旋涂法制作Ⅳ型全息光栅的设计补偿优化理论构建及其工艺技术研究

The main aim of the project is to investigate the continuous-quality slip mechanism of hydrodynamics and the multi-phase equilibrium mechanism of thermodynamics. The spin-coating mathematical model will be built based on the fluid mechanics and the thermodynamic evaporation mechanism. The IV type holographic gratings by spin coating will be prepared and then the influence of the relative kinetic and thermodynamic parameters (including the velocity of gluing, spin coating, the concentration, viscosity and saturation vapor pressure of the photoresist solution) on the surface type and grating performance will be investigated. The process of preparing glue film by spin-coating photoresist on the non-planar substrate will be further theoretically deduced, followed by enhancing the spin-coating mathematical model. By combining the spin-coating mathematical model with the optical path difference optimal design theory, the possible factors leading to surface type errors and the sensitive extent by different factors will be analyzed. A synergetic optimization algorithm to reveal the influence of the surface type error on the groove distribution and the grating shape will be constructed. Based on the synergetic optimization algorithm, the aberration correcting capability and the diffraction efficiency of IV type holographic grating will be improved. Moreover, the surface type error of spin-coating photoresist and the subsequent error by compensation may be inhibited. Eventually, a stable and improved grating manufacturing process would be fulfilled.

本项目旨以流体力学质量连续的滑移机制和热力学多相平衡机制作为研究对象，从流体力学机制和热力学蒸发机制两方面构建匀胶数学模型；采用旋涂法制备全息光栅，研究制备过程中相应的动力学和热力学参数（滴胶速度、旋涂速度、光刻胶溶液浓度、粘度、饱和蒸气压等）对Ⅳ型全息光栅基底光刻胶面型和光栅性能的影响，进而对非平面基底上进行旋转涂覆光刻胶制备胶膜这一工艺过程进行理论分析，构建完善的匀胶数学模型；结合匀胶数学模型与光程差优化设计理论，分析匀胶面型误差产生的因素和各因素的敏感程度，构建一套协同优化算法，揭示匀胶面型误差对光栅刻槽分布、形状的影响机制；采用协同优化算法理论优化Ⅳ型全息-离子束刻蚀光栅的校像差能力和衍射效率，抑制制作过程中产生的匀胶面型误差以及后续误差，补偿其对光栅最终性能的影响，获得稳定的光栅制造工艺。

消像差凹面光栅本身兼备色散、聚焦、校正像差、无鬼线、低杂散光等特性，用在光学系统中可以精简系统结构，即减少了准直镜和成像镜，进而避免了由此引入的能量衰减、杂散光和像差，从而提高了系统信噪比，达到简化光学系统的作用，极大地推动了光谱仪器的小型化和轻型化。因此，Ⅳ型光栅在极紫外和软X射线波段高分辨率光谱仪、惯性约束核聚变、深空天文观测、同步辐射装置等领域得到了广泛的应用且发挥着重要作用。而随着光谱仪器的光学性能逐步提高，开发具有更优良消像差能力的衍射光栅，已成为发展的必然趋势。本项目旨以流体力学质量连续的滑移机制和热力学多相平衡机制作为研究对象，从流体力学机制和热力学蒸发机制两方面构建匀胶数学模型，基于流体力学理论对旋转凹球面上的光刻胶做了受力分析，根据凹球面的面形给出了流体方程的边界条件，经过推导得到了光刻胶厚度随时间变化的表达式，并引入和建立光刻胶蒸发速率对涂胶基底面形的响应关系式，最终得到了一个描述光刻胶厚度随转速、基底面形及光刻胶参数变化的多项式方程，由此可方便地求解出不同条件下的光刻胶厚度。另外，根据此方程还可以求解出一定涂胶转速下获得不同厚度光刻胶涂层所需的光刻胶粘度和浓度参数，为光刻胶的稀释提供理论依据。通过匀胶面型误差产生的因素和各因素的敏感程度进行分析，将匀胶数学模型与光程差优化设计理论相结合，建立一套完整的协同优化算法，揭示匀胶面型误差对光栅刻槽分布、形状的影响机制；最后采用协同优化算法理论优化Ⅳ型全息-离子束刻蚀光栅的校像差能力和衍射效率，抑制制作过程中产生的匀胶面型误差以及后续误差，补偿其对光栅最终性能的影响，获得稳定的光栅制造工艺。本项目的成功实施，为更高分辨率的全息凹面光栅设计与制作提供理论基础，实现弱光谱条件下的高分辨率光谱测量，发展高端全息凹面光栅光谱仪提供实验和理论依据。