CN104516037B - 一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法，包括：采用所述激光干涉计对刻划刀架的固有位置误差进行测量；采用衍射波前测量仪对所述光栅基底的面形误差进行测量；根据步骤一测量得到的刻划刀架固有位置误差和步骤二得到的光栅基底面形误差，推导出补偿上述误差后的光栅刻刀在光栅刻划任意位置处的理想位置。准备光栅刻划。进行消像差光栅刻划。采用压电执行器实时调整光栅刻刀，使其与其理想位置偏差最小。本发明在光栅刻划过程中对刻划刀架固有位置误差和光栅基底面形误差进行了实时补偿，有效抑制了上述误差对消像差光栅衍射波前的影响；通过主动控制光栅刻刀进行消像差光栅刻划，有效避免了控制工作台方案对消像差光栅性能的影响。

Description

一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法

技术领域

本发明涉及一种机械刻划平面衍射光栅制作领域，尤其涉及一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法。

背景技术

平面衍射光栅在光谱技术领域应用较为广泛，在进行分光仪器设计时，为了减少设计成本及难度且使分光仪器具有更卓越的光谱性能，往往要求尽量减少分光仪器中各种难以制作的反射镜的数量，从而要求衍射光栅是具有特殊的衍射波前形状的消像差光栅。

消像差光栅的制作方法主要分为全息离子束刻蚀法和机械刻划法。

对于低刻线密度的红外激光光栅和绝大多数中阶梯光栅而言，由于其刻线密度较低，且要求具有较深的刻槽深度和较为严格的刻槽形状，从而使消像差光栅具有较高的衍射效率，因此一般须采用机械刻划法制作。

现有技术中采用激光干涉仪实时测量刻划刀架导轨与光栅基底承载工作台之间的位移变化，然后采用压电执行器实时控制工作台位置进，从而制作出具有特殊衍射波前的消像差光栅。但是，现有技术没有考虑光栅刻划刀架在运行过程中的固有位置误差以及光栅基底面形误差对消像差光栅衍射波前质量的影响，进而导致光栅的消像差效果不理想。此外，现有技术将激光干涉仪的参考反射镜安装在刻划刀架导轨上而不是安装在刻划刀架上，因此无法完全反映刻划刀架上的光栅刻刀与光栅基底之间的实时位置变化情况，从而使刻划出的光栅衍射波前与其理想值存在一定差距。此外现有技术采用压电执行器控制工作台方案来实现消像差光栅刻划，对于大面积光栅而言，其承载工作台质量、惯性较大、定位精度难以提高，因此对刻划出的消像差光栅的性能存在负面影响。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法，包括如下步骤：

步骤一、采用激光干涉计对所述刻划刀架在每条刻线刻划过程中的固有位置误差进行多次测量，取平均值，从而获得代表刻划刀架固有位置误差的一维数组；

步骤二、采用衍射波前测量仪对光栅基底的面形误差进行测量，从而获得光栅基底的面形误差矩阵；

步骤三、根据步骤一测量得到的刻划刀架固有位置误差数组和步骤二得到的光栅基底面形误差矩阵，建立补偿上述误差后的光栅刻刀在消像差光栅刻划任意位置处的理想位置表达式；

步骤四、准备光栅刻划实验条件；将压电执行器的位置设置在其总行程的一半位置，然后将光栅刻划刀架移动至一条刻线开始位置，将用于位置测量的激光干涉计的读数清零；设置光栅刻划总刻线数；

步骤五、将光栅基底放置于工作台上，进行消像差光栅刻划；在每条光栅刻线的刻划过程中，实时调整压电执行器的位置，使激光干涉计的位置读数与步骤三给出的光栅刻刀的理想位置的偏差量最小；

步骤六、在完成光栅最后一个刻线刻划后，停止光栅刻划。

在上述技术方案中，在步骤五进行光栅刻划过程中，对所述刻划刀架的固有位置误差和光栅基底面形误差进行实时补偿。

在上述技术方案中，该方法适用的机械刻划装置主要包括：导轨、滑套、刀架转接板、激光干涉计、压电执行器、刻划刀架、参考反射镜、二维调整架、光栅刻刀、长条形测量反射镜、工作台、光栅基底、测量反射镜二和激光干涉计二；

所述激光干涉计用来测量所述光栅刻刀和所述光栅基底在z轴方向的相对位置变化；

所述激光干涉计二用于实现对所述刻划刀架在x轴方向的位置变化进行实时测量；

所述压电执行器用于实时调整所述光栅刻刀的位置使之满足消像差光栅的具体要求。

本发明具有以下的有益效果：

本发明在光栅刻划之前采用所述激光干涉计对所述刻划刀架在每条刻线刻划过程中的固有位置误差进行测量，并在光栅刻划时，对该固有位置误差进行补偿，从而降低了所述刻划刀架的所述导轨和所述滑套的加工误差以及所述长条形测量反射镜的加工误差等组成的所述刻划刀架固有位置误差对消像差光栅的衍射波前质量的影响；进一步地，本发明在光栅刻划之前，采用衍射波前测量仪对所述光栅基底的面形误差进行测量，并在光栅刻划中对该基底面形误差进行了补偿，从而有效抑制了光栅基底面形误差对所要刻划的消像差光栅的衍射波前质量的影响。此外，本发明将所述激光干涉计的所述参考反射镜安装在所述刻划刀架导轨上而不是安装在所述刻划刀架上，从而有效抑制了所述刻划刀架运行不稳定对消像差光栅质量的影响；此外采用所述压电执行器对质量较轻的所述刻划刀架进行控制而不是对质量较重的光栅基底承载工作台进行控制，有益于提高消像差光栅的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明一实施例的光栅刻刀主动控制技术的机械结构原理图。

图2是本发明一实施例的消像差光栅的理想衍射波前示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明通过主动控制光栅进行消像差光栅刻划，其机械结构主要组成见图1所示，其中包括导轨1、滑套2、刀架转接板3、激光干涉计4、压电执行器5、刻划刀架6、参考反射镜7、二维调整架8、刻刀9、长条形测量反射镜10、工作台11、光栅基底12、测量反射镜二13和激光干涉计二14(图中未示)。所述压电执行器5的一端与所述刀架转接板3固定连接，另一端与所述刻划刀架6连接；所述激光干涉计4固定在所述刀架转接板3下方，所述参考反射镜8通过所述二维调整架7固定在所述刻划刀架6上，所述光栅刻刀9安装在所述刻划刀架6的下方；所述长条形测量反射镜10和所述光栅基底12安装在所述工作台11上。所述激光干涉计4通过测量所述参考反射镜7和所述长条形测量反射镜10，来测量所述光栅刻刀9和所述光栅基底12在z轴方向的相对位置变化；所述压电执行器5用于实时调整所述光栅刻刀9的位置使之满足消像差光栅的具体要求。所述激光干涉计二14与所述测量反射镜二13在Y轴方向处于同一高度，在X轴方向具有一定距离，所述激光干涉计二14固定在光栅刻划机主机座上静止不动，所述测量反射镜二13可跟随所述刻划刀架在X轴方向进行运动，所述测量反射镜二13和所述激光干涉计二14用于实现对所述刻划刀架6在x轴方向的位置变化进行实时监测。具体而言，本发明所述的激光干涉计4由美国keysight公司的10721双轴差分干涉仪和一个与该干涉仪成45度角的平面反射镜组成。本发明所述的激光干涉计二14采用的美国keysight公司的10706A干涉计。

本发明进行消像差平面衍射光栅制作的具体步骤可分为：

步骤一、采用所述激光干涉计4对所述刻划刀架6在每条刻线刻划过程中的固有位置误差进行多次测量，取平均值，从而获得代表刻划刀架6固有位置误差的一维数组B(单位为nm)；

步骤二、采用衍射波前测量仪对所述光栅基底的面形误差进行测量，从而获得光栅基底的面形误差矩阵H；

步骤三、根据步骤一测量得到的刻划刀架固有位置误差数组B和步骤二得到的光栅基底面形误差矩阵H，建立所述光栅刻刀9在消像差光栅刻划任意位置处的理想位置表达式。

设要刻划的消像差光栅的理想衍射波前为Δ(如图2所示)。根据衍射波前矩阵Δ与步骤二测得的基底面形矩阵H和光栅刻线位置矩阵W的关系表达式，可知Δ＝2Hcosθ+mW/d，其中Δ和H的单位为光栅使用波长λ，W和d的单位为纳米，m为光栅衍射级次，θ为光栅在littrow入射下的衍射角。因此有光栅在第j条刻线的第i个采样点处的刻线理想位置为W_ji＝(Δ_ji-2H_jicosθ)d/m。

设步骤一测得的所述刻划刀架6固有位置误差数组B的第i个采样点的值为B_i，则消除所述刻划刀架6固有位置误差后的刻线理想位置为W_ji＝(Δ_ji-2H_jicosθ)d/m-B_i。

由于在衍射波前矩阵Δ为0时的所述光栅刻刀9在第j条刻线的第i个采样点处的理想位置D为jd，因此在Δ不为0时的所述光栅刻刀9在第j条刻线的第i个采样点处的理想位置D＝jd+(Δ_ji-2H_jicosθ)d/m-B_i。

步骤四、准备光栅刻划实验条件。将所述压电执行器5的位置设置在其总行程的一半位置，然后将光栅刻划刀架移动至一条刻线开始位置，将所述激光干涉计4和所述激光干涉计二14的位置读数清零。设置光栅刻划总刻线数N。

步骤五、将光栅基底放置于工作台上，进行消像差光栅刻划。在每条光栅刻线的刻划过程中，实时调整压电执行器的位置，使所述激光干涉计4的位置读数与步骤三给出的所述光栅刻刀9的理想位置D＝jd+(Δ_ji-2H_jicosθ)d/m-B_i的偏差量最小。

步骤六、在完成光栅第N条刻线刻划后，停止光栅刻划。

本发明在光栅刻划中对所述刻划刀架的固有位置误差进行补偿，从而该误差对消像差光栅的衍射波前质量的影响；进一步地，本发明在光栅刻划中对光栅基底面形误差进行了实时补偿，从而有效抑制了光栅基底面形误差对所要刻划的消像差光栅的衍射波前质量的影响。同时，本发明将所述激光干涉计的所述参考反射镜安装在所述刻划刀架导轨上，从而有效抑制了所述刻划刀架运行不稳定对消像差光栅质量的影响；此外本发明采用所述压电执行器对质量较轻的所述刻划刀架进行控制，有益于提高消像差光栅的性能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采用激光干涉计对刻划刀架在每条刻线刻划过程中的固有位置误差进行多次测量，取平均值，从而获得代表刻划刀架固有位置误差的一维数组；

步骤二、采用衍射波前测量仪对光栅基底的面形误差进行测量，从而获得光栅基底的面形误差矩阵；

步骤三、根据步骤一测量得到的刻划刀架固有位置误差数组和步骤二得到的光栅基底面形误差矩阵，建立补偿上述误差后的光栅刻刀在消像差光栅刻划任意位置处的理想位置表达式；

步骤四、准备光栅刻划实验条件；将压电执行器的位置设置在其总行程的一半位置，然后将光栅刻划刀架移动至一条刻线开始位置，将用于位置测量的激光干涉计的读数清零；设置光栅刻划总刻线数；

步骤五、将光栅基底放置于工作台上，进行消像差光栅刻划；在每条光栅刻线的刻划过程中，实时调整压电执行器的位置，使激光干涉计的位置读数与步骤三给出的光栅刻刀的理想位置的偏差量最小；

步骤六、在完成光栅最后一个刻线刻划后，停止光栅刻划；

在步骤五进行光栅刻划过程中，对所述刻划刀架的固有位置误差和光栅基底面形误差进行实时补偿。

2.根据权利要求1所述的一种消像差平面衍射光栅的机械刻划方法，其特征在于，该方法适用的机械刻划装置主要包括：导轨、滑套、刀架转接板、激光干涉计、压电执行器、刻划刀架、参考反射镜、二维调整架、光栅刻刀、长条形测量反射镜、工作台、光栅基底、测量反射镜二和激光干涉计二；

所述激光干涉计用来测量所述光栅刻刀和所述光栅基底在z轴方向的相对位置变化；

所述激光干涉计二用于实现对所述刻划刀架在x轴方向的位置变化进行实时测量；

所述压电执行器用于实时调整所述光栅刻刀的位置使之满足消像差光栅的具体要求。