甲烷(CH4)是大气中具有化学活性和辐射活性的气体，也是大气中主要温室气体，在大气中的含量仅次于二氧化碳(CO2)，但其单位浓度对温室效应的贡献约为二氧化碳的25倍，随着人类文明的发展，CH4的总量一直在增加，对地球的气候变化产生重要影响。大气中CO2和CH4分布相对均匀，不同地区和不同时间之间浓度差异小。根据美国国家海洋和大气管理局的数据，CO2的季节变化和年平均增长约为5ppm 和2.5ppm，CH4约为15ppb和8ppb，地区差异分别不超过10ppm和20ppb。因此，需要测量这样高的变化精度要求成像光谱仪必须具有甚高光谱分辨率和高信噪比。此外，为了精确定位CO2和CH4的源和汇，分辨人为和自然源汇，在区域尺度上实现定量遥感，同时需要具备高空间分辨率。这些都对光栅型成像光谱仪的性能提出了很高的要求，特别是对其中的核心分光元件-光栅的衍射效率要求很高。
本文针对CH4探测2.275~2.325μm波段，研制了熔石英棱镜光栅，其结合了棱镜和光栅的优点，通过引入高折射率材料TiO2介质膜，进一步提升衍射效率的同时，可以实现更加紧凑的光机结构。因此，研究具有高折射率材料TiO2介质膜的熔石英棱镜光栅，可以实现光栅型成像光谱仪的高性能，实现温室气体的高精度探测。对促进我国的“双碳”战略以及保障社会经济可持续发展具有重要的实用价值。
(a) 刻蚀光栅
(b) ALD TiO2
研究背景
目前国际上对CH4带进行探测的光栅型成像光谱仪，主要使用的是硅棱镜光栅，其衍射效率基本上在60%附近。2017年，欧空局发射的Sentinel-5P卫星搭载了TRPPOMI监测器，对光谱范围为2.304~2.386 μm的CH4带进行探测，采用硅棱镜光栅进行分光，平均衍射效率可达60%。正在研制中的Sentinel-5卫星的2个短波红外SWIR-1和SWIR-3均采用了硅棱镜光栅，SWIR-1的工作波长范围为1.589~1.676 μm，平均衍射效率可达59%，SWIR-3的工作波长范围为2.304~2.386 μm，平均衍射效率可达60%。
图1 光栅结构示意图（槽深为h，TiO2介质膜的厚度为b）
为了进一步提升光栅的衍射效率，在熔石英棱镜光栅的基础上，通过引入高折射率材料TiO2介质膜，优化光栅的结构，可以实现衍射效率达到80%。为此在制作技术上，采用常规全息光刻-离子束刻蚀完成熔石英棱镜光栅结构的制作，再结合原子层沉积技术，实现高精度TiO2介质膜的填充。
主要内容
光栅周期Λ为1020 nm、金属反射膜材料是银。槽宽a和周期Λ的比值定义为占空比即f=a/Λ。利用时域有限差分法（FDTD），对衍射效率进行分析。以中心波长2.3 μm作为参考波长，分析了f为0.3、0.35、0.4、0.45时，衍射效率和TiO2厚度、光栅槽深的关系。如图2所示。可以看出，光栅占空比0.3-0.45范围内时：TiO2厚度为165~170 nm，槽深为800~950 nm时，光栅的衍射效率高于70%，TiO2厚度为165 nm，槽深为870~930 nm时，衍射效率高于80%。
图2 不同占空比时槽深和TiO2厚度与衍射效率的关系
棱镜光栅制作流程如图3所示。首先，一层适当厚度的光刻胶被均匀涂布到棱镜基底上。其次，全息光刻，形成光刻胶光栅掩模，通过调节曝光量和显影时间，有效的控制光刻胶光栅掩模的槽形。然后，在光刻胶的掩蔽下对棱镜基片进行离子束刻蚀，将光刻胶光栅图形转移到棱镜基片上，刻蚀后，需要进行清洗以去除残留的光刻胶。再利用原子层沉积（ALD）技术沉积TiO2膜层。最后真空镀膜，镀制反射银膜。
图3 棱镜光栅制作工艺流程图
刻蚀后的光栅槽形如图4（a）所示。可见，中部占空比为0.42，槽深为872 nm，两侧梯形底角分别为85.5°和82°，顶部剩胶为301 nm。清洗剩余顶部的光刻胶后，再利用原子层沉积（ALD）技术沉积TiO2膜层，如图4（b）所示。最后真空镀膜，镀制反射银膜。完成棱镜光栅的制作，如图5所示。
(a) 刻蚀光栅
(b) ALD TiO2
图4 光栅扫描电镜图
图5 棱镜光栅
图6为衍射效率测量的实验装置示意图，实验中所用光源是Fianium公司的超连续谱光纤激光器，其波长范围为0.41~2.4 μm。为了消除光源波动的影响，采用了双光路测试法。
图6 衍射效率的实验测量示意图
图7给出了衍射效率与波长的关系曲线，理论值是根据图4（b）光栅槽形SEM图分析所得。在2.275~2.325 μm波段，测试衍射效率大于70%。通过比较理论值和实验值，可见实验结果与理论值趋势一致。
图7 棱镜光栅的衍射效率和波长的关系
结论
本文详细分析了用于甲烷成像光谱仪的棱镜光栅的衍射特性，为了进一步提高系统的结构紧凑性，在石英棱镜光栅中引入高折射率材料TiO2介质膜，对于矩形槽形，占空比在0.3~0.45范围内时：TiO2膜层厚度在165~170 nm之间，槽深在800~950 nm之间时，光栅的衍射效率高于70%，TiO2膜层厚度为165 nm，槽深在870~930 nm之间时，衍射效率高于80%。
采用全息光刻-离子束刻蚀结合原子层沉积技术，制作了周期为1020 nm、光栅有效面积大于110×275 mm的棱镜光栅，其实际槽形为梯形，槽深是872 nm，中部占空比为0.42，TiO~膜层厚度为166 nm。实验测量中，为了消除光源波动的影响，采用了双光路测试法进行衍射效率测量，在2.275~2.325μm波段，一级衍射效率大于70%。该棱镜光栅后续将应用于星载甲烷成像光谱仪。
团队介绍
苏州大学光电科学与工程学院刘全团队主要从事微纳光学和衍射光学、光谱仪器及关键器件、增强现实光子器件、微纳制造技术的研究工作，面向国家重大战略和地方经济社会发展对衍射光学元件和光谱仪器及关键器件的重大需求，突破和解决衍射光学元件制造方向的核心技术。团队主持国家科技重大专项、国家自然科学基金等项目10多项。团队负责研制的可见/近红外凸面闪耀光栅，在整个工作波段0.4~0.9 μm的衍射效率大于50%，已经成功应用于海洋一号C/D卫星（分别于2018年和2020年发射）的定标光谱仪，以及已经成功应用于风云三号G星（2023年4月16日发射）的高精度定标器，均在轨工作正常。光纤光栅相位掩模成果获苏州市科技进步一等奖。
文章信息
刘全, 周能华, 王可欣, 等. 用于星载甲烷成像光谱仪的高衍射效率棱镜光栅（封面文章·特邀）．红外与激光工程, 2025, 54(5): 20250081. DOI: 10.3788/IRLA20250081
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250081（阅读原文）