高衍射效率曲面光栅摆动刻蚀技术研究

CIOMP OpenIR

	高衍射效率曲面光栅摆动刻蚀技术研究
	沈晨
学位类型	博士
导师	齐向东 ; 谭鑫
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	曲面光栅离子束刻蚀机三维工作台凸面光栅摆动刻蚀硅改性RB-SiC
摘要	高光谱成像光谱仪是一种将空间成像技术与光谱分析技术相结合以同时获取目标空间图像信息与光谱信息的新型光谱仪器。随着上个世纪八十年代以来空间光学遥感技术的不断进步,高光谱成像光谱仪已经在地质勘探、环境监测、生化分析、临床医疗和空间遥感等领域起着非常重要的作用。Offner成像光谱仪是使用最为广泛的成像光谱仪之一,具有大视场角、结构紧凑、高光谱分辨率和无谱线弯曲等优势。这就要求作为核心分光元件的凸面光栅具有大相对孔径、高衍射效率、高刻线密度精度、低杂散光的特性,以满足星载成像光谱仪对便携性、高分辨率的要求。作为最常见的光栅制作方法,全息-离子束刻蚀法制作平面光栅的技术已经很成熟,但是在制作成像光谱仪所需的小闪耀角、高衍射效率凸面光栅的问题上仍然存在制作工艺上的困难。凸面基底的曲率会导致闪耀角不一致和部分区域无法被刻蚀。此外,拥有优良的化学性质和机械性能的反应烧结碳化硅十分适合作为空间光谱仪器用光栅的基底材料,但是其材料特性对光栅表面质量和衍射性能的影响缺乏研究。鉴于此,本论文对曲面光栅离子束刻蚀机的离子源和工作台系统、凸面闪耀光栅的摆动刻蚀制作工艺及硅改性碳化硅光栅的特性展开了一系列较为深入的研究。第一,介绍了曲面闪耀光栅离子束刻蚀机的系统组成和工作原理,研究了离子束均匀性和工作参数之间的关系,提出了改善离子束均匀性的方法。第二,根据曲面刻蚀机的实际使用要求,对三维工作台的运动轨迹进行了理论计算。提出了一种适用于三维工作台运动控制的圆弧拟合算法,实现了工作台所需的曲线拟合运动。开展了多组工作参数下三维工作台运动轨迹的测量实验,并将理想轨迹与实测轨迹进行了对比。实验结果验证了该算法用于三维工作台运动控制的可行性,满足了刻蚀机对工作台的稳定性、精度、抗干扰能力的要求。第三,提出了摆动离子束刻蚀凸面闪耀光栅的方法。研究了凸面光栅衍射效率与基底曲率、光栅口径之间的定量数学关系,并对不同参数下凸面光栅的衍射效率进行了模拟计算,证明了传统平动离子束刻蚀法的局限性及摆动刻蚀法的必要性。建立了几何模型来模拟摆动刻蚀工艺中光栅槽形的演化过程,分析了摆动速度、束缝宽度等工艺参数对槽形演化的影响,并计算了优化的刻蚀工艺参数。最后,使用摆动刻蚀法制备了尺寸为Φ67mm、曲率半径为156.88mm、刻线密度为45.5gr/mm、闪耀角为2.2°的适用于短波红外成像光谱仪的凸面闪耀光栅,其在900nm-2500nm波长范围内的峰值衍射效率达到90%,证实了全息-摆动离子束刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅的可行性。第四,研究了硅改性层的去除深度对碳化硅光栅和碳化硅反射镜的影响。6μm~14μm的去除深度是硅改性RB-SiC用作反射镜基底的优化结果,9μm~12μm的去除深度是硅改性RB-SiC作为光栅基底的优化结果。在硅改性RB-SiC基底上制作了的衍射效率和杂散光分别为90.5%~94%和5.30×10~(-7)~5.45×10~(-7)的大气CO_2探测仪用光栅。此外,光栅表面高反射点的数量和占据面积可以作为判断碳化硅光栅基底硅改性层去除深度的依据。这些实验结果和发现的规律对硅改性RB-SiC应用于微结构基底具有一定的指导意义。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61592
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	沈晨. 高衍射效率曲面光栅摆动刻蚀技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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高衍射效率曲面光栅摆动刻蚀技术研究.ca（7770KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文