利用连续固态激光器改进干涉光刻

挑战

Anton Savchenko 是斯图加特大学光学技术学院 (ITO) 的初级研究员，他和他的同事使用激光干涉光刻 (LIL) 技术打造微结构和纳米结构。

周期性微结构和纳米结构在自然界很常见，且被广泛应用于科技领域。研究人员已打造出类似于蛾眼表面的纳米结构，这种结构可抑制光学器件中不需要的反射。周期性纳米结构的另一个例子是衍射光栅，衍射光栅的应用范围很广，包括从光谱分析到激光束改性的众多应用。可靠且可重复地打造这些结构是一个挑战。能够可靠地打造亚微米级周期性图样的方法凤毛麟角，激光干涉光刻是其中之一。

激光干涉光刻可在光敏材料中形成周期性干涉图样。基本的激光干涉光刻装置基于劳埃德镜，自汉弗莱·劳埃德在 1884 年进行光性质研究以来变化不大。使用劳埃德镜的激光干涉光刻装置（图 1）的工作原理如下：来自光源的光穿过空间滤波器，并在传播过程中扩大。反射镜和样本垂直安装在装置的对面。样本上的光与反射镜反射的光互相干扰，从而产生干涉图样。干涉图样的周期与光源波长成正比。

用于激光干涉光刻的光源是一个关键组件，必须满足几个要求：短波长；较长的相干长度，以产生干涉条纹；以及较高的功率，以减少曝光时间。多年来，Ar⁺ 和 Kr⁺ 气体激光器是解决这个问题的首选。

然而，这些气体激光器不够高效，会产生非常大量的热，需要水冷和频繁维护，而且笨重。Anton Savchenko 和他的同事需要在实验室使用更好的激光干涉光刻解决方案。

解决方案

斯图加特大学光学技术学院的理学硕士 Savchenko 和他的同事使用多种方法来创建衍射图样，但他们需要更大面积的激光干涉光刻装置。

当他们决定为实验室配备新的激光干涉光刻系统时，他们理想中的光源是既能满足相干长度、光束质量和短发射波长这几方面的标准，又没有 Ar⁺ 和 Kr⁺ 气体激光器的尺寸、复杂性和热量问题。连续固态激光器似乎是大有可为的解决方案，于是该团队试用了 Coherent OBIS 360 XT 激光器。这款即插即用型的紧凑型设备能够免维护地长时间运行，只需一个散热器，无需额外的冷却装置。这款激光器的光束质量高（M² 接近 1），而且具有窄频谱带宽和长期功率稳定性，可确保激光干涉光刻的准确性和可重复性。这款激光器可实现小至 250 nm 的周期，发射波长为 360 nm。

成果

有了配备 OBIS 360 XT 激光器的内部激光干涉光刻装置，斯图加特大学光学技术学院如虎添翼，能够更好地打造不同的周期性纳米结构。现在，他们能够在直径大至 180 mm 的范围内产生亚微米级衍射光栅。图 2 显示了产生的衍射光栅。对于该系统，他们的另一个目标应用是，利用具有亚波长衍射光栅的光栅波导结构来控制激光束偏振状态。

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