摘要：衍射光学元件广泛运用于红外成像系统、光谱浅析以及其他现代光学系统。随着激光技术的进展，激光器中的重要元件——大口径衍射光学元件的制作成了重要的究课题。现在大口径衍射光学元件的制作主要采取全息和离子束刻蚀相结合的策略。表征大口径衍射光学元件性能的主要因素包括均匀性、衍射效率以及激光损伤阈值。如何通过离子束刻蚀技术提升大口径衍射光学元件的性能，得到均匀性更好、衍射效率更高以及高激光损伤阈值的光栅是制作工艺中的重点探讨内容。本论文的探讨内容定位于离子束刻蚀技术，重点关注的是刻蚀的均匀性以及多层介质膜脉冲压缩光栅（PCG）的离子束刻蚀情况。近来，随着高功率激光器的不断进展，衍射光学元件的口径不断增大，对离子束刻蚀提出了更高的要求。目前，国内大口径元件的制作已经取得了重要进展，基于大口径光学元件的大型激光器也已建成出光。大口径衍射光学元件的离子束刻蚀课题受到了国家863课题重大项目的资助，作者在导师组的指导下以事了课题的探讨工作。作者的主要工作有以下几个方面：1.提升离子束刻蚀均匀性对于大尺寸衍射光学元件而言，尺寸的增加给全面积均匀性带来了更大的挑战。整个工艺流程中都对均匀性有着很高的要求。我们利用的离子源束流密度均匀性在需要的工作尺度范围内达不到要求，而样品所处的工作台又只在短轴方向（即横向）扫描，所以，离子束流密度沿着长轴方向（即纵向）的均匀性修正显得及其重要。离子束流的均匀性主要和气体流量分布、离子源参数设置以及束阑形状有联系。本论文的工作重点在于调整束阑形状转变束流均匀性。首先是制作整体束阑，其次是制作分离式石墨条束阑，最后通过样品的纵向平移来提升离子束刻蚀的均匀性。具体修正内容包括纵向束流密度分布的测量与定位、横向束流密度分布曲线的测量以及积分、纵向束流密度分布的修正。2.多层介质膜脉冲压缩光栅的离子束刻蚀多层介质膜脉冲压缩光栅的离子束刻蚀包括两个部分：初始光刻胶掩模的定性判断与修正；离子束刻蚀中的图形转移情况。首先，由于全息得到的光刻胶掩模的部分区域可能有残余底膜有着，残余底膜不仅影响图形转移精度而且影响刻蚀均匀性，故而需要判断掩模情况，并对可以修正的掩模进行等离子体灰化修正掩模形状。本论文中的等离子体灰化实验是在我室自行研制的大尺寸衍射光栅灰化装置上进行的。初始光刻胶掩模到底情况，主要通过光学显微镜和原子力显微镜的观察结果进行判断。实验中对于小尺寸的实验片还采取了扫描电镜(肖特基场发射扫描电子显微镜)看其断面轮廓的策略，来了解掩模具体情况。通过大量的统计结果，得到定性的判断，即要求掩模高度300nm，占空比0.3，全面积衍射效率80%且均匀。本论文中，基于现有的测量仪器，设计了一个新的光路来更精确的测量脉冲压缩光栅的衍射效率。该光路消除了激光器中808 nm光源的影响，并削弱了光源中TM偏振的影响，减少了探测器疲劳以及光源波动带来的衍射效率测量误差。其次，为了得到更好的刻蚀选择比，以降低光刻胶掩模加工难度，选用对光刻胶具有保护作用的CHF3作为工作气体。我们通过对小样品刻蚀前后的扫描电镜照片进行统计，得到了离子束刻蚀中的图形转移情况的定性结论。关键词：束流密度均匀性论文脉冲压缩光栅论文衍射效率论文刻蚀图形转移论文等离子体灰化论文
摘要5-7
ABSTRACT7-12
第1章 绪论12-20
1.1 引言12-13
1.2 大口径衍射光学元件的国内外探讨近况13-16
1.2.1 衍射光学元件制作的工艺流程13-14
1.2.2 衍射光学元件的进展及运用14-15
1.2.3 大口径衍射光学元件的运用与国内外探讨近况15-16
1.3 离子束刻蚀技术的国内外探讨近况16-18
1.3.1 离子束刻蚀装置的进展及运用16-17
1.3.2 离子束技术工艺性能的提升17-18
1.4 选题作用和博士论文构成18-20
第二章 大尺寸衍射光学元件离子束刻蚀技术的介绍20-40
2.1 引言20
2.2 实验装置20-29
2.2.1 KZ-400 离子源21-24
2.2.2 KZ-400 束流密度的空间分布24-26
2.2.3 KZ-400 工作气体对束流密度的影响26-29
2.3 离子束刻蚀工艺基础29-34
2.3.1 离子束刻蚀的关键参数30-31
2.3.2 离子束刻蚀中遇到的不足及其解决策略31-34
2.4 大口径脉冲压缩光栅衍射效率的测量34-39
2.4.1 大口径脉冲压缩光栅衍射效率测量光路设计34-36
2.4.2 大口径脉冲压缩光栅衍射效率测量程序介绍36-39
2.5 本章小节39-40
第三章 大口径衍射光学元件刻蚀均匀性的提升40-58
3.1 引言40
3.2 提升纵向束流密度分布均匀性40-55
3.2.1 束阑形状对束流密度分布的影响41-43
3.2.2 修正束阑形状提升纵向束流密度分布均匀性43-49
3.2.3 纵向束流密度均匀性的进一步提升49-52
3.2.4 组合石墨条束阑修正束流密度分布52-55
3.3 移动样品刻蚀位置提升刻蚀均匀性55-57
3.3.1 移动样品提升刻蚀深度均匀性原理浅析55
3.3.2 离子束刻蚀均匀性的提升55-57
3.4 本章小节57-58
第四章 多层介质膜光栅的离子束刻蚀58-83
4.1 引言58-59
4.2 多层介质膜光栅的离子束刻蚀59-74
4.2.1 多层介质膜光栅图形转移情况的论述探讨59-62
4.2.2 多层介质膜光栅图形转移情况的实验探讨62-72
4.2.3 其他基底样品离子束刻蚀历程中图形转移情况72-74
4.3 光栅光刻胶掩模的判断与修正74-79
4.3.1 光刻胶掩模到底情况的定性判断与修正74-76
4.3.2 光刻胶掩模高度的测量和占空比的定性判断76-77
4.3.3 光刻胶掩模均匀性判断和修正77-79
4.4 离子束刻蚀提升光栅衍射效率均匀性79-81
4.5 本章小节81-83
第五章 论文的工作总结与展望83-85
5.1 论文的革新性工作83-84
5.2 工作的展望84-85
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