基于摆动刻蚀的曲面基底闪耀光栅制作方法及装置与流程

本发明涉及闪耀光栅制作，具体涉及基于摆动刻蚀的曲面基底闪耀光栅制作方法及装置。

背景技术：

1、凸面、凹面光栅因具有独特的曲面结构（如图3和图4所示），在光学系统中展现出不可替代的功能优势。凸面光栅，在offner等同心光学结构中，与凹面镜等元件配合形成消像差系统，其结构紧凑、像差可校正，适用于宽光谱范围，在高光谱成像等领域有着重要应用；凹面光栅，兼具色散与聚焦功能，无需准直镜与聚焦镜，具有光通量高、结构简单、像差相对可控的优势，在光谱仪、极紫外光刻等高端领域具有重要价值。在此基础上，将非对称的闪耀槽形与曲面基底相结合，衍生出了性能更优的曲面基底闪耀光栅，其通过槽形设计将能量集中至特定的衍射级次，可显著提高系统的衍射效率和信噪比，为精密光谱分析、高光谱成像等应用提供了更加紧凑、高效的解决方案。随着光学系统功能的日益复杂化，例如，在宽波段光谱仪中需利用渐变闪耀角补偿不同波长的衍射效率，在多通道成像系统中需借助分区闪耀角实现多谱段并行采集，在同一曲面基底上实现闪耀角按渐变规律分布或按区域分区配置的需求逐渐显现，以进一步拓展光谱调控的自由度，这对曲面基底闪耀光栅的制造技术提出了更高的要求。

2、目前，闪耀光栅制作工艺采用全息干涉光刻和反应离子束刻蚀技术，该技术在平面基底上已较为成熟，但难以适应曲面基底的高精度加工需求。由于离子束入射方向固定，曲面基底各点的局部切线方向变化会导致槽形畸变和深度不均，进而影响闪耀角精度及衍射效率一致性。传统摆动刻蚀制作曲面基底闪耀光栅时，是以基底曲率半径为摆动半径进行圆形往复摆动，若待加工的基底曲率半径较大，则摆动半径也会相应增大，由于刻蚀机内部空间有限，传统方法仅能制作球面基底闪耀光栅，难以实现大曲率半径基底闪耀光栅的加工，更无法在同一曲面基底上实现闪耀角的渐变或分区控制。

3、因此，亟需一种能够适应不同曲面基底、实现闪耀角动态调整的曲面基底闪耀光栅制作方法及装置。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于摆动刻蚀的曲面基底闪耀光栅制作方法及装置，能够有效克服现有技术所存在的无法适应不同类型曲面基底、不能对闪耀角进行动态调整的缺陷。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、基于摆动刻蚀的曲面基底闪耀光栅制作方法，包括以下步骤：

6、s1、在待加工的曲面基底表面制备光栅掩模，将光栅掩模的栅线方向垂直于转动圆盘放置于可升降载物台上，通过升降使初始待刻蚀段与方形狭缝在同一水平线上；

7、s2、将曲面基底上的每段待刻蚀区域拟合为一段曲线；

8、s3、通过转动使开始刻蚀点的切线方向与刻蚀方向平行，同时离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角决定闪耀角；

9、s4、通过平移使开始刻蚀点移动至离子束刻蚀区域；

10、s5、通过平移使曲面基底沿s2中的拟合曲线运动，并根据曲面基底和预设闪耀角的类型对转动圆盘进行关联控制，以对曲面基底进行摆动刻蚀；

11、s6、重复s3~s5，直至完成曲面基底整个表面的扫描刻蚀。

12、优选地，s1中在待加工的曲面基底表面制备光栅掩模，将光栅掩模的栅线方向垂直于转动圆盘放置于可升降载物台上，通过升降使初始待刻蚀段与方形狭缝在同一水平线上，包括：

13、采用全息干涉光刻技术在待加工的曲面基底表面制备具有预设周期和占宽比的光栅掩模，将光栅掩模的栅线方向垂直于转动圆盘放置于可升降载物台上，通过可升降载物台带动曲面基底升降，使初始待刻蚀段与方形狭缝在同一水平线上；

14、其中，方形狭缝的宽度决定闪耀光栅的分段程度。

15、优选地，s2中将曲面基底上的每段待刻蚀区域拟合为一段曲线，包括：

16、对于球面基底，每段待刻蚀区域均可拟合为一段半径已知的圆弧曲线。

17、优选地，s2中将曲面基底上的每段待刻蚀区域拟合为一段曲线，包括：

18、对于非球面基底，先确定对应的二次圆锥曲面方程，并通过切割方式将每段待刻蚀区域拟合为一段圆锥曲线：

19、1）非球面采用下式表示：

20、；

21、其中，r为径向距离，表示非球面上的点到z轴的垂直距离，z(r)为非球面表面矢高，表示径向距离r处，非球面上的点相对于顶点沿z轴方向的偏移高度，c为顶点曲率，k为圆锥系数，a4、a6、a8均为偶次高阶非球面系数；

22、2）在非球面上，以y=y0的x-z平面对其进行切割，得到的非球面截面曲线采用下式表示：

23、；

24、其中，(x,y,z)为空间坐标，z'(x)为非球面截面曲线上(x,y0)位置处的矢高；

25、3）非球面截面曲线上的点的切线与z轴的夹角采用下式表示：

26、；

27、其中，γ(x)为非球面截面曲线上的点(x,y0,z)的切线与z轴的夹角，此时z=z'(x)，z'为竖坐标z对横坐标x的一阶导数，表示非球面截面曲线上的点(x,y0,z)的切线斜率，；

28、4）非球面截面曲线上的点的切线与z轴的夹角随横坐标x的变化率采用下式表示：

29、；

30、其中，z''为竖坐标z对横坐标x的二阶导数，表示非球面截面曲线上的点(x,y0,z)的切线弯曲程度，，sgn(·)表示符号函数。

31、优选地，s3中通过转动使开始刻蚀点的切线方向与刻蚀方向平行，同时离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角决定闪耀角，包括：

32、通过控制转动圆盘使开始刻蚀点的切线方向与刻蚀方向平行，同时离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角θ决定闪耀角，通过控制夹角θ来调控所需的闪耀角。

33、优选地，s4中通过平移使开始刻蚀点移动至离子束刻蚀区域，包括：

34、通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使开始刻蚀点移动至离子束刻蚀区域。

35、优选地，s5中通过平移使曲面基底沿s2中的拟合曲线运动，并根据曲面基底和预设闪耀角的类型对转动圆盘进行关联控制，以对曲面基底进行摆动刻蚀，包括：

36、对于球面基底：

37、1）当所需的闪耀角为均匀闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆弧曲线以第一速度v1进行匀速曲线运动，同时通过控制转动圆盘的第一角速度ω1调整球面基底的姿态，使离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的第一夹角θ1保持恒定，需满足：

38、；

39、；

40、其中，t1为球面基底上的每段待刻蚀区域进行匀速曲线运动的时间，c为球面基底上的每段待刻蚀区域对应拟合圆弧曲线的长度，α为球面基底上的每段待刻蚀区域对应拟合圆弧曲线的圆心角；

41、2）当所需的闪耀角为分区闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆弧曲线以第一速度v1进行匀速曲线运动，同时对球面基底上的每段待刻蚀区域进行分段均匀刻蚀；

42、3）当所需的闪耀角为渐变闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆弧曲线以第一速度v1进行匀速曲线运动，同时通过控制转动圆盘的第二角速度ω2调整球面基底的姿态，使离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角从第二夹角θ2渐变至第三夹角θ3，需满足：

43、；

44、。

45、优选地，s5中通过平移使曲面基底沿s2中的拟合曲线运动，并根据曲面基底和预设闪耀角的类型对转动圆盘进行关联控制，以对曲面基底进行摆动刻蚀，包括：

46、对于非球面基底：

47、1）当所需的闪耀角为均匀闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使非球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆锥曲线以第二速度v2进行匀速曲线运动，同时转动圆盘的第一转动量与s2中非球面截面曲线上的点的切线与z轴的夹角随横坐标x的变化量相同：

48、；

49、其中，△x为横坐标x的变化量；

50、2）当所需的闪耀角为分区闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使非球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆锥曲线以第二速度v2进行匀速曲线运动，同时对非球面基底上的每段待刻蚀区域进行分段均匀刻蚀；

51、3）当所需的闪耀角为渐变闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使非球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆锥曲线以第二速度v2进行匀速曲线运动，同时将非球面基底上的每段待刻蚀区域对应的拟合圆锥曲线划分为n个长度为△c的圆锥子曲线，离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角从第四夹角θ4开始，每段圆锥子曲线对应的夹角增加△θ，则转动圆盘的第二动量为：

52、。

53、基于摆动刻蚀的曲面基底闪耀光栅制作装置，包括以下组件：

54、可升降载物台，固定安装于转动圆盘上，用于驱动曲面基底进行上下移动；

55、转动圆盘，安装于第一条形轨道和第二条形轨道上，用于驱动曲面基底进行转动；

56、第一条形轨道和第二条形轨道，用于驱动曲面基底进行水平移动；

57、离子源，通过方形狭缝对曲面基底进行刻蚀；

58、控制器，通过对可升降载物台、转动圆盘、第一条形轨道和第二条形轨道进行联动控制，使离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角按照预设规律进行动态调整，实现已知外形方程的球面、非球面基底的均匀、分区和渐变闪耀角光栅的制作。

59、优选地，所述控制器通过对可升降载物台、转动圆盘、第一条形轨道和第二条形轨道进行联动控制，使离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角按照预设规律进行动态调整，实现已知外形方程的球面、非球面基底的均匀、分区和渐变闪耀角光栅的制作，包括：

60、对于球面基底：

61、1）当所需的闪耀角为均匀闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆弧曲线以第一速度v1进行匀速曲线运动，同时通过控制转动圆盘的第一角速度ω1调整球面基底的姿态，使离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的第一夹角θ1保持恒定，需满足：

62、；

63、；

64、其中，t1为球面基底上的每段待刻蚀区域进行匀速曲线运动的时间，c为球面基底上的每段待刻蚀区域对应拟合圆弧曲线的长度，α为球面基底上的每段待刻蚀区域对应拟合圆弧曲线的圆心角；

65、2）当所需的闪耀角为分区闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆弧曲线以第一速度v1进行匀速曲线运动，同时对球面基底上的每段待刻蚀区域进行分段均匀刻蚀；

66、3）当所需的闪耀角为渐变闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆弧曲线以第一速度v1进行匀速曲线运动，同时通过控制转动圆盘的第二角速度ω2调整球面基底的姿态，使离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角从第二夹角θ2渐变至第三夹角θ3，需满足：

67、；

68、；

69、对于非球面基底：

70、1）当所需的闪耀角为均匀闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使非球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆锥曲线以第二速度v2进行匀速曲线运动，同时转动圆盘的第一转动量与s2中非球面截面曲线上的点的切线与z轴的夹角随横坐标x的变化量相同：

71、；

72、其中，△x为横坐标x的变化量；

73、2）当所需的闪耀角为分区闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使非球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆锥曲线以第二速度v2进行匀速曲线运动，同时对非球面基底上的每段待刻蚀区域进行分段均匀刻蚀；

74、3）当所需的闪耀角为渐变闪耀角时，通过第一条形轨道和第二条形轨道的联动控制，使非球面基底上的每段待刻蚀区域沿s2中拟合的圆锥曲线以第二速度v2进行匀速曲线运动，同时将非球面基底上的每段待刻蚀区域对应的拟合圆锥曲线划分为n个长度为△c的圆锥子曲线，离子束入射方向与当前刻蚀点的切线方向的夹角从第四夹角θ4开始，每段圆锥子曲线对应的夹角增加△θ，则转动圆盘的第二动量为：

75、。

76、（三）有益效果

77、与现有技术相比，本发明所提供的基于摆动刻蚀的曲面基底闪耀光栅制作方法及装置，具有以下有益效果：

78、1）曲面基底自适应刻蚀：支持凹球面、凸球面以及自由曲面等任意已知解析外形的基底加工，有效抑制因曲率变化引起的槽形畸变；

79、2）动态角度补偿：通过可升降载物台、转动圆盘和条形轨道的多轴联动控制，实现离子束入射方向与基底局部切线方向的动态匹配，当预设夹角为恒定值时，可确保刻蚀过程中闪耀角的一致性；当预设夹角按渐变或分区规律变化时，则可实现闪耀角渐变或闪耀角分区的灵活控制；

80、3）刻蚀深度均匀性控制：结合摆动频率与扫描速度的协同控制，调节离子束在不同区域的轰击通量，有效解决刻蚀深度不均的问题，提升曲面基底闪耀光栅在全口径范围内衍射效率的一致性；

81、4）降低刻蚀空间需求：相较于传统以基底曲率半径为摆动半径的摆动刻蚀技术，本发明通过多轴联动控制实现闪耀角的动态调整，运动行程摆脱了对基底曲率半径的依赖，从而有效缩减刻蚀设备所需的内部空间，尤其适用于大曲率半径及非球面基底闪耀光栅的加工。