勻膠機的轉(zhuǎn)速來控制膠厚。前烘由于涂膠后，膠膜對襯底的附著力較小，所以要在適當溫度下進行烘烤，以提高附著力，保證后續(xù)工序的加工質(zhì)量。處理過程為：把甩了膠的基片放烘箱中，基片的平面與空氣流平行，以使性能一致。在95恒溫下烘15--20分鐘后，自然冷卻到室溫。在曝光前至少應使每微米厚的抗蝕劑在室溫下冷卻10分鐘。前烘的溫度和時間影響曝光時間和顯影時間，較高的前烘溫度或較長的烘烤時間使曝光時間和顯影時間增長。曝光曝光是形成抗蝕劑圖形的最重要一環(huán)。將烘好的硅片放于承片臺上，首先調(diào)節(jié)好焦面，然后通過調(diào)節(jié)光源光強和曝光時間來控制曝光量，進行曝光。顯影顯影過程是溶解過程，受許多因素的影響，其中包括膠厚、曝光、前烘條件，顯影溫度、顯影劑濃度、顯影劑耗量、攪動、表面的高低分布和圖形的形狀，我們針對具體的工藝方法確定最佳條件。保持恒定溫度（20±1），浸在千分之五的NaOH溶液中顯影，顯影時間根據(jù)不同的掩模、不同的曝光量、不同的膠厚等參數(shù)具體確定，一般控制在50~60秒。漂洗、吹干顯影后立即在去離子水中漂洗，去除殘留在膠膜或基片表面的顯影液和某些顆粒雜質(zhì)，然后將硅片表面附著的水滴用風扇吹干，或放于甩膠機上甩干，以使硅片表面干燥。觀測光刻圖形將硅片上的光刻圖形放于顯微鏡下觀察，根據(jù)圖形質(zhì)量來判斷曝光量是否適量、硅片是否準確位于焦面位置，并判斷偏差方向，從而指導下一次實驗時的改善情況。反復重復步驟1)–7)，摸索工藝條件，直至獲得較為滿意的抗蝕劑圖形。后烘(堅膜)將顯影漂洗后的基片放入烘箱中，在120恒溫下烘40分鐘后，冷卻到室溫。后烘能改善圖形的穩(wěn)定性、粘附性和抗化學腐蝕性。55氣體在射頻電場的作用下發(fā)生電離，生成正負離子、自由電子和游離基氣體。游離基中的中性原子或分子處于激發(fā)態(tài)，具有較強的化學活性，可以與被刻蝕材料發(fā)生化學反應，生成揮發(fā)性氣體，同時，一部分離子的濺射作用可以幫助加速反應進

行。反應離子刻蝕過程可以理解為輝光放電產(chǎn)生的活性離子與基片表面產(chǎn)生化學反應形成揮發(fā)性產(chǎn)物，及高能離子轟擊基片表面使原子從晶格脫出兩個作用的綜合結(jié)果。待刻材料可用的氣體SiCF4

CF4+O2

SF6

SF6+O2

NF3SiO2

Si3N4Cl2

CCl4

CCl3F

CCl2F

CClF3Al

Al-SiCCl4

CCl4+Cl2

SiCl4

BCl3Al-CuBCl3

+Cl2三、刻蝕(圖形傳遞過程)分兩種：干法刻蝕和濕法刻蝕1、干法刻蝕刻蝕氣體光刻膠基片舉例：融石英(SiO2)的刻蝕：56反應離子刻蝕機原理刻蝕機實物照片572、濕法刻蝕濕法刻蝕容易發(fā)生鉆蝕，效果不如干法刻蝕。分各向同性刻蝕和各向異性刻蝕兩種。各項異性刻蝕：用于刻蝕特殊圖形，如V型槽光刻膠基片腐蝕液54.74°Si（111）

（111）硅材料的晶向可用于放置光纖陣列58增加法很難控制好橫向的侵蝕。其他圖形傳遞方法59增加法：化學氣相沉積(CVD,Chemical

Vapor

Deposition)電鍍、離子擴散增加法與減小法相比：橫向精度略低，縱向精度高傳統(tǒng)干涉儀難于測量部分微光學元件的陡峭的面型。四、微光學元件的檢測面型檢測：1、顯微鏡可觀察圖形的局部缺陷，有限的測量橫向尺寸2、臺階儀可精確測量一維輪廓3、三維輪廓儀全方位的觀測面型60對于微透鏡以及整形元件來說，主要看聚焦光斑的形狀及其分布、衍射效率性能檢測：評價指標：衍射效率、光斑形狀、分布激光器準直擴束微光學元件CCD相機數(shù)據(jù)處理與分析6162五、微光學元件的復制技術(shù)電鑄、熱壓、模壓、鑄造、紫外固化、溶膠－凝膠等復制材料：具有熱塑性或光敏性的聚合物，如聚碳酸酯(PC)、有機玻璃(PMMA)、聚氯乙稀(PVC)、光敏聚合物(NOA61)、環(huán)氧材料等等復制技術(shù)難點：1、模板與復制品的準確分離2、具有高縱橫比結(jié)構(gòu)的復制品的收縮問題3、復制材料的均勻性、復制效率金屬層為電鍍提供導電原版微浮雕電鑄原理電鍍1-50nm厚的金屬(如Au,Ag)電鍍鎳鎳鎳版分離可加一層分離膜63熱壓原理N2(500kPa)加壓裝置加熱器橡皮層鎳版聚碳酸脂平板玻璃橡皮層64模壓原理注入塑料鎳版65紫外固化模壓玻璃基板紫外光照射固化紫外固化材料玻璃基板66溶膠－凝膠(sol-gel)法溶膠－凝膠法原理步驟：1、將去離子水與SiO2母體(四乙基原硅酸鹽、四甲基原硅酸鹽)混合，生成“sol”；2、將sol澆鑄在復制板上，sol凝結(jié)后生成的SiO2固體稱作”gel”。優(yōu)點：1、透射光譜寬：從近紫外到紅外2、抗損傷閾值高3、化學性能穩(wěn)定6768內(nèi)容微光學概述微光學元件的設計原理微光學元件的加工工藝技術(shù)微光學的應用舉例由于多種原因，紅外焦平面探測器(如(：cD)的單元有效探測而積小于單元面積，即填充因子遠小于100％，因此整個視場中只有‘部分光會聚到探測器的有效面上并被接收。為了提高探側(cè)器的g1敏度，必須將“死區(qū)”輻射會聚到單元的有效探測面上．利用元非涅臣透鏡陣列(F[*A)與焦干而陣列鍋臺技術(shù)(固4—11(d))實現(xiàn)這—功能。應用之一：紅外焦平面的光聚能紅外探測器紅外探測器傳統(tǒng)探測方式：大量能量損失!69(2)微透鏡陣列收集光能(3)微透鏡陣列與探測器集成使用微透鏡陣列的使用，使180元HgCdTe紅外探測器的探測率提高到2.8倍a256×256PtSi紅外探測器集成芯片70菲涅爾微透鏡陣列圖集成微透鏡陣列部分無微透鏡陣列部分集成芯片成像結(jié)果（手指像）：無微透鏡陣列部分71集成微透鏡陣列部分集成芯片成像結(jié)果（燈絲像）：如圖5所示的對塑料打孔工藝，常常需要在塑料的給定區(qū)域一次性完成打數(shù)百個孔的任務，并卻要求每個孔大小都保持一致。顯然，未經(jīng)處理的激光束經(jīng)擴束后直接打到掩模上，其強度不均勻性將造成孔的大小不一致。應用之二：光束勻滑的作用掩模微光學元件整形1、準分子激光打孔722、微電子光刻機中掩模板的離軸均勻照明Focus

systemsLaser

homogenizerExcimer

output

field

distributions73(a)(b)(c)利用微光學元件實現(xiàn)的各種形狀和分布的光斑74應用之三：波前分割1、夏克－哈特曼傳感器用于分析波前特性、測量系統(tǒng)相差、檢測光束質(zhì)量He-N