CN102735190B - 一种用于激光束偏转角的检测装置及检测方法 - Google Patents

一种用于激光束偏转角的检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种激光束偏转角检测装置，沿光轴依次包括：光源，光纤，准直透镜，聚焦透镜，括束透镜，反射面；激光束经反射面反射，沿原路返回，经光纤耦合器耦合，再经分光器件分光到光探测器进行测量。本发明通过激光束在硅片面的反射光耦合进光纤，再通过分束，光功率计探测来检测激光束的偏转角，提高了对激光束偏转角检测的可操作性，降低了对激光束偏转角检测的难度，降低了检测成本，具备较高的检测精度。

Description

一种用于激光束偏转角的检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种用于激光束偏转角的检测装置及检测方法。
背景技术
在现代光电探测系统中，经常对激光束照射到测量目标或物体的表面的偏转角有要求。比如，光刻装置的对准相干成像系统中，照射到硅片标记上的激光束偏转角一般要求不超过200urad，甚至不超过150uard，若超过该指标则降低对准精度。因而需要在对准前测量照射到硅片上的激光束偏转角，以便激光束倾斜调整装置校正激光束偏转角以满足指标。
目前对激光束偏转角的测量主要采用光电探测器，有电荷耦合器件(CCD)和四象限探测器(QD)。电荷耦合器件(CCD)输出的数据虽能直接反应光斑在光敏面上的位置，进而根据其相对光敏面中心的偏移量得出激光束相对于光轴的偏转角；四象限探测器(QD)输出的数据虽能直接反应光斑在光敏面上的位置，进而根据其相对光敏面中心的偏移量得出激光束相对于光轴的偏转角，但是在用四象限探测器探测前需要对四象限探测器与探测面的位置进行标定，常用的标定方法是通过十字标记照射到四象限探测器的GAP区域，通过辨别四个象限输出的电压值来标定。
光刻装置的对准相干成像系统中，照射到硅片标记的激光束60％经硅片反射，40％被硅片吸收，基本无透射。同时硅片距离前组三片镜的距离仅为20mm，空间极有限。因此，上述两种光电探测器存在以下不适用处：
电荷耦合器件(CCD)的像素太多，需要处理的数据量太大，不适合高动态范围的激光束偏转角的测量；
无十字标记来对四象限探测器(QD)与硅片的位置进行标定；
需开发配套电路来采集和处理数据；
无法探测激光束的透射光，同时受空间约束，无法在硅片面上方加入反射镜再引至光电探测器上。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提高对激光束偏转角检测的可操作性，降低对激光束偏转角检测的难度，降低检测成本，提高检测精度。
本发明一种激光束偏转角检测装置，沿光轴依次包括：光源，光纤，准直透镜，聚焦透镜，括束透镜，反射面；激光束经反射面反射，沿原路返回，经光纤耦合器耦合，再经分光器件分光到光探测器进行测量。
其中，所述反射面为反射型相位光栅。
其中，所述分光器件可以是分光棱镜或光纤分束器。
进一步地，光纤耦合效率T与激光束偏转角θ的关系为：
T＝T(Δrf)·T(Δθ)＝exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
其中，θ为激光束照射到反射面上的偏转角；fc为扩束透镜的焦距；Δrf为聚焦透镜产生的反射光偏移；Δθ为聚焦透镜产生的反射光倾斜；d为聚焦透镜至准直透镜的距离；f为聚焦透镜的焦距；d0为进入光纤的激光束的光斑直径；div为进入光纤的激光束的全发散角。
较优地，所述激光器是气体激光器，也可以是固体激光器，或是其他类型激光器。
较优地，所述光纤可以是单模光纤或多模光纤。
一种激光束偏转角检测方法，包括如下步骤：
(a)提供一光源，光源发出的光线经光纤光学组件，扩束透镜，照射到反射面上；
(b)反射光线沿原路返回，经光纤耦合器件耦合进入光纤；
(c)提供一分光器件，将分出的光线照射到光探测器上进行测量。
其中所述光纤光学组件包括光纤，准直透镜，聚焦透镜。
其中所述反射面为反射型相位光栅。
其中，所述分光器件可以是分光棱镜或光纤分束器。
进一步地，光纤耦合效率T与激光束偏转角θ的关系为：
T＝T(Δrf)·T(Δθ)＝exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
其中，θ为激光束照射到反射面上的偏转角；fc为扩束透镜的焦距；Δrf为聚焦透镜产生的反射光偏移；Δθ为聚焦透镜产生的反射光倾斜；d为聚焦透镜至准直透镜的距离；f为聚焦透镜的焦距；d0为进入光纤的激光束的光斑直径；div为进入光纤的激光束的全发散角。
其中所述光纤可以是单模光纤或多模光纤。
本发明通过激光束在硅片面的反射光耦合进光纤，再通过分束，光功率计探测来检测激光束的偏转角，提高了对激光束偏转角检测的可操作性，降低了对激光束偏转角检测的难度，降低了检测成本，具备较高的检测精度。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1为本发明激光束偏转角检测装置检测原理图；
图2为本发明激光束偏转角检测装置第一实施例结构示意图；
图3为本发明激光束偏转角检测装置第一实施例反射光功率与激光束偏转角的关系曲线；
图4为本发明激光束偏转角检测装置第二实施例结构示意图；
图5为本发明激光束偏转角检测装置第二实施例反射光功率与激光束偏转角的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明激光束偏转角检测装置检测原理如图。光源发出的光经光纤光学组件100，扩束透镜105，照射到反射面106上。其中光纤光学组件100包括光纤101，准直透102，聚焦透镜103。光束经过光纤101传输，经准直透镜102准直，经过聚焦透镜103聚焦到焦面104上。焦面104是聚焦透镜103和扩束透镜105的共用焦面。光束经括束透镜105扩束，照射到反射面106上，经反射面106反射沿原路返回。
设激光束照射到反射面106上的偏转角为θ，则反射光在106上产生的偏移Δrc为：
Δfc＝2fc·θ  其中fc为扩束透镜105的焦距。
经过聚焦透镜103产生的反射光偏移Δrf和倾斜Δθ为：
Δrf＝Δrc(1-d/f)
Δθ＝Δrc/f
d为聚焦透镜103至准直透镜102的距离；f为聚焦透镜103的焦距。
则反射光耦合进光纤101耦合效率T为：
T(Δrf)＝exp(-(2Δrf/d0)2)
T(Δθ)＝exp(-(2Δθ/di)2)
T＝T(Δrf)·T(Δθ)＝exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
d0为进入光纤的激光束的光斑直径，div为进入光纤的激光束的全发散角。
实施例1
如图2所示，图2是本发明激光束偏转角检测装置第一实施例结构示意图。激光器203发出激光束，经光纤101传输。激光器203是气体激光器，也可以是固体激光器，或是其他类型激光器。光纤101可以是单模光纤或多模光纤。光纤101和准直透镜102固定相连，聚焦透镜103可以是双胶合透镜或是其他具备焦距特性的透镜及透镜组。聚焦透镜103和括束透镜105用于对激光束扩束。经激光器203发出的激光束经分光棱镜202透射后，经光纤耦合器201耦合，经光纤101传输，经准直透镜102准直、聚焦透镜103聚焦，扩束透镜105扩束后，照射到硅片标记107上。硅片标记107是反射型相位光栅，激光束经硅片标记107反射的0级反射光沿原光路返回，依次经过扩束透镜105、聚焦透镜103、准直透镜102，光纤101，光纤耦合器201，经分光棱镜202反射，进入光功率计204探测光强。光功率计204位于分光棱镜202的反射光路上。激光束经准直透镜102准直后的光斑直径为0.9mm，发散角为1mrad；忽略透镜的透过率损失，激光束通过光纤耦合器的耦合效率η为70％，分光棱镜的光透射率与反射率比η2为50％∶50％，硅片标记的0级反射光的光功率A为10mw，则0级反射光的光功率与激光束偏转角的关系为：
I＝A·η·η2·T(Δrf)·T(Δθ)＝A·η·η2·exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
图3为本发明激光束偏转角检测装置第一实施例反射光功率与激光束偏转角的关系曲线。通过光功率计探测0级反射光耦合进光纤的光束经分光棱镜反射的光功率，根据激光束偏转角与0级反射光功率的关系，可以检测激光束偏转角。本实施例中激光束偏转角＜±0.2mrad，即所测0级反射光功率≥1.9942mw。
若所得激光束偏转角超过±0.2mrad，通过整体调整光纤光学组件100的X、Y方向，来调整照射到标记面的激光束的偏转角。
光纤光学组件100的X、Y的偏移，引起聚焦的焦面上的光斑偏移，这样引起照射到标记面的激光束的偏转；则调整光纤光学组件100的X、Y方向，可以调整照射到标记面的激光束的偏转。
实施例2
如图4所示，图4是本发明激光束偏转角检测装置第二实施例结构示意图。激光器203发出激光束，经光纤101传输。激光器203为气体激光器，也可以是固体激光器，或是其他类型激光器。光纤101可以是单模光纤或多模光纤。光纤101和准直透镜102固定相连，聚焦透镜103可以是双胶合透镜或是其他具备焦距特性的透镜及透镜组。聚焦透镜103和括束透镜105用于对激光束扩束。经激光器203发出的激光束经分光棱镜202透射后，经光纤耦合器201耦合，经光纤101传输，经准直透镜102准直、聚焦透镜103聚焦，扩束透镜105扩束后，照射到硅片标记107上。硅片标记107是反射型相位光栅，激光束经标记反射的0级反射光沿原光路返回，沿原光路返回，依次经过扩束透镜105、聚焦透镜103、准直透镜102，光纤101，光纤分束器300，再由光电探测器204探测激光束反射光功率。激光束经准直透镜102准直后的光斑直径为0.9mm，发散角为1mrad；忽略透镜的透过率损失，光纤分束器300的分光效率η1为50％，硅片标记的0级反射光的光功率A为10mw，则所测0级反射光反射光功率与激光束偏转角的关系为：
I＝A·η1·T(Δrf)·T(Δθ)＝A·η1·exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
图5为本发明激光束偏转角检测装置第二实施例反射光功率与激光束偏转角的关系曲线。通过光功率计探测反射光功率，根据激光束偏转角与0级反射光功率的关系，可以检测激光束偏转角。本实施例中激光束偏转角＜±0.2mrad，即所测0级反射光功率≥2.8489mw。若所得照明光光束偏转角超过±0.2mrad，通过整体调整光纤光学组件100的X、Y方向，来调整照射到标记面的激光束的偏转角。
光纤光学组件100的X、Y的偏移，引起聚焦的焦面上的光斑偏移，这样引起照射到标记面的激光束的偏转；则调整光纤光学组件100的X、Y方向，可以调整照射到标记面的激光束的偏转。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种激光束偏转角检测装置，其特征在于沿光轴依次包括：光源，光纤，准直透镜，聚焦透镜，括束透镜，反射面；光源发出的激光束经反射面反射，沿原路返回，经光纤耦合器耦合，再经分光器件分光到光探测器进行测量；光纤耦合效率T与激光束偏转角θ的关系为：
T＝T(Δrf)·T(Δθ)＝exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
其中，θ为激光束照射到反射面上的偏转角；fc为扩束透镜的焦距；Δrf为聚焦透镜产生的反射光偏移；Δθ为聚焦透镜产生的反射光倾斜；d为聚焦透镜至准直透镜的距离；f为聚焦透镜的焦距；d0为进入光纤的激光束的光斑直径；div为进入光纤的激光束的全发散角。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述反射面为反射型相位光栅。
3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述分光器件是分光棱镜或光纤分束器。
4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述光源为激光器，所述激光器是气体激光器或固体激光器。
5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述光纤是单模光纤或多模光纤。
6.一种激光束偏转角检测方法，包括如下步骤：
(a)提供一光源，光源发出的激光束经光纤光学组件，扩束透镜，照射到反射面上；
(b)反射光线沿原路返回，经光纤耦合器件耦合进入光纤；
(c)提供一分光器件，将分出的光线照射到光探测器上进行测量；
光纤耦合效率T与激光束偏转角θ的关系为：
T＝T(Δrf)·T(Δθ)＝exp(-(4fc·θ((1-d/f)/d0+1/(f·div)))2)
其中，θ为激光束照射到反射面上的偏转角；fc为扩束透镜的焦距；Δrf为聚焦透镜产生的反射光偏移；Δθ为聚焦透镜产生的反射光倾斜；d为聚焦透镜至准直透镜的距离；f为聚焦透镜的焦距；d0为进入光纤的激光束的光斑直径；div为进入光纤的激光束的全发散角；所述光纤光学组件包括光纤，准直透镜，聚焦透镜。
7.如权利要求6所述的检测方法，其中所述反射面为反射型相位光栅。
8.如权利要求6所述的检测装置，其中所述分光器件是分光棱镜或光纤分束器。
9.如权利要求6所述的检测方法，其中所述光纤是单模光纤或多模光纤。
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