CN101339300B - 双光束干涉可调增益激光写入滤波方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光束干涉可调增益激光写入滤波装置，其包括分光装置、第一位相调制装置、第二位相调制装置、固定反射装置、可调反射装置、以及可调聚焦物镜。本发明的良好效果在于：实现激光写入光斑横向主瓣宽度和轴向焦深范围可调节写入，在工作过程中根据所需制作元件的结构特点改变横向或轴向光斑强度分布特性，有利于兼顾激光写入品质和写入效率。

Description

双光束干涉可调增益激光写入滤波方法与装置

技术领域

本发明属于微结构光学元件精密制造领域，是一种实现激光写入光斑横向主瓣宽度和轴向焦深范围可调的三维激光写入技术。

背景技术

激光写入技术的本质是通过激光光束聚焦实现对图形或数据记录，从而制作出微结构光学元件。激光写入光斑的横向主瓣宽度和轴向焦深是激光写入的重要技术参数，横向主瓣宽度影响刻蚀线宽，轴向焦深影响刻蚀深度。横向主瓣宽度的调制可以分为超分辨(主瓣宽度小于爱里斑，旁瓣强度增强)和切趾(主瓣宽度大于爱里斑，旁瓣强度减弱)两种类型，通常采用横向增益参数G_T表示横向主瓣宽度特性，G_T＞1表示具有超分辨特性，G_T＜1表示具有切趾特性，G_T＝1则为爱里斑分布；轴向焦深特性通常用轴向增益参数G_A表示，G_A＞1表示具有轴向超分辨特性，G_A＜1表示具有轴向焦深延长特性，G_A＝1表示具有爱里斑分布特性。

在激光写入技术中，目前普遍采用光瞳滤波调制焦平面光斑复振幅分布计算模型如公式(1)所示，

$U(v,u)=2{\∫}_0^{1}P\left(r\right)J_0\left(\mathrm{vr}\right)\exp ({\mathrm{jur}}^2/2)\mathrm{rdr}---(1-1)$

其中，v＝kNAr，表示光斑径向坐标，k为波数，NA为物镜数值孔径，

u＝kNA²z，z为以焦点为原点的轴向坐标，r为物镜归一化光瞳半径，

P(r)＝A(r)exp(jφ(r))为归一化光瞳函数。

在激光写入技术领域中，依据改变光瞳滤波器透过率函数A(r)和位相函数φ(r)的技术途径，实现激光写入光斑尺寸调制或轴向焦深调制，用于实现光学调制的元件叫光学滤波器。改变透过率函数A(r)的方法称为振幅调制法，改变位相函数φ(r)的方法称为位相调制法，复合改变A(r)和φ(r)的方法称为复振幅调制方法。

横向增益参数G_T计算公式为： $G_T=2\frac{\mathrm{Re}\left(I_0{I}_1^{*}\right)-u_F\mathrm{Im}\left(I_0^{*}{I}_2\right)}{{\left|I_0\right|}^2-\frac{u_F}{2}\mathrm{Im}\left(I_0^{*}{I}_1\right)}---(1-2)$

轴向增益参数G_A计算公式为： $G_A=12\frac{\mathrm{Re}\left(I_0{I}_1^{*}\right)-{\left|I_1\right|}^2}{{\left|I_0\right|}^2-\frac{u_F}{2}\mathrm{Im}\left(I_0^{*}{I}_1\right)}---(1-3)$

横向光斑强度分布： $I_T={\left|I_0\right|}^2-\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(I_0{I}_1^{*}\right)v^2$

轴向光斑强度分布： $I_A={\left|I_0\right|}^2-\mathrm{Im}\left(I_0{I}_1^{*}\right)u-\frac{1}{4}[\mathrm{Re}\left(I_0{I}_2^{*}\right)-{\left|I_1\right|}^2]u^2$

其中，

$I_n={\∫}_0^{1}P\left(r\right)r^{2n+1}\mathrm{dr},n=\mathrm{0,1,2}$

$u_F=-2\frac{\mathrm{Im}\left(I_0^{*}{I}_1\right)}{\mathrm{Re}\left(I_2^{*}{I}_0\right)-{\left|I_1\right|}^2}$

现有滤波方法的技术特点是，当滤波器元件参数制作完成后，激光写入光斑的横向和轴向强度分布特性为固定模式，应用过程中不能改变线宽和焦深范围。

在激光写入滤波技术方面，目前检索到的技术主要是通过振幅、位相或复振幅滤波器实现横向、轴向强度分布调制，这些技术采用光束拦截或吸收的方法实现振幅透过率调制，此时易产生杂散光，影响写入光斑品质。

2006.6日本公开专利(JP2005173581A)公开一种在全息技术领域的图象生成方法，采用双位相板生成全息图像。本发明所述技术与其区别在于，本技术应用在三维激光写入技术领域，采用双位相调制技术不仅改变聚焦平面内的光斑强度分布，而且可以实现连续调节，装置具有偏振态和分支光路光强一致性监测，以及写入光束与离焦检测光束合成、分离等功能。

发明内容

本发明目的在于提供一种可连续改变三维激光写入光斑尺度，即横向主瓣宽度和轴向焦深范围的激光写入滤波装置。

按照本发明的一种双光束干涉可调增益激光写入滤波装置，其包括：

分光装置，用于将入射的光分解为等能量且相互正交的第一反射光束和第一透射光束；

第一位相调制装置，用于对第一反射光束进行调制，使其具有第一位相调制装置的相位信息；

第二位相调制装置，用于对第一透射光束进行调制，使其具有第二位相调制装置的相位信息；

固定反射装置，设置于第二位相调制装置所在光路，用于将第一透射光束反射回分光装置；

可调反射装置，设置于第一位相调制装置所在光路，用于将第一反射光束反射回分光装置，并且通过调整可调反射装置与第一位相调制装置的距离，调整第一透射光束与第一反射光束的初始相位差，以及连续调整激光写入光斑的横向线宽以及激光写入光斑的轴向焦深；以及，

可调聚焦物镜，接收由分光装置合成的第一反射光束和第一透射光束，并将第一反射光束和第一透射光束聚焦至直写平面，形成激光写入光斑；其中，通过调节聚焦物镜在光传播方向的位置，实现激光写入光斑聚焦瞄准。

按照本发明，所述双光束干涉可调增益激光写入滤波方法包括以下步骤：

a)将一入射平面波分解为第一反射光束和第一透射光束；

b)将所述第一反射光束和第一透射光束的初始位相差设定为所述入射平面波的波长的整数倍；

c)令第一反射光束通过具有第一相位信息的第一位相调制板形成第一调制反射光束，再令第一透射光束通过具有第二相位信息的第二位相调制板形成第一调制透射光束，此后令第一调制反射光束与第一调制透射光束会聚形成激光写入光束，其中，所述第一位相调制板和第二位相调制板的结构根据以下步骤确定：

c1)根据超分辨调制理论、切趾调制理论和焦深扩展理论及设计要求，通过优化计算确定在不加入第一、第二位相调制板情况下，由第一反射光束和第一透射光束之间光程差引入的位相差的改变量为零时的归一化光瞳函数参数；

c2)由归一化光瞳函数参数，确定第一位相调制板位相调制函数和第二位相调制板位相调制函数；

c3)根据第一位相调制板位相调制函数和第二位相调制板位相调制函数确定第一位相调制板和第二位相调制板的结构；

d)将一个激光写入离焦检测光束与所述激光写入光束合成为共口径光束，以使离焦检测光斑与激光写入光斑重合；以及，

e)调节第一反射光束和第一透射光束之间光程差引入的位相差的改变量，从而实现激光写入光斑横向和轴向强度分布的连续调节。

进一步的，上述方法还包括检测第一反射光束和第一透射光束偏振方向一致性的步骤，还包括如两者偏振方向不一致，调整两者偏振方向以令其一致的步骤。

进一步的，上述方法还包括检测第一反射光束和第一透射光束光束强度一致性的步骤，还包括如两者光束强度不一致，调整两者光束强度以令其一致的步骤。

本发明的良好效果在于：实现激光写入光斑横向主瓣宽度和轴向焦深范围可调节写入，在工作过程中根据所需制作元件的结构特点改变横向或轴向光斑强度分布特性，有利于兼顾激光写入品质和写入效率。

附图说明

图1为本发明所述双光束干涉可调增益激光写入滤波装置原理示意图；

图2为本发明利用CCD探测器探测干涉图样从而调整初始位相差的示意图；

图3为横向增益因子调节变化曲线图；

图4为轴向增益因子调节变化曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及一种双光束干涉可调增益激光写入滤波装置100，包括分光装置4，第一位相调制装置5，第二位相调制装置6，可调反射装置7，固定反射装置9，以及可调聚焦物镜14；

其中，分光装置4可以是分光镜，用于将入射的光分解为等能量且相互正交的第一反射光束L1和第一透射光束L2；入射光的最好是近似的平面波，其可以通过由激光器1、光调制器2和扩束器3组成的平面波发生器形成，其中，光调制器2可以是声光调制器。

第一位相调制装置5可以是位相板，用于对第一反射光束L1进行调制，使其具有第一位相调制装置5的相位信息；

第二位相调制装置6可以是位相板，用于对第一透射光束L2进行调制，使其具有第二位相调制装置6的相位信息；

固定反射装置9可以是反射镜，其设置于第二位相调制装置6所在光路，用于将第一透射光束L2反射回分光装置4；

可调反射装置7可以由第一闭环微驱动平台81和设置于闭环微驱动平台反射镜组成，设置于第一位相调制板所在光路，用于将第一反射光束反射回分光装置4，并且通过调整可调反射装置与第一位相调制装置5的距离，调整第一透射光束与第一反射光束的初始相位差，连续调整激光写入光斑的横向线宽以及激光写入光斑的轴向焦深。

可调聚焦物镜14，接收由分光镜合成的第一反射光束L1和第一透射光束L2，并将第一反射光束L1和第一透射光束L2聚焦至直写平面P1，形成激光写入光斑；其中，通过调节聚焦物镜14在光传播方向的位置，实现激光写入光斑聚焦瞄准。

本发明提供了一种双光束干涉可调增益激光写入滤波方法，下面通过具体实施方式作进一步说明。

本发明的方法第一种具体实施方式包括以下步骤，其中：

第一步是将一入射平面波分解为第一反射光束L1和第一透射光束L2，该入射平面波可以是通过一个平面波发生装置产生的，该平面波发生装置可以如图1所示包括激光器1、光调制器2和扩束器3，其中，光调制器2可以是声光调制器或磁光调制器；激光器1发出光束进入光调制器2，由光调制器2控制激光写入光束功率或实现写入光束通/断控制，光调制器2出射光束，经过扩束器3的括束作用成为近似平面波。对平面波的分解可以通过第一分光装置4实现，这样的第一分光装置可以是如图1的分光镜，其通过反射和透射作用将一个平面波分解为具有相同偏振态的且能量相同的一个反射光束和一个透射光束，即第一反射光束L1和第一透射光束L2。

第二步是将第一反射光束与第一透射光束的初始相位差设定为入射的平面波波长的整数倍；这可以通过在第一反射光束L1以及第一透射光束L2的光路上分别设置第一反射镜7和第二反射镜9，从而令第一反射光束L1以及第一透射光束L2反射回第一分光装置4，在第一分光装置4中，这次，是第一透射光束被分光镜反射而第一反射光束被分光镜透射，分别形成第二反射光束L3和第二透射光束L4；如图2所示，再通过一个聚焦物镜14令第二反射光束和第二透射光束在第二CCD探测器16上聚焦，观测光斑的干涉图样，再调整第一反射镜7、的位置，来实现对第二反射光束L3和第二透射光束L4的初始位相差为波长整数倍的调整。对第一射镜的调整可以通过在反射镜上设置闭环微驱动器8实现，闭环微驱动器是一种可进行精确定位的装置。

此后，第三步为在第一分光装置4与第一反射镜之间设置第一位相调制装置5，在第一分光装置与第二反射镜之间设置第二位相调制装置6，令第一反射光束L1透过第一位相调制装置5，通过第一反射镜7反射再次透过第一位相调制装置5，返回第一分光装置，这样，使第一反射光束具有了第一位相调制装置5的相位信息；同理，令第一透射光束L2透过第二位相调制板6，通过第二反射镜再次透过第二位相调制装置，从而使第一透射光束具有第二位相调制装置6的位相信息。在这里，第一位相调制装置5和第二位相调制装置6的位相调制函数

和

应满足以下关系：

其中，第一、第二位相调制装置5、6的结构可由以下步骤得到：

首先，根据超分辨调制理论、切趾调制理论和焦深扩展理论及设计要求，通过优化计算确定在不加入第一、第二位相板情况下，由第一分支光束和第二分支光束之间光程差引入的位相差的改变量δ_M为零时的归一化光瞳函数参数P₀(r)；如在三区等宽环带滤波器中，其P₀(r)如表1所示：

表1

其次，由归一化光瞳函数参数P₀(r)，依照原理：

a)设光振动方向为y方向。将准直后的激光光束近似为平面波，则第一、第二分支光束达到聚焦物镜15前的琼斯矢量可以分别表示为

r是光瞳归一化半径。则公式(2)(3)所表示的经过调制的第一、第二分支光束经过聚焦物镜后的归一化光斑复振幅琼斯矢量如下

由指数函数与三角函数关系可知，

e^i·θ＝cosθ+i·sinθ(5)

则，

$E=\left[\begin{array}{c}0\\ 2{\∫}_0^1\cos \left(\mathrm{\α}\left(r\right)\right)\·e^{i\·\mathrm{\β}\left(r\right)}{J}_0\left(\mathrm{vr}\right)\exp (i\·{\mathrm{ur}}^2/2)\mathrm{rdr}\end{array}\right]---\left(6\right)$

其中，

求解公式(7)所示二元方程，获得

和

与公式(1)比较，cos(α(r))等价于传统透过率函数A(r)，β(r)等价于φ(r)，cos(α(r))·e^i·β(r)等价于P(r)。

同样，针对三区等宽环带滤波器中，其

和

如表1所示；

最后，根据的得出的

和

根据以下关系确定第一、第二位相装置5、6的结构参数。

和

与第一、第二位相板刻蚀深度结构参数间关系为：

或

其中：

d：基底材料厚度：

n：基底材料折射率：

Ed(r)：第一或第二位相板刻蚀深度；

λ：激光写入光束波长。

完成上述第一至三步后，在第一分光装置4的光束出射端设置一个二向色镜13，二向色镜13的作用是将一激光写入离焦检测光束L5与由第二反射光束L3、第二透射光束L4构成的激光写入光束L合成为共口径光束，目的是使离焦检测光斑与激光写入光斑重合。二向色镜13将激光写入离焦检测光束L5反射进入聚焦物镜14，与写入光束L共同聚焦于写入平面P1。

离焦检测光束L5由另外一个独立于激光写入光路之外的离焦检测系统17发出，该离焦检测系统17用于离焦检测系统17还能够真实反映激光写入光斑的聚焦情况。

在完成上述步骤后，载有第一位相调制装置5和第二位相调制装置6所记录的不同的位相调制信息的第二反射光束L3和第二透射光束L4经过聚焦物镜14，在写入平面P1干涉，产生所期望的三维写入光斑强度分布，调节第一闭环微驱动器81改变调节因子的值可以实现写入光斑横向和轴向强度分布的连续调节。直写光斑在焦平面上的振幅分布遵循公式(1)的模型。

本发明的方法最后一步为，在完成上述步骤后：调节δ_M第一反射光束和第一透射光束之间光程差引入的位相差的改变量，从而实现激光写入光斑横向和轴向强度分布的连续调节。由公式(7)和公式(1-1)可知，改变δ_M则系统光瞳函数P(r)随之变化，由公式(1-2)和(1-3)可以计算给定δ_M下的Gt、Ga值。第一、第二位相板为表1所示参数时，调节δ_M，Gt、Ga变化曲线如附图2、3所示，Gt＞1表明具有超分辨特性、Ga＜1表明具有焦深延长特性。

位相差的改变量δ_M是通过调整第一反射镜光路中的位置，即相对于第一分光装置的距离实现的，第一反射镜调整可以通过在第一设置闭环微驱动器81来改变其在光路上的位置。

在上述步骤中，可以通过设置第二分光镜10，检偏器11，由第一CCD探测器12接收。分别在第一反射镜7或第二反射镜9处遮挡光束，通过旋转检偏器11可以监测第一分支光束或第二分支光束的偏振方向一致性，为光学系统调整提供辅助检测手段；

用第一CCD探测器12分别观测经第二分光镜10反射的第二反射光束和第二透射光束可以监测两光束强度一致性，为获得良好的光束干涉合成超分辨滤波效果提供辅助检测手段。

Claims (4)

1.一种双光束干涉可调增益激光写入滤波装置，其包括：

分光装置，用于将入射的光分解为等能量且相互正交的第一反射光束和第一透射光束；

第一位相调制装置，用于对第一反射光束进行调制，使其具有第一位相调制装置的相位信息；

第二位相调制装置，用于对第一透射光束进行调制，使其具有第二位相调制装置的相位信息；

固定反射装置，设置于第二位相调制装置所在光路，用于将第一透射光束反射回分光装置；

可调反射装置，设置于第一位相调制装置所在光路，用于将第一反射光束反射回分光装置，并且通过调整可调反射装置与第一位相调制装置的距离，调整第一透射光束与第一反射光束的初始相位差，以及连续调整激光写入光斑的横向线宽以及激光写入光斑的轴向焦深；

可调聚焦物镜，接收由分光装置合成的第一反射光束和第一透射光束，并将第一反射光束和第一透射光束聚焦至直写平面，形成激光写入光斑；其中，通过调节聚焦物镜在光传播方向的位置，实现激光写入光斑聚焦瞄准。

2.一种双光束干涉可调增益激光写入滤波方法，包括以下步骤：

a)将一入射平面波分解为第一反射光束和第一透射光束；

b)将所述第一反射光束和第一透射光束的初始位相差设定为所述入射平面波的波长的整数倍；

c)令第一反射光束通过具有第一相位信息的第一位相调制板形成第一调制反射光束，再令第一透射光束通过具有第二相位信息的第二位相调制板形成第一调制透射光束，此后令第一调制反射光束与第一调制透射光束会聚形成激光写入光束，其中，所述第一位相调制板和第二位相调制板的结构根据以下步骤确定：

c1)根据超分辨调制理论、切趾调制理论和焦深扩展理论及设计要求，通过优化计算确定在不加入第一、第二位相调制板情况下，由第一反射光束和第一透射光束之间光程差引入的位相差的改变量为零时的归一化光瞳函数参数；

c2)由归一化光瞳函数参数，确定第一位相调制板位相调制函数和第二位相调制板位相调制函数；

c3)根据第一位相调制板位相调制函数和第二位相调制板位相调制函数确定第一位相调制板和第二位相调制板的结构；

d)将一个激光写入离焦检测光束与所述激光写入光束合成为共口径光束，以使离焦检测光斑与激光写入光斑重合；以及，

e)调节第一反射光束和第一透射光束之间光程差引入的位相差的改变量，从而实现激光写入光斑横向和轴向强度分布的连续调节。

3.根据权利要求2所述双光束干涉可调增益激光写入滤波方法，其特征在于：还包括检测并调整第一反射光束和第一透射光束偏振方向一致性的步骤。

4.根据权利要求2所述双光束干涉可调增益激光写入滤波方法，其特征在于：还包括检测并调整第一反射光束和第一透射光束的光束强度一致性的步骤。

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