CN102248284B - 光栅高速直写装置 - Google Patents

Abstract

一种光栅高速直写装置，其构成包括刻写光源、光束偏转器、fθ透镜组、离焦检测模块、光谱分光镜、调焦位移器、物镜、待刻样品、二维样品台和总控制器，本发明具有刻写速度快、面积大、可控性好的特点，能直接刻写出变占空比、变强度分布的一维光栅，具有广泛的用途。

Description

光栅高速直写装置

技术领域

本发明涉及光栅，特别是一种光栅高速直写装置。 

背景技术

光栅是一种重要的光学元件，可在光谱分析、物理学、天文学、化学、生物医学、光通讯等诸多领域发挥重要作用。近些年来，随着光学理论和微纳加工技术的发展，各种非简单周期结构的光栅逐渐被设计出来，并获得了广泛应用，如达曼光栅、闪耀光栅、复周期光栅等，这些光栅不同于一般的正弦或1∶1矩形光栅，其周期内的结构较为复杂，而有些甚至不是周期性结构。而传统的光栅加工方式是全息曝光或机械刻划，前者只能加工周期性光栅，对非周期的复杂光栅无能为力，后者加工精度低、加工速度慢，无法满足实际应用需要。在先技术中，发明专利“用激光直写装置制造光栅的方法”(公开号CN 1424594A)提出了一种用激光直写装置来刻写光栅的方法，该方法解决了复杂非周期光栅的刻写问题，并简化了制造光栅的硬件工序，具有一定的实用性，然而并未解决光栅刻写速度过慢的问题，以光栅密度为1000线/mm，直写装置刻划速度为0.5线/s计，加工单片100mm×100mm的光栅消耗的时间将高达55.6小时，这是难以忍受的，过长的加工时间不仅导致加工成本剧增，而且带来热漂移、激光器寿命等诸多技术问题，所以这种方法仅适合加工低密度、小范围的光栅。 

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供了一种光栅高速直写装置，该装置能高速刻写具有复杂一维结构分布的光栅，同时具备科研和生产两方面的用途，具有较高的实用价值。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种光栅高速直写装置，特点征在于其构成包括刻写光源、光束偏转器、fθ透镜组、离焦检测模块、光谱分光镜、调焦位移器、物镜、待刻样品、二维样品台和总控制器，上述元部件的位置关系如下： 

所述的刻写光源发出的刻写光束被光束偏转器反射后，经所述的fθ透镜组被所述的光谱分光镜反射，最后经所述的物镜会聚在位于二维样品台上的待刻样品的表面；所述的离焦检测模块发出的调焦光束透过所述的光谱分光镜，经所述的物镜会聚在待刻样品表面，其反射光由原路返回，所述的总控制器分别与所述的刻写光源、光束偏转器、离焦检测模块、调焦执行器、二维样品台相连； 

所述的光谱分光镜与所述的刻写光束的主轴及所述的调焦光束的主轴均成45°夹角； 

所述的调焦位移器与所述的物镜相连，所述的离焦检测模块根据调焦光束的返回光计算所述的物镜离焦量并输入所述的总控制器，该总控制器根据所述的离焦检测模块输入的离焦量向所述的调焦位移器输出相应的反馈信号控制所述的调焦位移器的运动，使待刻样品表面始终位于所述的物镜的焦深范围； 

所述的光束偏转器由反射镜和旋转驱动器组成，其旋转轴与反射镜的反射面平行，该反射面与所述的刻写光束所在的平面垂直，所述的光束偏转器的转轴与二维样品台的Y轴平行而垂直于X轴；所述的总控制器根据待刻的光栅结构向所述的光束偏转器的旋转驱动器发出偏转驱动信号，在旋转驱动器的驱动下所述的反射面绕旋转驱动器的转轴作往复 的偏转运动； 

所述的fθ透镜组与刻写光束共光轴； 

所述的二维样品台具有沿其X轴和Y轴的运动机构，在所述的总控制器的控制下该二维样品台带动位于其上的待刻样品沿X、Y方向高精度运动。 

所述的刻写光源为直接内调制的半导体激光器，或气体激光器和外部光强调制器件构成的光源，或固体激光器和外部光强调制部件构成的光源，所述的外部光强调制部件为声光调制器、或电光调制器。 

所述的离焦检测模块是象散法离焦检测、刀口法离焦检测、或二象限离焦检测模块。 

所述的所述二维位移平台是直线电机、步进电机、直流电机、或交流变频电机所驱动的二维直线平台。 

所述的光束偏转器为高速光束偏转器，该高速光束偏转器的旋转驱动器为振镜电机、音圈电机或、压电陶瓷驱动器。 

刻写光源发出的平行刻写激光束，经光束偏转器反射后，进入fθ透镜组，被光谱分光镜反射后进入物镜，并最终会聚在样品表面对样品进行刻写。离焦检测模块位于光谱分光镜的另一侧，其发出的光束透过光谱分光镜，并进入物镜，到达待刻样品表面后被反射，反射光沿原路返回，离焦检测模块接收该信号并据其计算离焦量。调焦位移器连接在物镜上，可驱动物镜沿Z方向微动进行调焦；待刻样品位于二维样品台上。总控制器分别与离焦检测模块、调焦位移器、光源模块、光束偏转器、二维样品台相连，主要完成两方面任务： 

一是根据离焦检测模块得到的离焦信息，反馈控制调焦位移器的伸长量，使得在刻写过程中样品表面始终位于物镜的焦深范围以内； 

二是在刻写过程中，向光源模块和光束偏转器同步发送调制信号和 偏转信号，并控制二维样品台匀速运动，在样品表面刻写下所需预期图形。在实际刻写光栅过程中，主控制器向光束偏转器发送高速偏转信号，并同步向刻写光源发送激光脉冲调制信号，这样光束偏转器每偏转一次，激光束即在样品的X方向上刻写出一排按照预先设定分布的小点；与此同时，二维样品台带动待刻样品在Y方向上低速移动，于是一排小点就如一把梳子划过样品，在样品上刻写出多条线条，形成大范围分布的光栅结构。 

本发明的有益效果如下； 

与现有技术相比，本发明采用了高速光束偏转器控制光束的偏转，使得在二维样品台一次位移过程中，系统不再仅仅在样品上刻写一条线条，而是刻写下了一排线条，这样极大地加快了刻写速度，提高了装置的实用性；与此同时，通过调整总控制器发送给刻写光源的光脉冲调制信号的形状，可以非常方便地调节需要刻写的光栅的形貌，继而刻写出各种特殊分布和非周期分布的光栅。 

实验表明，本发明具有刻写速度快、面积大、可控性好的特点，能直接刻写出变占空比、变强度分布的一维光栅，具有广泛的用途。 

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。 

图2为本发明刻写占空比为2∶3的光栅的信号示意图。 

图3为本发明刻写闪耀光栅的信号示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。 

先请参阅图1，图1为本发明的总体结构示意图。由图可见，本发明光栅高速直写装置的构成包括刻写光源1、光束偏转器2、fθ透镜组 3、离焦检测模块4、光谱分光镜5、调焦位移器6、物镜7、待刻样品8、二维样品台9和总控制器10，上述元部件的位置关系如下： 

所述的刻写光源1发出的刻写光束被光束偏转器2反射后，经所述的fθ透镜组3被所述的光谱分光镜5反射，最后经所述的物镜7会聚在位于二维样品台9上的待刻样品8的表面；所述的离焦检测模块4发出的调焦光束透过所述的光谱分光镜5，经所述的物镜7会聚在待刻样品8表面，其反射光由原路返回，所述的总控制器10分别与所述的刻写光源1、光束偏转器2、离焦检测模块4、调焦执行器6、二维样品台9相连； 

所述的光谱分光镜5与所述的刻写光束的主轴及所述的调焦光束的主轴均成45°夹角； 

所述的调焦位移器6与所述的物镜7相连，所述的离焦检测模块4根据调焦光束的返同光计算所述的物镜7离焦量并输入所述的总控制器10，该总控制器10根据所述的离焦检测模块4输入的离焦量向所述的调焦位移器6输出相应的反馈信号控制所述的调焦位移器6的运动，使待刻样品8表面始终位于所述的物镜7的焦深范围； 

所述的光束偏转器2由反射镜和旋转驱动器组成，其旋转轴与反射镜的反射面平行，该反射面与所述的刻写光束所在的平面垂直，所述的光束偏转器2的转轴与二维样品台9的Y轴平行而垂直于X轴；所述的总控制器10根据待刻的光栅结构向所述的光束偏转器2的旋转驱动器发出偏转驱动信号，在旋转驱动器的驱动下所述的反射面绕旋转驱动器的转轴作往复的偏转运动； 

所述的fθ透镜组3与刻写光束共光轴； 

所述的二维样品台9具有沿其X轴和Y轴的运动机构，在所述的总控制器10的控制下该二维样品台9带动位于其上的待刻样品8沿X、Y 方向高精度运动。 

刻写光源1发出的刻写光束被光束偏转器2反射后进入fθ透镜组3，之后被光谱分光镜5反射，最后经物镜7会聚在样品表面对样品8进行刻写；离焦检测模块4发出的调焦光束透过光谱分光镜5，经物镜7会聚在待刻样品8表面，反射光由原路返回，离焦检测模块4根据返回光计算离焦量；待刻样品8放置在二维样品台9上，可沿X、Y方向高精度运动；总控制器10与离焦检测模块4、调焦执行器6、刻写光源1、光束偏转器2、二维样品台9相连，同时完成自动聚焦控制和刻写过程同步控制两方面任务。光束偏转器2由反射镜和旋转驱动器组成，其旋转轴与反射面平行，与刻写激光束所在平面垂直；fθ透镜组3光轴与刻写光束主轴平行；光谱分光镜5与刻写光束主轴和调焦光束主轴均成45度夹角；光束偏转器2的转轴与二维样品位移台Y轴平行、X轴垂直。 

本发明的工作过程如下： 

第一步，反馈调焦： 

在样品装夹到二维移动平台9上后，总控制器10根据离焦检测模块4探测到的离焦信号，反馈控制调焦位移器6，使待刻样品8的表面一直处位于物镜7的焦深范围以内。此过程中刻写光束并不打开，但在刻写过程中自动离焦检测模块4一直工作，保证刻写光束对待刻样品8的表面准确聚焦。 

第二步，刻写一帧光栅： 

如图2和图3所示，主控模块10分别向刻写光源1发出光脉冲调制信号、向光束偏转器2发出角度偏转信号，向二维样品台9发出Y方向匀速位移信号，此三信号同步发出。其中光脉冲调制信号与待刻写光栅形貌相关(此问题将稍后描述)，角度偏转信号为周期性锯齿信号。在光束偏转器2的每个偏转周期内，刻写光束都会在样品8表面X方向上刻 写下一排小点，由于样品位移台9在Y方向上匀速位移，所以这一排小点将会在Y方向上连成线，形成光栅。由于每次刻写的一排小点的最大宽度仅为物镜的一个视场，尺寸相对较小，所以这样刻写出的光栅宽度也相对较小，需要进行下一步操作才能实际应用。 

第三步，拼接刻写大范围光栅： 

在完成第二步刻写一帧光栅后，主控制器10控制二维样品台9在X方向移动一帧光栅的宽度的距离，之后控制二维样品台在Y方向反向匀速运动，重复第二步过程，直至完成整片光栅的刻写。 

主控制器10发给刻写光源1的光脉冲调制信号与待刻的光栅的形貌相关，举例来讲，如需要刻写占空比为2∶3的光栅(如图2所示)，则光脉冲调制信号的占空比为2∶3的电信号，这样在光束偏转器2的每次偏转过程中，都会在待刻样品8上刻写下一排占空比为2∶3的小点，随着二维样品台9在Y方向的缓慢移动，这些小点连成线，即刻写出占空比为2∶3的光栅。同样，若需要刻写闪耀光栅(如图3所示)，仅需将光脉冲调制信号更换为锯齿信号即可，非常方便。 

Claims (5)

1.一种光栅高速直写装置，特征在于其构成包括刻写光源(1)、光束偏转器(2)、fθ透镜组(3)、离焦检测模块(4)、光谱分光镜(5)、调焦位移器(6)、物镜(7)、待刻样品(8)、二维样品台(9)和总控制器(10)，上述元部件的位置关系如下：

所述的刻写光源(1)发出的刻写光束被光束偏转器(2)反射后，经所述的fθ透镜组(3)被所述的光谱分光镜(5)反射，最后经所述的物镜(7)会聚在位于二维样品台(9)上的待刻样品(8)的表面；所述的离焦检测模块(4)发出的调焦光束透过所述的光谱分光镜(5)，经所述的物镜(7)会聚在待刻样品(8)表面，其反射光由原路返回，所述的总控制器(10)分别与所述的刻写光源(1)、光束偏转器(2)、离焦检测模块(4)、调焦执行器(6)、二维样品台(9)相连；

所述的光谱分光镜(5)与所述的刻写光束的主轴及所述的调焦光束的主轴均成45°夹角；

所述的调焦位移器(6)与所述的物镜(7)相连，所述的离焦检测模块(4)根据调焦光束的返回光计算所述的物镜(7)离焦量并输入所述的总控制器(10)，该总控制器(10)根据所述的离焦检测模块(4)输入的离焦量向所述的调焦位移器(6)输出相应的反馈信号控制所述的调焦位移器(6)的运动，使待刻样品(8)表面始终位于所述的物镜(7)的焦深范围；

所述的光束偏转器(2)由反射镜和旋转驱动器组成，其旋转轴与反射镜的反射面平行，该反射面与所述的刻写光束所在的平面垂直，所述的光束偏转器(2)的转轴与二维样品台(9)的Y轴平行而垂直于X轴；所述的总控制器(10)根据待刻的光栅结构向所述的光束偏转器(2)的旋转驱动器发出偏转驱动信号，在旋转驱动器的驱动下所述的反射面绕旋转驱动器的转轴作往复的偏转运动；

所述的fθ透镜组(3)与刻写光束共光轴；

所述的二维样品台(9)具有沿其X轴和Y轴的运动机构，在所述的 总控制器(10)的控制下该二维样品台(9)带动位于其其上的待刻样品(8)沿X、Y方向高精度运动。

2.根据权利要求1所述的光栅高速直写装置，其特征在于所述的刻写光源(1)为直接内调制的半导体激光器，或气体激光器和外部光强调制器件构成的光源，或固体激光器和外部光强调制部件构成的光源，所述的外部光强调制部件为声光调制器、或电光调制器。

3.根据权利要求1所述的光栅高速直写装置，其特征在于所述的离焦检测模块(4)是象散法离焦检测、刀口法离焦检测、或二象限离焦检测模块。

4.根据权利要求1所述的光栅高速直写装置，其特征在于所述二维位移平台(9)是直线电机、步进电机、直流电机、或交流变频电机所驱动的二维直线平台。

5.根据权利要求1所述的光栅高速直写装置，其特征在于所述的光束偏转器(2)为高速光束偏转器，该高速光束偏转器的旋转驱动器为振镜电机、音圈电机或、压电陶瓷驱动器。 

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