專利名稱：一種雙頻率高溫光柵的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光柵的制作方法，屬于光測力學技術領域。
背景技術：
轉移或直接刻蝕在被測物體表面的光柵作為物體表面變形信息的載體，在光測力學領域中是幾何云紋法、云紋干涉法和電鏡云紋法中進行物體表面變形測量的基本元件。
目前較為成熟的光柵的制作方法主要有機械刻劃法、全息光刻法。
機械刻劃是制作光柵最傳統的方法，該方法利用刻紋機在光柵材料表面刻劃出一條一條的溝槽，這種方法對刻紋機的機械精度提出了很高的要求。而且機械刻劃法不僅費時、制作成本高，而且所得到的光柵頻率比較低，質量也不盡如人意。
全息光刻法是繼機械刻劃法后發展起來的一種光柵制作方法，它的出現是光柵制作技術領域中的一個里程碑，將光柵制作技術向前推進了一大步。全息光刻法的不足之處是所需光學元件較多，光路復雜，尤其是高溫光柵的制作難度更大。
發明內容
本發明的目的是提供一種雙頻率高溫光柵的制作方法，即在聚焦離子束顯微鏡這一成熟商品儀器環境下完成制作雙頻高溫光柵的制作，該制作方法操作簡單、靈活，所制作的光柵可適用于各種溫度環境下、不同材料微觀變形行為的研究。
本發明的技術方案如下一種高密度雙頻高溫光柵的制作方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)將試件切割成所需要的形狀，經清洗、拋光后，將試件平放在聚焦離子束顯微鏡的載物臺上，使鍍有金屬薄膜的表面朝上，在聚焦離子束顯微鏡的操作環境下利用高能離子束對金屬鍍膜表面進行單一方向低頻光柵的刻蝕；光柵的頻率由掃描線間距確定，掃面線間距最低可調至50nm，光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，束流強度范圍為1～20000pA；2)單一方向的低頻光柵刻蝕結束之后，將掃描方向旋轉90°，對金屬鍍膜表面的另一方向重復步驟1)進行刻蝕，進而得到正交的低頻光柵；3)低頻光柵刻蝕結束之后，利用定位系統將顯微鏡鏡頭聚焦到預刻蝕高頻光柵的位置，首先刻蝕單一方向的高頻光柵。高頻光柵的頻率由掃描線間距確定，高頻光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，掃面線間距最低可調至50nm，光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，束流強度范圍為1-20000pA；4)單一方向的高頻光柵刻蝕結束之后，將掃描方向旋轉90°，對金屬鍍膜表面的另一方向重復步驟3)進行刻蝕，進而得到正交的高頻光柵。
本發明的優選技術方案為在步驟1)中所述試件需要制柵的表面上鍍上一層亞微米金屬薄膜，膜的材料根據光柵工作狀態下的環境溫度決定，且與試件基體材料熱膨脹系數盡可能一致，其膜厚為0.1～0.5μm。
本發明所述的高密度光柵為正交光柵及雙頻光柵，本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果光柵的制作過程在聚焦離子束顯微鏡這一成熟商品儀器中完成；制作雙頻光柵的工藝相對簡單，靈活；光柵間距可變，深度可變，在光測力學領域有著重要的用途。柵線還可刻蝕在金屬膜表面，與金屬膜的耐高溫性能相同。
圖1為本發明的操作流程圖。
具體實施例方式
現結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。
圖1為本發明的操作流程圖。將試件切割成所需要的形狀，清洗、拋光后(或在試件需要制柵的表面先鍍上一層厚度為0.1～0.5μm的金屬膜)，在聚焦離子束顯微鏡的操作環境下利用高能離子束對金屬鍍膜表面進行單一方向低頻光柵的刻蝕；光柵的頻率由掃描線間距確定，掃面線間距最低可調至50nm，光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，束流強度范圍為1～20000pA；單一方向的低頻光柵刻蝕結束之后，將掃描方向旋轉90°，對金屬鍍膜表面的另一方向按前述低頻柵參數重復進行刻蝕，進而得到正交的低頻光柵；低頻光柵刻蝕結束之后，利用定位系統將顯微鏡鏡頭聚焦到預刻蝕高頻光柵的位置，首先刻蝕單一方向的高頻光柵，高頻光柵的頻率由掃描線間距確定，高頻光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，掃面線間距最低可調至50nm，光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，束流強度范圍控制在1～20000pA；單一方向的高頻光柵刻蝕結束之后，將掃描方向旋轉90°，對金屬鍍膜表面的另一方向按前述高頻柵參數重復進行刻蝕，進而得到正交的高頻光柵。
實施例1試件材料為TiNi形狀記憶合金，用電切割加工成型，再進行手工拋光，在試件表面上鍍上一層金膜，厚度為0.5μm。
將該試件放置在型號為DB235的聚焦離子束顯微鏡的載物臺上，使鍍有金膜的一面朝上，選用加速電壓U＝30kv，束流強度I＝400pA，刻蝕深度Z＝0.4μm，放大倍數12000倍，選擇正交平行線圖形，設定線間距0.4μm，聚焦清晰后刻蝕，得到2500l/mm的正交光柵。然后利用定位系統移動到預刻蝕高頻光柵的位置(低頻光柵上的某一個區域)，設置5000l/mm正交光柵的刻蝕參數，加速電壓U＝30kv，束流強度I＝30pA，刻蝕深度Z＝0.4μm，放大倍數20000倍，選擇正交平行線圖形，線間距0.2μm，聚焦清晰后刻蝕，得到5000l/mm和2500l/mm的正交光柵組合成的雙頻光柵。對于NiTi形狀記憶合金試件，基底材料和鍍層材料的熔點均在1000℃度以上，因此光柵也可以工作到接近此溫度，設工作溫度為960℃，由于鍍層很薄，根據 其中fi和f20℃分別為光柵在t′和20℃時的頻率。該NiTi合金材料20℃時的熱膨脹系數α＝1×10-5/℃，因此，室溫(20℃)下刻制的頻率為5000l/mm和2500l/mm的正交光柵，當溫度升高到1000℃時，其光柵頻率分別變為4953l/mm和2477l/mm。
權利要求
1.一種雙頻光柵的制作方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)將試件切割成所需要的形狀，經清洗、拋光后，將試件平放在聚焦離子束顯微鏡的載物臺上，使鍍有金屬薄膜的表面朝上，在聚焦離子束顯微鏡的操作環境下利用高能離子束對金屬鍍膜表面進行單一方向低頻光柵的刻蝕；光柵的頻率由掃描線間距確定，掃面線間距最低可調至50nm，光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，束流強度范圍為1～20000pA；2)單一方向的低頻光柵刻蝕結束之后，將掃描方向旋轉90°，對金屬鍍膜表面的另一方向重復步驟1)進行刻蝕，進而得到正交的低頻光柵；3)低頻光柵刻蝕結束之后，利用定位系統將顯微鏡鏡頭聚焦到預刻蝕高頻光柵的位置，首先刻蝕單一方向的高頻光柵。高頻光柵的頻率由掃描線間距確定，高頻光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，掃面線間距最低可調至50nm，光柵的刻蝕深度由束流強度和刻蝕時間確定，束流強度范圍為1～20000pA；4)單一方向的高頻光柵刻蝕結束之后，將掃描方向旋轉90°，對金屬鍍膜表面的另一方向重復步驟3)進行刻蝕，進而得到正交的高頻光柵。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于在步驟1)中所述試件需要制柵的表面上鍍上一層亞微米金屬薄膜，膜的材料根據光柵工作狀態下的環境溫度決定，且與試件基體材料熱膨脹系數盡可能一致，其膜厚為0.1～0.5μm。
全文摘要
一種雙頻率高溫光柵的制作方法，屬于光測力學技術領域。本發明的技術特點是在聚焦離子束顯微鏡這一成熟商品儀器環境下完成雙頻率高溫光柵的制作，該方法操作簡單、靈活、容易實現。通過調整聚焦離子束顯微鏡系統的放大倍數、束流強度、刻蝕深度、線間距等參數并利用系統自身的精密定位系統，在試件表面，或者在金屬鍍膜上制作出可變密度、可變深度的單向光柵、正交光柵及雙頻光柵，適用于各種溫度環境下，各種基體材料微觀變形行為的研究。
文檔編號G02B5/18GK1924622SQ200610113298
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月22日 優先權日2006年9月22日
發明者謝惠民, 杜華, 郭智強, 方岱寧, 戴福隆 申請人:清華大學