崔 敏，張斌珍，張 勇

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引言

光柵作為一種非常重要的光學(xué)元件，被廣泛應(yīng)用于集成光路、光通信、光學(xué)互連、光信息處理、光學(xué)測量等領(lǐng)域中。與普通光柵相比，可調(diào)光柵可以通過改變周期來選擇不同波長的光或?qū)⒛骋徊ㄩL的光偏轉(zhuǎn)不同的角度，可廣泛應(yīng)用于微型光譜儀、掃描儀、光通信等領(lǐng)域中［1～3］。

Park Jung kyu和Chang Tien li等人利用飛秒激光刻寫技術(shù)在聚甲基硅氧烷(PDMS)上燒蝕出微米級光柵的圖形［4，5］。飛秒激光直寫法、雙光束干涉法可用來制作周期為幾百納米的光柵，但是制作出來的納米光柵平直性不好，光路復(fù)雜，工藝過程不好控制。Li Yigui和Yan Dong等人運用電子束光刻和聚焦離子束刻蝕的方法制造出納米光柵，基底分別為Si和SoI材料［6，7］。電子束光刻、X射線光刻都可以制作納米級光柵，但所使用的設(shè)備昂貴、復(fù)雜、難以控制，而且其工藝方法難以制作出周期可調(diào)的光柵結(jié)構(gòu)。由美國麻省理工學(xué)院研制的可調(diào)諧光柵式光開關(guān)，通過靜電梳齒驅(qū)動光柵改變其光柵常數(shù)可達到改變衍射光束方向的目的［1，2］。Shih Weichuan等人利用薄膜壓電驅(qū)動光柵，從而使得光柵常數(shù)改變［8］。運用靜電力式和壓電式來驅(qū)動可調(diào)光柵，所需要的模擬電壓非常大，對設(shè)備的要求很高?？烧{(diào)光柵的制作需要用到刻蝕工藝、電子束光刻工藝等復(fù)雜的工藝，制作周期較長，成本高。

本文提出了一種成本低、周期短、工序簡單、易于控制的制備可調(diào)光柵的方法，克服了傳統(tǒng)制作方法所用設(shè)備昂貴、工藝條件苛刻復(fù)雜、難以控制、制作成本高、周期長的問題，應(yīng)用前景廣泛。

1 可調(diào)光柵的制作原理

本文介紹的可調(diào)光柵的制作方法，首先在基底上勻膠，通過紫外光刻的方法，制作出周期為8μm的光柵結(jié)構(gòu)，然后配制PDMS，將光柵復(fù)制在PDMS薄膜上，并將PDMS固化，形成內(nèi)嵌式PDMS光柵。利用PDMS薄膜優(yōu)異的彈性，將此薄膜沿著光柵柵線的方向拉伸，隨著柵線的伸長，光柵的溝槽和凸脊逐漸變窄，光柵常數(shù)也隨之變小。因此，可通過控制PDMS薄膜的拉伸長度來調(diào)節(jié)該光柵的周期，即光柵常數(shù)。

2 工藝流程

2.1 光柵模板的制備

用紫外線光刻技術(shù)制作光柵模版，如圖1(a)所示。1)備片:按順序分別用丙酮、酒精、去離子水清洗載玻片;2)甩膠:在載玻片上旋涂一層正性光刻膠EPG533，轉(zhuǎn)速為3 500 rpm，勻膠時間30 s;3)曝光:使用深紫外線光刻機，用接觸式曝光的方法進行曝光操作，曝光劑量約為75mJ/cm2;4)顯影:將曝光后的載玻片放在顯影液中顯影，顯影時間15 s，顯影液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaOH;5)后烘:將制作好的光柵放置于100℃的烘盤上烘20 min，取下備用。如圖1(b)是制作出來的微米量級的光柵;圖1(c)所示為制作PDMS薄膜的示意圖;圖1(d)為制作出來的PDMS薄膜。本實驗所制作的光柵周期為8μm，占空比為1∶1(線寬:槽寬)，如圖2所示。

圖1 可調(diào)光柵工藝流程圖Fig 1 Processing flow chart of tunable grating

圖2 周期為8μm占空比為1∶1的光柵結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Grating structure diagram with period of 8μm and duty ratio of 1∶1

2.2 PDMS薄膜的制備

1)為了得到更加柔韌的PDMS薄膜，將預(yù)聚物和固化劑按照20∶1的體積比混合(產(chǎn)品說明書上所建議的常規(guī)配比原為10∶1)，然后將混合好的PDMS液體放在真空干燥箱中，保持抽真空狀態(tài)直至液體中無氣泡為止，該過程需要約5～15 min;2)將PDMS液體緩慢地傾倒在光柵模版的表面，待無氣泡后，在100℃的烘盤上加熱固化1 h，取下并冷卻后，將PDMS薄膜從光柵模版上剝離下來備用。此時的PDMS薄膜上內(nèi)嵌有光柵圖形，薄膜厚度約為1 mm。如圖3為激光共聚焦顯微鏡拍攝的PDMS薄膜上的光柵圖形。

圖3 PDMS薄膜上的光柵圖形Fig 3 Grating figure on PDMS film

2.3 可調(diào)光柵的調(diào)諧過程

如圖4所示，將PDMS薄膜切成規(guī)則的長方形小塊，以光柵的柵線方向為長邊，然后將其夾持在手動平移臺上。本實驗所用到的拉伸裝置是由實驗人員自主設(shè)計并制作的，其中用到的手動平移臺由北京聯(lián)英精機科技有限公司生產(chǎn)。轉(zhuǎn)動手動平移臺的手輪，平移臺沿著光柵柵線的方向移動，此時就是可調(diào)光柵的周期連續(xù)可調(diào)諧的過程。隨著PDMS薄膜長度方向的伸長，寬度方向發(fā)生一定的收縮，光柵常數(shù)也隨之變小。

圖4 可調(diào)光柵的調(diào)諧過程Fig 4 Adjusting process of tunable grating

在保證PDMS薄膜不被拉斷的情況下，光柵周期最小可變?yōu)樵瓉淼?0%，且是可逆形變。如圖5為拉伸PDMS薄膜一定的長度后，將光柵常數(shù)變小的光柵轉(zhuǎn)移到NOA73上的光柵圖形。NOA73是一種光學(xué)性能很好的紫外光敏材料，固化前呈液態(tài)，經(jīng)過紫外線照射后，很快固化，可以完整地將光柵圖案復(fù)制出來。

圖5 NOA73材質(zhì)的光柵，周期為5μmFig 5 Grating with NOA73 material with period of 5μm

3 測試與分析

3.1 光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長量的關(guān)系

PDMS是一種彈性材料，彈性模量為360～870 kPa，泊松比為0.5。PDMS薄膜的原始尺寸為2.4 cm×1.6 cm，厚為1 mm。

如圖6為拉伸PDMS薄膜時，光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長量的關(guān)系。平移臺的位移與薄膜原長的差就是PDMS薄膜的伸長量。光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長量的關(guān)系近似為線性:0～10 mm之間，光柵常數(shù)基本不發(fā)生變化;10 mm以后，光柵常數(shù)開始發(fā)生顯著的變化，且與PDMS薄膜的伸長量呈線性的關(guān)系;20 mm以后，光柵常數(shù)保持最小量不再變化;當(dāng)拉伸到23 mm以后，PDMS薄膜有斷裂的跡象。

圖6 光柵常數(shù)與PDMS薄膜伸長量的關(guān)系圖Fig 6 Relation graph of grating constant and PDMS film elongation volume

3.2 光柵衍射圖樣的觀察

光柵的初始周期為8μm，柵線寬度為4μm，經(jīng)過拉伸周期變?yōu)?μm，有明顯的衍射現(xiàn)象，圖7所示為它的衍射圖樣。

4 結(jié)論

本文提供了一種制作可調(diào)光柵的方法。首先利用紫外光刻的方法制造出光柵，再利用PDMS優(yōu)異的彈性，運用拉伸的方法實現(xiàn)光柵常數(shù)的可調(diào)諧，采用此種方法制作的可調(diào)光柵成本低、操作簡單、制作周期短，可廣泛應(yīng)用于微型光譜儀、掃描儀、光通訊等領(lǐng)域中。

圖7 光柵常數(shù)為5μm的光柵衍射圖樣Fig 7 Diffraction image of grating constant 5μm

［1］Wong C W，Jeon Y B.MEMS tunable grating with analog actuation［J］.Informat Sci，2003，149(1－3):31.

［2］顧艷妮，宣艷.基于PDMS金屬可調(diào)諧光柵的制備工藝研究［J］.材料導(dǎo)報B，2011(11):27－29.

［3］李太平，李曉瑩.一種MEMS周期可調(diào)光柵衍射特性的實驗研究［J］.光子學(xué)報，2010，39(4)，618－621.

［4］Park Jungkyu，Cho Sunghak.Flexible gratings fabricated in polymeric plate using femtosecond laser irradiation［J］.Optics and Lasers in Engineering，2011，49(5):589－593.

［5］Chang Tienli，Luo Shaowei，Yang Hanping，et al.Fabrication of diffraction grating in polydimethylsiloxane using femtosecondpulsed laser micro－machining［J］.Microelectronic Engineering，2010，87(5－8):1344－1347.

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［8］Shih Weichuan，Wong Cheewei，Jeon Yongbae，et al.MEMS tunable gratings with analog actuation［J］.Information Sciences，2003，149(1－3);31－40.