摘要本文根据正性光致杭性的感光显影特性，推导出了全息光栅沟槽深度公式，分析了影响光栅糟型结构的因素，建立了光栅沟糟模型。并根据论理论制作出了衍射效率高达65%的2400线/毫米的全息平面反射光栅。本文还介绍了全息光栅复制技米，解决了高质量光栅昂贵的生产成本和大批量生产问题。
1引言
光栅因其独特的优点而被广泛应用在现代光学光谱仪器和集成光学领域。作为众多光学测量仪器的心脏，光栅的特性直接影响着仪器的性能。高质量的光栅需具备刻槽位置精确、衍射效率高、波面质量优良、应用光谱范围宽和杂散光小等特点，其中衍射效率是光栅最重要的质量指标，它直接影响着所制造出的仪器的灵敏度和使用光谱范围。光栅的制作主要有机器刻划法和激光光刻法。机刻法提高光栅衍射效率的方法是采用锯齿槽形的闪耀光栅，但机刻光栅的成本极昂贵且所制光栅的生产效率一般比较低。目前，在许多领域得到广泛应用的全息光栅，主要是采用激光干涉光刻制栅。全息光栅的衍射效率也与其沟槽的形状和深度有关，通常运用傅里叶合成法、驻波法、离子蚀刻法等技术来获得兴耀全息光栅，但由于各方面的原因，对高刻线密度(>1800线/毫米)的光栅，这些技术的推广应用有一定的困难。
激光光刻制栅系统主要由光源、干涉仪系统和感光材料三个部分组成。全息光栅的衍射效率除了与制栅光路的一些参数有关外，感光记录材料本身的固有特性对其也有着重要影响。正性光致抗蚀剂作为一种重要的全息记录材料，以其独特的影象浮雕结构而被广泛地应用于全息光学元件的制作、各种全息图的记录和平版印刷术中。当前工业上制作商品化高质量全息光栅主要采用正性光致抗蚀剂作记录材料。在提高光栅衍射效率方面，常用的方法是控制刻槽槽深，使其与槽距获得最佳匹配而得到最优的衍射效率。显然，槽深的控制与正性光致抗蚀剂有着密切关系。
2正性光致抗蚀剂全息光栅的槽深模型
正性光致抗蚀剂(例如重氮茶醒类的Az1350)、BP212等)，主要有下列组成部分:基体树脂R，它决定着抗蚀剂的结构性质:溶剂S，经预处理后大部分挥发;光活化合物M;曝光产物P(梭酸)，它由M与紫外光反应生成。表达式为:
(l)式即抗蚀剂的感光机理，感光后的光致抗蚀剂材料的特性变化由曝光量E引起的薄层厚度△d的变化来描述，即
△d=f(E)(2)
△d与E的关系通过显影过程体现出来:显影剂对已曝
光(吸收光)和未曝光(未吸收光)的区域以不同的速率侵蚀。对正性光致抗蚀剂，曝光区变为可溶，在显影过程中溶解速度很快，参考文献[1]中给出了△d与E的关系方程:
1 时展示(3)式得
△d岛△rTCE+rZT(4)
此时△d由一常数项和曝光量项△rTCE确定，形成线性化过程。
全息光栅的衍射效率主要是由槽形结构决定的。因为光栅刻线密度(即槽间距)是由光路设计决定的，所以曝光与显影过程主要是控制其槽深，来得到优化的衍射效率。对于全息光栅，根据光致抗蚀剂蚀刻特性和干涉条纹的特点，以某一干涉条纹暗纹中心处(此处光强最小，曝光量最小，蚀刻速度最低)为原点(0)，则该条纹的一个周期内x点处与该0点的蚀刻厚度差(深度)为:
这说明要保证槽深，解决光路中相干条纹的对比度是首要问题。从理论上来讲，相干条纹的对比度主要与激光器的输出模式(即相干光的单色性)、两束相干光的光强比和相干光束的光程差有关。所以在光路设计中，必须严格要求激光器输出单模和两束叠加光的光强一致。
②曝光区与未曝光区的蚀刻速率差△r蚀刻速率差△r是由所用显影液对所用正性光致抗蚀剂的显影溶解特性所决定。不同种类的显影液对同一种抗蚀剂的△r不同，不同配比的同一种显影液对同一种抗蚀剂的△r也不同。另外，同一种抗蚀齐」内部硬化程度与预处理过程(包括预烘温度、预烘时间等)也有着重要关系。因此，合理地选择光致抗蚀剂及其预处理条件和相应的显影液及浓度，对光栅衍射效率的影响也是很重要的。
③曝光量E曝光量E对h的影响如下:
此时槽深随曝光量呈线性变化，沟槽形状同干涉条纹场的能量分布一致，呈正弦形。
3.随着曝光量E的进一步增大，h增大;E增大到一定程度，对应干涉条纹的中心亮区EM附近的槽深变化开始出现非线性，此时
④显影时间T。
另外必须注意的一个事实是，对于空间频率(刻线密度)高的衍射光栅来说，其衍射效率随光致坑蚀剂的空间频率响应而受到很大限制，图l给出了文献t‘〕中用，hiPLCyAz一1350光致抗蚀剂(用AZ一303显影液)的实验结果。该图表明要制作高衍射效率的2400线/毫米的全息光栅就不容易了。因此，对光栅加工工艺的选择更须严谨。
3实验结果
使用171型氢离子激光器的488nm辐射波长作相干光源，加标准具并调整输出功率使激光器输出严格单模。调整光路使两束干光对比度最好，采用文献[z1中所述的分波前干涉光路和莫尔条纹控制技术，用Az一1350)和BP一212正性光致抗蚀剂作记录材料。经过严格预处理后，在玻璃基底片上涂上一定厚度的波前条纹小于习4的光致抗蚀剂胶，经选择合适的预烘温度和预烘时间，进行一定曝光量曝光后，在Az303稀释溶液中显影，控制显影时间使衍射效率最强。然后，经后烘坚膜、镀铝膜制成反射式光栅，所做光栅的刻线密度为2400线/毫米、1800线/毫米，最后测得其衍射效率。
表1给出了所做光栅在测量波长分别为253.7nm、313.Znm、365.onm、435.8nm和546.Inm处的士l级衍射效率值。最高衍射效率值在365.onm处达65%。此外需说明的是，应用了该槽形理论后，制栅的成功率也提高了许多倍。
4全息光栅的复制
全息光栅的生产有它不可避免的缺点，那就是生产成本高、生产效率差、各块光栅之间重复性差，这就为仪器大
批量生产和光栅刻划面积的选择带来了局限性。因此，必须依靠光栅的复制来解决这些间题。光栅的复制如下:把母光栅放在真空镀膜机内，先蒸发一层薄而均匀的硅油膜作为分离层再镀反射膜(铝膜、金膜或银膜等)。然后，把蒸镀后的母光栅放在烘箱内的平台上，倒上环氧树脂，并压上复制光栅白坯，经过仔细调平和排除气泡后，把洪箱升温至6()℃。待环氧树脂固化后，从烘箱中取出，分离复制光栅。采用上述复制方法后，一块母光栅可以复制出多块子光栅，优良的子光栅还可以作为下一代的母光栅，这样就大大地降低了成本，便于进行光栅的大批量生产。
对全息光栅的复制来说，关键是解决第一代母板的复制，由于原刻全息光栅是在玻璃基底上涂有抗蚀剂层后镀铝膜形成，抗蚀剂层对基底的粘结力很差，复制的成功率很低，且槽型转移的也不好(表现为衍射效率损失很大)。通过控制抛胶厚度，选择合理的预烘、后烘镀铝、镀油等工艺，可以较好地解决上述问题，表2给出了所复制出光栅的质量数据和原刻母光栅的质觉情况，从表中可知，全息光栅复制工艺能够达到相当高的水平。
5结束语
高衍射效率的高密度全息光栅的制作成功，说明了依据槽型形成理论选择合理加工工艺的重要性。该理论对模压全息技术等的发展也会具有一定的影响，因为每一幅全息图所包含的信息，都是通过许多不同刻线密度(空间频率)和形状的光栅条纹来再现的。高质量全息光栅的制作和成功复制，为我国全息光栅的大批量生产奠定了基础，为光学光谱分析仪器、光学测试技术的发展和应用开拓了更宽阔的前景。本工作的顺利进行得到了北京光学仪器厂吴振华教授级高级工程师和北京_1二业大学应用物理系徐敏教授的支持和帮助，作者对此表示感谢。
6参考文献
1)光致抗触剂位相浮雕全息图的特性藏甲鹏译自APPIJEI)opticsVoll3，Nol(1974)
2)IFFRA可’I()N(;RAI、INGSM.C.HUTI_EY.
本文作者：减甲鹏王朝阳
