CN101840193A - 一种制作全息光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在有像差光栅基底上制作低衍射波像差光栅的方法。由一平行光记录光束和另一波面可调的平行光记录光束组成全息干涉记录光场，在全息记录基板上进行全息曝光，经显影后，获得所需光栅。其特征在于：在其中一束记录光束的发散光路中放入一个变形镜，通过控制变形镜，获得用于补偿全息光栅基底像差的全息记录干涉光场。在此过程中，由变形镜、变形镜控制器与干涉仪三者构成全息记录干涉光场的闭环控制和检测系统；利用经过上述对变形镜调整后获得的全息干涉记录光场对涂有感光材料的全息记录基板曝光，记录全息光栅，经显影，完成所需低衍射像差光栅的制作。

Description

一种制作全息光栅的方法

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件的制备方法，具体涉及在有像差大尺寸光学基底上制备低衍射波像差的全息光栅。

背景技术

大尺寸一维平面衍射光栅是许多大型高科技工程项目的关键元件。为满足激光惯性约束核聚变系统对激光能量技术指标的要求，衍射光栅必须做到大尺寸、低衍射像差。光栅制作系统通常由全息光学系统和记录基底两部分构成，全息光学系统用于产生全息记录干涉光场，记录基底上则涂有感光材料，通过干涉形成的干涉条纹被感光材料记录，再通过后处理获得衍射光栅。全息技术是制造大尺寸衍射光栅的十分重要技术手段，而全息光栅的衍射波像差主要由全息记录光学系统像差和光栅基底的面形决定。

目前加工大尺寸低像差光栅基底十分困难，对于尺寸达到300mm以上的光栅基底尤其如此。对需要镀多层介质膜的光学基底，镀膜后基底像差易进一步恶化，给制作低衍射波像差全息光栅带来很大困难。在现有光学基片加工、镀膜以及全息光学记录等工艺环节的技术水平下，要制造米级尺度光栅，并实现其衍射波像差指标低于0.1波长非常困难。

发明内容

本发明目的是提供一种在有像差光栅基底上完成低衍射波像差全息光栅制作的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

按附图1构建全息光学记录系统。由一平行光记录光束和另一波面可调的平行光记录光束组成全息干涉记录光场，在有像差光栅基底上进行全息记录，获得低衍射波像差全息光栅。其中波面可调的平行光记录光束是通过在光路中置入一变形镜实现。制作过程包括以下步骤：

(1)用干涉仪检测全息光栅基底的面形，获取全息光栅基底的像差分布数据；在此有像差的大尺寸全息光栅基底上涂布光刻胶，制成全息记录基板。

(2)根据全息光栅基底像差分布数据，由全息光栅衍射波像差计算公式，求出使光栅衍射波像差为零时，所需要的全息记录干涉光场波面数据，并求出可调平行光的波面数据，以及变形镜的目标面形数据。

(3)为得到步骤(2)所确定的变形镜的目标面形，调节变形镜控制器，并用干涉仪对变形镜的面形进行实时检测，当检测到的变形镜面形数据与步骤(2)所确定的变形镜的目标面形相一致时，调节过程完毕。此时亦得到了所需的全息记录干涉光场。所述变形镜、变形镜控制器与干涉仪三者之间构成全息记录干涉光场的闭环控制和检测系统，是实现波面可调的平行光记录光束以及实现可控全息干涉记录光场的技术手段。

(4)利用经过上述变形镜调整后获得的全息记录干涉光场对全息记录基板实施全息曝光，经显影，完成低衍射波像差全息光栅的制作。

上述方法基于的工作原理是：

全息光栅的衍射波像差产生于光栅制作系统。光栅制作系统由产生全息记录干涉光场的全息光学系统以及光栅基底两部分组成，光栅的衍射波像差包含了全息光学系统的像差以及记录基底的像差，是二者综合的结果。光栅衍射波像差W的数学表达式可表示为：

W＝f(w₁，w₂)    (1)

其中w₂为光栅基底的像差，w₁为全息光学记录系统的像差，是全息记录干涉光场波面的表征。w₁由两束记录光束的波面确定，其可以表示为：

其中

为记录光束1的波面，

为记录光束2的波面。

公式(1)表明：当w₂不为零时，可以通过改变w₁，使W趋于零。

像差补偿原理如下：

波像差为零的两束平行光波相干涉将形成平行的等间距直条纹，由此记录的光栅栅线平行且等间距；当用有波像差的干涉光波进行全息记录时，制作出的光栅栅线将发生弯曲，栅线将产生横向位移(如附图3所示)，横向位移量OE(设为x)正比于记录光波的波像差。设此有像差记录基底的面形为h(图A所示h＝BE)，平行光RR’以α角由空气入射至该光栅，衍射角为β的反射衍射光SS’的与入射光相比对应产生的光程差为：

Δl＝AB-BC

(2)

相应的衍射波像差为：

$W=\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\λ}}$

λ为检测波长。入射角α与衍射角β之间满足光栅方程：

d·(sinα+sinβ)＝mλ

d为光栅常数，m为衍射级次。由(2)式可知，当AB＝BC时衍射波像差将为零。此时栅线的横向位移量x与记录基底面形h将满足以下关系式：

$x=h\·\mathrm{ctg}\left(\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}\right)---\left(3\right)$

设两束记录光波(波长为λ₀)对称入射至基底，入射角为θ₀，则横向位移量x与记录光波的波像差w₁的对应关系为：

$w_1=\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_0/\left(2\sin {\mathrm{\θ}}_0\right)}$

(4)

本方法中，记录光波的波像差由变形镜产生。设记录光波主光线与变形镜的法

线夹角为θ，则其变形量s与记录光波的波像差w₁的对应关系为：

$w_1=\frac{2s\cos \mathrm{\θ}}{{\mathrm{\λ}}_0}$

(5)

由(3)～(5)式可得，当变形镜的变形量s与记录基底面形h满足以下关系式：

$s=h\·\frac{\sin {\mathrm{\θ}}_0}{\cos \mathrm{\θ}}\·\mathrm{ctg}\left(\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}\right)---\left(6\right)$

时，光栅的衍射波像差为零，即实现像差补偿。

上述技术方案中，通过在全息记录光学系统的一支记录光路中置入一块变形镜，构成了干涉光场可以控制和调节的主动交互式全息记录光学系统，使其完全有别于普通全息记录光学系统，这种主动交互式全息记录光学系统提供像差w1可控的干涉光场，为零衍射波像差全息光栅的制作提供了技术保障。

全息记录干涉光场的控制原理如下：

变形镜是由一块反射镜及反射镜背面的促动器组成，是一个位相器件。通过调节促动器，可以使反射镜的面形发生变化。由光线追迹可知，当一束光波经变形镜反射后，由于反射镜的面形变化，反射光波将产生附加光程差，由此将造成反射光波波面位相发生相应改变。当此反射光波是参与全息记录的两束光波之一时，全息干涉光场亦将发生相应改变。全息记录干涉光场的控制是通过调节变形镜的促动器实现的。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明在全息光学记录系统中加入了变形镜。变形镜放置于发散光路中，变形镜尺寸可远小于记录光束的尺寸，降低了变形镜的制造难度和制造成本。在变形镜的法线方向放置干涉仪，既可检测其面形，又确保了检测光路不干扰全息记录光束。通过变形镜可以实现对全息记录干涉光场的调节，并利用可调控的全息记录干涉光场波面对光栅基底的像差进行补偿，最终实现低衍射波像差全息光栅的制作。

2.光学基片外形尺寸增加时，如果要求加工的面形优于0.1波长，光学基片的加工难度以及加工的成本将随之增加。在面形不理想并且面形情况各异的大尺寸光学基底上用普通的全息干涉光学系统制作光栅，其衍射波像差将很难满足使用要求。本发明放宽了对大尺寸光学基片面形的要求，降低加工难度和加工成本，同时降低了大尺寸低衍射像差光栅制作难度以及制作成本。

附图说明

图1是实施例一中低衍射波像差光栅制作系统的示意图。

图2是实施例一中低衍射波像差光栅制作技术路线框图。

图3是像差补偿原理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

用普通全息记录方法与用本发明方法制作的大尺寸光栅衍射波像差之间的比较。

采用普通全息记录方法制作尺寸为200mm×400mm的一维全息光栅，光栅空间频率为1740lp/mm。记录波长为413.1nm，两束记录光为平行光，入射角均为21°，两束记录光波没有像差。假定涂有光刻胶的光栅基底面形为0.5波长(检测波长为632.8nm)，在该基底上进行全息曝光，制成全息光栅。当一束平行光以Littrow角(即入射角等于光栅的一级衍射角，入射角为33.4°)入射至该全息光栅时，由全息光栅衍射波像差计算，可得此时光栅的衍射波像差为0.84波长(检测波长为632.8nm)。

采用本发明提出的低衍射波像差全息光栅的制作方法，参见附图1光路，全息光学记录系统由两平面波记录光束干涉形成的光场构成。在记录光束1的发散光路中置入了变形镜，在变形镜的法线方向放置干涉仪，检测其面形。

在尺寸为200mm×400mm、面形不理想的光栅基底上制作空间频率为1740lp/mm低衍射波像差一维全息光栅。平行光以Littrow角入射至该全息光栅，用干涉仪检测其一级衍射光波面(检测波长为632.8nm)，获取该全息光栅的衍射波像差数值。低衍射波像差全息光栅制作实施步骤和方法如下：

1、用大口径干涉仪检测全息光栅基底的面形，获取全息光栅基底的像差分布数据；在光栅基底上均匀涂布光刻胶，制得全息记录基板。

2、按附图1构建全息光学系统。调节光路，使记录光束1和2在全息记录基板上的入射角均为21°；变形镜的法线与记录光束1的主光线夹角亦为21°；在变形镜法线方向上放置干涉仪。

3、根据全息光栅基底面形数据，对全息记录光学系统开展空间光线的光程差计算，求得补偿光栅基底像差w₂所需的全息干涉记录光场的波面w₁，进而推导出与w₁相应的变形镜的面形。计算获知变形镜面形的最大变形量为0.3波长(检测波长为632.8nm)。

4、借助干涉仪调节变形镜促动器，由干涉仪检测变形镜的面形，使其面形达到步骤3的要求。

5、进行全息曝光，经显影，制作出低衍射像差全息光栅。

按上述步骤制作的全息光栅衍射波像差理论值应为零。与普通方法制作的全息光栅相比，在衍射波像差方面有明显提高。

Claims (1)

1.一种制作全息光栅的方法，由一平行光记录光束和另一波面可调的平行光记录光束组成全息干涉记录光场，在有像差光栅基底上进行全息记录，获得低衍射波像差全息光栅，特征在于：在其中一支记录光束的光路中置入一块可变形反射镜，构成波面可调光路，通过干涉仪检测变形镜面形，变形镜控制器控制和调节变形镜的面形，实现记录光波面的控制，获得可控的全息干涉记录光场；

制作方法包括如下步骤：

(1)用干涉仪检测全息光栅基底的面形，获取全息光栅基底的像差分布数据；在此有像差的全息光栅基底上涂布光刻胶，制成全息记录基板；

(2)根据全息光栅基底像差分布数据，由全息光栅衍射波像差计算公式，求出使光栅衍射波像差为零时，所需要的全息记录干涉光场波面数据，并求出可调平行光的波面数据，以及变形镜的目标面形数据；

(3)用干涉仪检测变形镜的面形，获得变形镜的面形数据，根据面形数据，调节变形镜的控制器，直至变形镜达到目标面形；所述变形镜、变形镜控制器与干涉仪三者之间构成全息记录干涉光场的闭环控制和检测系统；

(4)利用经过上述变形镜调整后获得的全息记录干涉光场对全息记录干板曝光，进行全息记录，经显影，完成低衍射波像差全息光栅的制作。

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