一种多层膜自由几何超表面元件及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多层膜自由几何超表面元件及制备方法，该元件包括SiO2衬底、高反膜、间隔层和顶部超表面；其中，所述高反膜为HfO2/SiO2多层膜，所述间隔层为HfO2薄膜，所述顶部超表面为周期性HfO2微结构；所述元件的几何形状为依据伴随拓扑优化过程而决定；所述制备过程包括：首先通过伴随拓扑优化算法优化获得多层膜自由几何超表面设计，再利用电子束蒸发离子束辅助、电子束曝光、原子层沉积、反应离子刻蚀技术实际制作。与现有技术相比，本发明专利技术具有更强的电磁调控能力和非偏振宽带高效率的优点，仅需1套系统即可实现非偏振激光合成，极大简化了光谱合成装置的体积、重量和复杂程度。重量和复杂程度。重量和复杂程度。

【技术实现步骤摘要】
一种多层膜自由几何超表面元件及制备方法


[0001]本专利技术涉及微纳光学器件领域，尤其是涉及一种多层膜自由几何超表面元件及制备方法。

技术介绍

[0002]强激光系统和装备是前沿科技和新兴产业的制高点之一，在实际中具有广泛应用和迫切需求，例如激光武器、激光聚变、激光制造等。激光器是激光系统的光源，也是最核心的部件之一。当前典型的激光器主要有量子阱激光器、固体激光器、液体激光器、CO2气体激光器、以及光纤激光器等。相比前几类激光器，光纤激光器在体积重量、使用寿命、光束质量、以及稳定性和灵活性方面都具有极佳的优越性，近十年来在众多领域都取得了重要应用。但是，单一光纤激光器的输出功率有限(～3kW)，严重制约了其在强激光系统中的应用和发展。激光合束是突破光纤激光器输出功率瓶颈的核心技术，它是通过将多路激光束合为一束提升激光能量。在现有激光合束技术中，基于衍射元件的光谱合成技术的合成能力最强，目前数千瓦以上功率的激光合束报道均采用该技术路线。
[0003]衍射元件的性能直接决定了光谱合成系统的体积、重量和输出功率等。介质多层膜光栅是当前应用最广泛的光谱合成元件，其具有宽带效率高、合成能力强、损伤阈值高等诸多优点。但由于光栅的电磁调控能力不足，因此多层膜光栅只能在单一偏振态下才具有宽带高效率，非偏振态下的衍射效率迅速下降。由于非偏振宽带效率不足，导致目前光谱合成装置需要2套系统才能完成非偏振激光合成(每个系统分别对应一个偏振态)，体积重量大、系统复杂、集成度低、可靠性差。近年来虽然有研究提出采用多层膜双层光栅，可以提高光栅的非偏振宽带衍射效率，但是提高能力仍然有限，而且双层光栅的实际加工更难，同时会引入新的光栅界面，导致元件的损伤阈值下降。至今尚没有一种性能优异、结构简单、制备可行的衍射元件能满足激光光谱合成所需的非偏振宽带高效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种多层膜自由几何超表面元件及制备方法，具有更强的电磁调控能力和非偏振宽带高效率的优点，仅需1套系统即可实现非偏振激光合成，极大简化了光谱合成装置的体积、重量和复杂程度。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]根据本专利技术的第一方面，提供了一种多层膜自由几何超表面元件，该元件包括 SiO2衬底、高反膜、间隔层和顶部超表面；其中，所述高反膜为HfO2/SiO2多层膜，所述间隔层为HfO2薄膜，所述顶部超表面为周期性HfO2微结构；所述元件的几何形状为依据伴随拓扑优化过程而决定。
[0007]根据本专利技术的第二方面，提供了一种多层膜自由几何超表面元件的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0008]步骤S1、采用伴随拓扑优化算法，在非偏振态和利特罗角度入射下，以目标波段内
的衍射效率最高为优化目标，超表面的横截面形状、高度以及间隔层厚度为优化变量，优化设计1030nm
‑
1090nm波段范围内
‑
1级衍射效率均高于99％的多层膜自由几何超表面元件；
[0009]步骤S2、实际加工步骤S1设计的多层膜自由几何超表面，采用电子束蒸发离子束辅助技术制备预定厚度的HfO2/SiO2多层膜；所述HfO2/SiO2多层膜厚度采用光学监控法进行控制；
[0010]步骤S3、在步骤S2所得的HfO2/SiO2多层膜表面旋涂光刻胶，所述光刻胶的厚度大于等于步骤S1优化都到超表面的设计高度；
[0011]步骤S4、通过热蒸发的方式在步骤S3所得光刻胶表面蒸镀铬膜Cr；
[0012]步骤S5、采用电子束曝光技术对步骤S4所得多层膜表面的光刻胶进行曝光，曝光区域与超表面设计形状相同，将曝光后的样品依次放入铬刻蚀液、显影液以及定影液中，去除铬膜以及曝光区域的光刻胶，得到与超表面设计形状互补的反结构光刻胶图形；
[0013]步骤S6、采用原子层沉积技术在步骤S5所得多层膜样品表面沉积HfO2，从而在显影后光刻胶被曝光区域的空气结构中填充入HfO2，同时在光刻胶上方形成一层HfO2过沉积层；
[0014]步骤S7、采用电感耦合反应离子刻蚀技术将步骤S6所得多层膜样品光刻胶上方的HfO2过沉积层去除；
[0015]步骤S8、通过等离子体去胶机，利用氧离子将步骤S7所得多层膜样品表面剩余的光刻胶去除，即完成多层膜自由几何超表面元件的加工。
[0016]优选地，所述步骤S1中伴随拓扑优化算法的参数设置为：
[0017]剖分网格大小为5nm*5nm，迭代次数为350，并在其中嵌入了模拟退火算法，同时对超表面高度和间隔层厚度优化，模拟退火优化每隔10代执行1次。
[0018]优选地，所述步骤S1中的利特罗入射角度为36
°
，所述高反膜为中心波长705 nm的(2HL)^20膜系，所述顶部超表面为二维周期性微结构，x和y方向的周期大小分别为905nm和400nm。
[0019]优选地，所述步骤S4中的铬层的厚度为10nm。
[0020]优选地，所述步骤S2中采用电子束蒸发离子束制备预定厚度的HfO2/SiO2多层膜，其辅助沉积技术的工艺参数为：
[0021]离子源氧气流量为50～80sccm，氩气流量为5～10sccm，电压200～250V，电流500mA，HfO2沉积速率为SiO2沉积速率为衬底加热温度为200℃。
[0022]优选地，所述步骤S3中的光刻胶为PMMA；所述光刻胶旋涂工艺参数设置为：匀胶机旋涂的转速为2000～2500r/min，厚度为750nm～780nm，烘烤使用热板，温度为178～182℃，时间8～12min，使其固化；
[0023]所述步骤S4中蒸发镀膜工艺参数设置为：衬底加热温度为50℃，蒸发速率为
[0024]优选地，所述电子束直写光刻的工艺参数设置为：
[0025]电子加速电压为100kV，束斑电流为9.8
‑
10.2nA，束斑尺寸为15
‑
25nm，曝光剂量为950
‑
1250μC/cm2，铬刻蚀液为硝酸铈铵，浸泡时间为15s；显影液为甲基异丁酮MIBK与异丙醇IPA的混合溶液，混合比例为1：3，显影温度为22.8
‑
23.2℃，显影时间为1
‑
1.5min；显影后在IPA溶液中漂洗0.5
‑
1min，用氮气枪吹干。
[0026]优选地，所述步骤S6中原子层沉积的工艺参数设置为：
[0027]沉积温度为105℃，反应源为水和四(二甲胺基)铪，每反应循环包括0.1s 水和10s氮气吹扫，以及0.4s四(二甲胺基)铪和10s氮气吹扫，HfO2沉积速率为/循环。
[0028]优选地，所述步骤S7中电感耦合
‑
反应离子刻蚀的工艺参数设置为：
[0029]刻蚀气体及流量为三氟甲烷CHF3：20sccm和氩气Ar：80sccm，压强为15mTorr，射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层膜自由几何超表面元件，其特征在于，该元件包括SiO2衬底、高反膜、间隔层和顶部超表面；其中，所述高反膜为HfO2/SiO2多层膜，所述间隔层为HfO2薄膜，所述顶部超表面为周期性HfO2微结构；所述元件的几何形状为依据伴随拓扑优化过程而决定。2.一种用于权利要求1所述的多层膜自由几何超表面元件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤S1、采用伴随拓扑优化算法，在非偏振态和利特罗角度入射下，以目标波段内的衍射效率最高为优化目标，超表面的横截面形状、高度以及间隔层厚度为优化变量，优化设计1030nm
‑
1090nm波段范围内
‑
1级衍射效率均高于99％的多层膜自由几何超表面元件；步骤S2、实际加工步骤S1设计的多层膜自由几何超表面，采用电子束蒸发离子束辅助技术制备预定厚度的HfO2/SiO2多层膜；所述HfO2/SiO2多层膜厚度采用光学监控法进行控制；步骤S3、在步骤S2所得的HfO2/SiO2多层膜表面旋涂光刻胶，所述光刻胶的厚度大于等于步骤S1优化得到超表面的设计高度；步骤S4、通过热蒸发的方式在步骤S3所得光刻胶表面蒸镀铬膜Cr；步骤S5、采用电子束曝光技术对步骤S4所得多层膜表面的光刻胶进行曝光，曝光区域与超表面设计形状相同，将曝光后的样品依次放入铬刻蚀液、显影液以及定影液中，去除铬膜以及曝光区域的光刻胶，得到与超表面设计形状互补的反结构光刻胶图形；步骤S6、采用原子层沉积技术在步骤S5所得多层膜样品表面沉积HfO2，从而在显影后光刻胶被曝光区域的空气结构中填充入HfO2，同时在光刻胶上方形成一层HfO2过沉积层；步骤S7、采用电感耦合反应离子刻蚀技术将步骤S6所得多层膜样品光刻胶上方的HfO2过沉积层去除；步骤S8、通过等离子体去胶机，利用氧离子将步骤S7所得多层膜样品表面剩余的光刻胶去除，即完成多层膜自由几何超表面元件的加工。3.根据权利要求2所述的多方法，其特征在于，所述步骤S1中伴随拓扑优化算法的参数设置为：剖分网格大小为5nm*5nm，迭代次数为350，并在其中嵌入了模拟退火算法，同时对超表面高度和间隔层厚度优化，模拟退火优化每隔10代执行1次。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的利特罗入射角度为36
°
，所述高反膜为中心波长705nm的(2HL)^20膜系，...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鑫彬，董思禹，谢凌云，张占一，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：