基于纳米压印光刻技术制备用于啁啾脉冲放大的中红外衍射光栅

《Discover Nano》：Mid-IR diffraction gratings fabricated via nanoimprint lithography for chirped pulse amplification

　　

摘要：近年来，发射波长在2 μm光谱区域的激光器因其在科学与工业领域的广泛应用而备受关注，包括大气成分（如H2O）探测、医学外科手术以及激光雷达（LIDAR）技术等。在工业领域，它们还可用于高精度加工与材料工程。为实现上述应用，需要高功率激光器，这通常可通过啁啾脉冲放大（CPA）技术来放大激光脉冲得以实现。CPA中用于脉冲展宽与压缩的关键元件是光栅波导结构（GWS）。本文中，研究人员探索了利用纳米压印光刻（NIL）技术制备工作中心波长为2050 nm的GWS。该GWS被集成到多层HfO2/SiO2介质反射镜最顶层的氧化铪（HfO2）层中。制备流程包括：通过激光干涉光刻（LIL）制作母版晶圆、印章制备、NIL图形化以及反应离子刻蚀（RIE）。在HfO2中获得所需的刻蚀深度是一项关键挑战，研究人员通过引入铬硬掩模和田口实验设计（Taguchi experimental design）解决了这一问题。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）显示，所制备的GWS尺寸与设计值存在轻微偏差，主要体现在占空比（duty cycle）上。因此，最大衍射效率（DE）发生了轻微的蓝移，在2030 nm处测得为97%，低于理论预测的99%。本研究证明了利用NIL进行大面积、高衍射效率GWS制备的可行性。

基于纳米压印光刻技术制备用于啁啾脉冲放大的中红外衍射光栅——论文解读

一、研究背景与意义

发射波长在2 μm附近的中红外激光器在科学研究和工业应用中展现出巨大潜力，例如大气水分子探测、医疗手术以及激光雷达（LIDAR）技术。特别是在工业领域，这类激光器可用于高精度加工和材料工程。为了满足这些应用需求，通常需要高功率激光器，而这可以通过啁啾脉冲放大（CPA）技术来实现。在CPA系统中，激光脉冲首先被时域展宽，经放大后再重新压缩，从而获得高峰值功率的超短脉冲。CPA系统的核心组件之一是其压缩与展宽环节所使用的衍射光栅。传统金属（如金）光栅虽然早期被广泛使用，但其衍射效率（DE）较低，且对高功率激光脉冲的损伤阈值（LIDT）不高，限制了其在高功率系统中的性能。为此，多层介质光栅（MDG）应运而生，它通过在熔融石英（FS）基底上沉积多层介质膜构成高反射镜，能够显著降低光学损耗，提高DE和LIDT。其中，光栅波导结构（GWS）作为一种特殊的MDG，在顶层光栅下方集成了一个波导层，近年来在高功率激光器中受到广泛研究。

目前，GWS的图形化主要依赖激光干涉光刻（LIL）和电子束光刻（EBL）等技术。尽管这些技术能够提供极高的图形保真度，但它们也带来了高昂的生产成本，例如需要专用的LIL设备或昂贵的电子束加工。因此，寻找一种低成本、高通量的替代方案成为推动GWS大规模应用的关键。纳米压印光刻（NIL）技术正是这样一种极具潜力的候选方案。NIL通过使用由LIL或EBL制备的高分辨率母模板来反复复制印章，从而在目标基底上高效地复制精细图形，有望大幅降低制造成本。然而，将NIL应用于制备适用于2 μm波段CPA系统的大面积、深槽GWS仍面临诸多技术挑战，尤其是在厚基底上进行精确刻蚀以保证器件性能。本研究的目的是探索并验证利用NIL技术制备工作于2050 nm波长的GWS的可行性，旨在弥合高端光学性能与可规模化制造之间的鸿沟。

二、主要关键技术方法

研究人员采用了以下主要关键技术方法：首先，利用激光干涉光刻（LIL）在硅片上制备母版晶圆；随后，基于此母版通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制备纳米压印印章；接着，在覆盖有多层HfO₂/SiO₂介质反射镜的100 mm直径、10 mm厚的熔融石英（FS）基底上进行紫外固化纳米压印光刻（NIL）图形化；之后，采用感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）工艺，分三步将图形转移至顶层HfO₂层，具体包括：AMONIL残留层刻蚀、铬（Cr）硬掩模刻蚀以及HfO₂光栅层刻蚀。针对厚基底带来的刻蚀速率下降问题，研究人员运用田口实验设计（Taguchi experimental design）优化了HfO₂刻蚀工艺参数。

三、研究结果

1. 设计与模拟

研究人员设计了一种共振衍射型GWS，用于工作在2 μm波段的脉冲压缩光栅。优化后的设计参数包括：光栅周期Λ=1190 nm、槽深d=498 nm、占空比DC=34%，入射角（AOI）为55°。理论计算表明，对于TE偏振辐射，该GWS在2030–2070 nm波长范围内可获得大于99%的?1级衍射效率。

2. 制备流程

研究人员详细描述了包含四个主要模块的完整制备流程：母版制备（LIL+干法刻蚀）、印章制备（基于PDMS的SCIL工艺）、NIL图形化复制、以及图形转移刻蚀。其中，为了实现498 nm深的HfO₂刻蚀，研究人员引入了300 nm厚的铬（Cr）硬掩模。通过对Cr刻蚀工艺的系统优化，研究人员最终获得了平衡的选择比（AMONIL/Cr约24，Cr/HfO₂约3），成功实现了全区域、厚度为498 nm的HfO₂光栅层刻蚀，刻蚀后侧壁倾斜角约为70°。

3. 结构与形貌表征

通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）对制备的GWS进行了表征。结果显示，实际制备的结构与设计值存在偏差，主要表现为占空比（DC）的变化。由于印章收缩、残留层刻蚀及Cr刻蚀过程中的底切效应等因素的综合影响，最终有效DC约为28%（设计值为34%）。AFM测量确认了三角形轮廓，侧壁角约34°，刻蚀深度约490 nm。光栅周期的均匀性良好，沿x轴和y轴的周期变化最大值仅为1.13 nm。

4. 光学性能表征

在AOI为55°的条件下，研究人员对制备的GWS样品进行了衍射效率（DE）的光谱扫描测量。结果表明，最大DE出现在2030 nm处，达到97%±0.5%，相比设计中心波长2050 nm发生了轻微的蓝移。当将AFM测量的实际光栅轮廓参数代入仿真时，测量结果与仿真结果吻合良好，证实了DE蓝移主要由实际结构的DC偏差导致。实测DE略低于理论值（约低3%），这可能归因于光栅表面的粗糙度和残留物引起的散射损耗以及膜层吸收。

四、讨论与结论

本研究成功地展示了利用纳米压印光刻（NIL）技术在10 mm厚的100 mm直径熔融石英（FS）基底上制备工作于2050 nm的光栅波导结构（GWS）的可行性。尽管制备过程中因厚基底带来的挑战（尤其是HfO₂刻蚀）使得工艺流程更为复杂，但通过引入铬（Cr）硬掩模和优化的刻蚀工艺，研究人员最终制备出的GWS在2030 nm处实现了97%±0.5%的最大衍射效率（DE）。虽然这一效率略低于理论预测值，并且与1 μm波段利用LIL或EBL技术实现的顶尖水平存在差距，但在2 μm波段用于啁啾脉冲放大（CPA）应用的GWS报道尚属首次。这项工作标志着NIL结合干法刻蚀技术向CPA用GWS的实际应用迈出了重要一步。研究人员的结论是：通过进一步优化工艺（如改善占空比控制、减少表面缺陷），有望使效率更接近设计值。鉴于NIL相较于LIL和EBL显著的成本优势，它为GWS的规模化生产提供了一条有前景的路径，尤其适用于需要在光学性能与成本之间取得平衡的应用场景。