行業科普｜光學原理：製作衍射光學元件的主要技術——雷射直寫

博頓導讀

雷射直寫是製作衍射光學元件的主要技術之一，今天博頓君為大家科普這一簡明的光學原理。

技術簡介

雷射直寫是製作衍射光學元件的主要技術之一，它利用強度可變的雷射束對基片表面的抗蝕材料實施變劑量曝光，顯影后便在抗蝕層表面形成要求的浮雕輪廓。雷射直寫製作衍射光學元件（DOE）是把計算機控制與微細加工技術相結合，為DOE設計和製作的方法提供了極大的靈活性，製作精度可以達到亞微米量級。

雷射直寫技術主要用於製作平面計算全圖、掩模、微透鏡、微透鏡陣列、Fresnel微透鏡、Fresnel波帶板、連續位相浮雕的閃耀光學元件等，製作工藝己經逐漸成熟。雷射直寫技術的發展趨勢是從直角坐標寫入系統到極坐標寫入系統，直至多功能寫入系統；從基片小尺寸到大尺寸，從平面寫入到球面、柱面以及曲面；從利用光刻膠材料到聚合物以及其他特殊工藝材料；寫入元件的特徵尺寸從幾百微米到亞微米；元件製作時間從幾天到幾小時甚至幾分鐘；從製作二值圖樣到寫入連續浮雕輪廓;從光學元件到微電子、集成電路、集成光學器件等；從發達的國家到發展中國家，並已經應用到空間光學、光通訊、光學顯示等領域，為DOE和微電子、微光學、微機械器件的製作提供了一種新的製作設備。

發展歷史

在八十年代初期，只有少數幾個國家開展雷射直寫技術的研究工作。1983年瑞士RCA有限公司的M.T.Gale和K.Knop在二維直角坐標下利用雷射束在光刻膠上掃描製作了精密的透鏡陣列，這是有關雷射直寫技術報導中最早的文獻；

1984年前蘇聯科學院自動化和電工研究所V.P.Koronkevich等在極坐標內利用雷射直接在塗有光刻膠的硫化玻璃態的半導體或金屬上製作掩模，然後使用掩模製作kinoform結構的元件；

1989年德國Heidelberg大學C.Rensch等提出了二維雷射直寫光刻的掃描儀，掃描精度在亞微米量級，可寫入任意圖形，最小線條寬度為1微米；同年美國Texas儀器公司S.C.Babe報導己研製出五種型號的雷射直接寫入設備，寫入光斑大小分檔可調，自1微米至10微米不等，二維位移平臺定位精度可達0.25微米，利用該設備製作的平面全息圖用於產生非球面，波前誤差優於1個波長。

到了九十年代，雷射直寫技術受到各國的高度重視，如雨後春筍般迅速發展起來，從研製高精密的設備到研究和發明新工藝、新材料，使雷射直寫技術的應用拓展到更多的領域。

1996年中國科學院光電子技術研究所微細加工光學技術國家重點實驗室和四川大學杜春雷等報導了在德國Erlangen大學光學研究所利用雷射直寫光刻方法和反應離子束刻蝕方法結合製作了8位相臺階Fresnel衍射透鏡陣列，實測衍射效率80%以上；98年杜驚雷等對報導了雷射直寫工藝中鄰近效應的影響分析，採用直寫數據設計預補償方法實現雷射直寫鄰近效應的校正。

衍射光學元件

衍射光學元件（Diffractive Optical Element，簡稱DOE）是以光的標量和矢量衍射理論為基礎，用計算機輔助設計，通過超大規模集成電路（VLSI）工藝等微細加工手段製作的一種新型光學元件。

它是以片基上多臺階浮雕結構或連續浮雕結構和極高的衍射效率為特點，具有許多傳統光學元件難以實現的功能。它可單獨或與其它類型元件混合應用於常規光學系統，校正光學系統像差，縮小體積，減輕重量，從而促進光學系統實現微型化、陣列化和集成化。它是光學與微電子學相互滲透 交叉的產物，成為光學領域中最具活力、最具發展潛力的光學器件。DOE應用十分廣泛 它在空間光學 光學通訊等領域上的應用開發，潛藏著巨大的經濟效益，迅速地受到了包括學術、科研、軍事、工業和商業等各界的重視。

基本原理

雷射直寫是利用強度可變的雷射束對基片表面的抗蝕材料實施變劑量曝光，顯影后在抗蝕層表面形成所要求的浮雕輪廓。雷射直寫系統的基本工作原理是由計算機控制高精度雷射束掃描，在光刻膠上直接曝光寫出所設計的任意圖形，從而把設計圖形直接轉移到掩模上。

雷射直寫系統的基本結構如圖所示，主要由He-Cd雷射器、聲光調製器、投影光刻物鏡、CCD攝像機、顯示器、照明光源、工作檯、調焦裝置、He-Ne雷射幹涉儀和控制計算機等部分構成。

雷射直寫的基本工作流程是：用計算機產生設計的微光學元件或待製作的VLSI掩模結構數據；將數據轉換成直寫系統控制數據，由計算機控制高精度雷射束在光刻膠上直接掃描曝光；經顯影和刻蝕將設計圖形傳遞到基片上。

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