灰度电子束光刻优化与精确控制实现平面双闪耀光栅的高效制备

针对传统闪耀光栅带宽受限的难题，研究人员通过优化灰度电子束光刻（g-EBL）工艺，实现了平面双闪耀光栅（1.8°和3.5°）的精确制备。该技术解决了多角度匹配与波前控制难题，使光栅在0.4-1.05 μm波段平均衍射效率达53%，波前像差<0.2wv，为宽带光谱成像系统提供了高性能核心元件。

　　

光谱成像技术的核心元件闪耀光栅（blazed grating）虽具备高衍射效率和线性色散优势，但其窄带特性（通常仅覆盖单一波长峰值）严重制约了宽带光谱分析能力。传统解决方案需并联多套系统，导致设备臃肿。双闪耀光栅（dual-blazed grating）通过分区设计不同闪耀角（blazed angle），可同时优化长短波段的衍射效率，但现有制造技术如机械刻划（ruling）易引入随机误差，离子刻蚀（ion etching）产生界面畸变，拼接工艺（mosaicking）则存在波前失配问题。

为解决上述挑战，同济大学的研究团队开发了一种基于灰度电子束光刻（grayscale electron beam lithography, g-EBL）的平面双闪耀光栅制备方法。通过建立曝光剂量-光栅形貌的线性微分模型，优化布局与剂量分布，成功制备出周期9 μm、闪耀角1.8°与3.5°的双区光栅。测试显示，该光栅在0.4-1.05 μm宽谱段平均衍射效率达53%，波前峰谷值（PV）低于0.2倍波长（wv），杂散光强度低至10^-4量级，显著优于机械刻划工艺的10^-3水平。相关成果发表于《Vacuum》，为宽带光谱仪器的小型化提供了关键技术支撑。

关键技术方法
研究采用灰度电子束光刻技术，通过调控基底曝光剂量（I）与剂量梯度（δ）实现光栅形貌控制。基于500 μm硅基底，建立剂量-残留光刻胶高度的线性模型，结合蒙特卡洛模拟优化电子散射效应。通过分区曝光策略同步实现1.8°（高度282 nm）和3.5°（551 nm）双角度结构，并采用扫描电镜（SEM）和干涉仪完成形貌与波前表征。

研究结果

Fundamental principle of fabricating dual-blazed gratings by g-EBL
阐明了g-EBL通过剂量调制光刻胶溶解速率的三维成型机制，其灵活性显著优于固定角度的传统工艺。

Process of dual-blazed angles controlling and wavefronts matching
建立的剂量模型显示，中心剂量I决定平均高度，δ控制闪耀角。实验验证了δ与角度呈线性关系，双区高度差可通过剂量补偿精确匹配。

SEM Characterization: The Accuracy of Fabrication
SEM图像证实1.8°与3.5°区域形貌连续过渡，边界误差<5 nm，周期均匀性达±0.5%。

Discussion
相比离子刻蚀的界面畸变（效率损失约15%），g-EBL制备的光栅波前畸变降低80%，且无需后抛光。

Conclusion
该工作建立了g-EBL制备双闪耀光栅的通用方法，其工艺可扩展至其他微纳光学元件。研究获国家自然科学基金（62305248等）及上海市科委项目支持。

意义与展望
此项技术突破了宽带光栅的制造瓶颈，未来可应用于空间遥感、生物医学成像等领域。作者团队在CRediT声明中强调，该成果所有数据可依申请公开，且无利益冲突。