CN104730868B - 大口径衍射光栅曝光装置及大口径衍射光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于涂布光刻胶的基板上制备衍射光栅的大口径衍射光栅曝光装置及大口径衍射光栅的制备方法，装置由激光器、电子快门、第一半波片、偏振分光镜、第二半波片、第一反射镜、第二反射镜、第一空间滤波器、第一矩形光阑、第一离轴抛物面大反射镜、压电陶瓷、第三反射镜、第二空间滤波器、第二矩形光阑、第二离轴抛物面大反射镜、基板、小参考光栅、接受屏、CCD和计算机组成，本发明采用单频稳频的半导体激光器或激光二极管泵浦固体激光器能提供更高的连续功率或平均功率，使曝光时间大为减少，降低系统对环境稳定性的要求，基底可以使用膨胀系数较小或轻质的材料，具有成像质量高、无像差、制备衍射光栅的口径大、使用方便、价格便宜等优点。

Description

大口径衍射光栅曝光装置及大口径衍射光栅的制备方法

技术领域

本发明涉及衍射光栅，特别是一种大口径衍射光栅的曝光装置及大口径衍射光栅的制备方法。

背景技术

大口径等间距一维衍射光栅是许多大型科学装置中的关键元件之一，如在激光惯性约束核聚变系统中使用的脉冲压缩光栅。激光惯性约束核聚变是实现可控核聚变从而获得原子核内部巨大能量的主要方法之一。在激光惯性约束核聚变系统中，两个脉冲压缩光栅利用其色散功能将已经展宽、功率放大的脉冲激光进行压缩，从而提高激光的峰值功率，因此脉冲压缩光栅需要承载较强的激光，光栅的口径越大，单位面积承受的能量就相对越低，在固定的损伤阈值条件下，就能提供更多的激光能量输出。

在激光惯性约束核聚变系统中，要求脉冲压缩光栅具有高衍射效率、高损伤阈值，并对衍射波前有很高的要求。传统的机械刻划技术只适合精度较低、口径较小的光栅；利用类似全息照相的双光束干涉曝光技术，是高精度衍射光栅制造的主流方向。但大口径、特别是米级光栅的制作是一个技术挑战，原因是准直透镜的口径很难做得很大。机械拼接法原理上可以解决大口径的问题，但使用上的不便仍促使人们寻求制造单块大口径光栅的方法。目前，单块大口径光栅的光学制造方法主要有以LLNL(Lawrence Livermore NationalLaboratory，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室)为代表的单次曝光法，PGL(PlymouthGrating Laboratory)公司的扫描曝光法(Scanning Beam Interference Lithography，扫描光束干涉光刻)以及近年来开始的曝光拼接方法。

扫描曝光法对基板和曝光光束相对位置的控制提出了非常高的要求，要求有精度很高的工件台制作和控制技术，且极易受环境的影响。目前，制作大口径光栅所需要的米级工件台还没有商品化的产品。

曝光拼接法虽然在小尺度光栅制作下得到了实验验证，但要拓展到大口径光栅的制作，还面临曝光波面的偏摆、基板面形误差、曝光像差和接缝等问题需要克服。而且，曝光拼接法对基板和曝光光束相对位置的控制要求同样非常高，仅次于扫描曝光法。

虽然LLNL采用经典的双透镜全息单次曝光方式制作了大口径光栅，但在进一步扩展光栅的口径时，准直透镜的制作就成了问题。受玻璃材料、透镜重量和系统体积等因素的限制，米级透镜实际上是很少的。世界上最大的透镜勉强达到米级，而且只在早期的天文望远镜中出现过。现在的天文望远镜基本上都是反射式的，且离轴抛物面反射镜被用得越来越多(可避免同轴系统中的中心遮拦问题)，这说明在大口径光学系统中，反射系统基本取代了折射系统，离轴抛物面反射镜的制造已经越来越成熟。

另一个问题是：当单次曝光的口径增大时，曝光时间将变长，对环境变化更敏感。常用的气体激光器(如氩离子激光器、氪离子激光器及其混合气体激光器等)，其功率难以提高。随着半导体激光器、半导体泵浦的固体激光器、光泵浦的半导体激光器、光纤激光器、激光并束技术、激光单频技术、激光稳频技术的发展，满足全息记录条件且功率高得多的激光器已逐步涌现。目前商用的小型单频固体激光器的功率水平已超过气体激光器十倍以上了，这样就大大缩短曝光时间，降低了对环境稳定性的要求，且固体激光器体积小、使用维护方便、寿命长。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于大口径衍射光栅的曝光装置及大口径衍射光栅的制备方法，其优点是：

1)离轴抛物面反射镜的单次曝光的可以得到很大尺寸的准直光束，甚至可以达到几米，而系统占用的体积比采用透射的曝光系统小一半以上；

2)无色差，可以改变曝光的激光波长，且空气折射率的差异不影响光束的准直；

3)基底材料可以使用膨胀系数较小的材料，也可以用很轻的材料，甚至可以做进一步的轻量化处理，而达到透镜所没有的环境适应力和较轻的重量；

4)相比于扫描曝光法和曝光拼接法，系统非常简单，曝光时无移动件，可行性和可靠性高。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于涂布光刻胶的基板上制备衍射光栅的大口径衍射光栅曝光装置，其特点在于该装置由激光器、电子快门、第一半波片、偏振分光镜、第二半波片、第一反射镜、第二反射镜、第一空间滤波器、第一矩形光阑、第一离轴抛物面大反射镜、压电陶瓷、第三反射镜、第二空间滤波器、第二矩形光阑、第二离轴抛物面大反射镜、基板、小参考光栅、接受屏、CCD和计算机组成，上述元部件的位置关系如下：

所述的激光器发出竖直偏振的激光依次经所述的电子快门、第一半波片后被偏振分光镜分为左右两束光，所述的左光束依次经所述的第二反射镜、第一空间滤波器、第一矩形光阑和第一离轴抛物面大反射镜，形成左大口径矩形截面准直光；所述的右光束依次经所述的第二半波片、第一反射镜、第三反射镜、第二空间滤波器、第二矩形光阑和第二离轴抛物面大反射镜，形成右大口径矩形截面准直光，左右两束大口径矩形截面准直光对称地照射在所述的基板上，形成双光束曝光，所述的参考光栅置于所述的基板前下方并固定在光学台上，该小参考光栅的干涉条纹由所述的接受屏接收，经所述的CCD探测并送所述的计算机，所述的计算机的输出端与所述的压电陶瓷的控制端相连，在曝光过程中，入射到参考光栅上的两束光在接受屏上形成干涉条纹，由CCD记录并传输到计算机上，计算机根据位相的变化来控制所述的压电陶瓷，驱动所述的第三反射镜进行条纹锁定。

所述的激光器采用单频激光二极管泵浦固体激光器或单频半导体激光器。

所述的第一轴抛物面大反射镜和第二离轴抛物面大反射镜镀有高反射率金属膜，或镀有由不同折射率介电材料组成的多层介质高反射率光学薄膜；这些薄膜除了能提供高反射率外，还能保证反射光的偏振态不变；抛物面大反射镜的基底采用微晶玻璃或碳化硅高强度、高稳定性材料。

利用上述大口径衍射光栅的曝光装置制备大口径衍射光栅的方法，包括以下步骤：

1)所述的激光器发出的竖直偏振的激光经所述的电子快门、第一半波片后被所述的偏振分光镜分成左光束、右光束；所述的左光束依次经所述的第二反射镜、第一空间滤波器、第一矩形光阑和第一离轴抛物面大反射镜，形成左大口径矩形截面准直光；所述的右光束依次经所述的第二半波片、第一反射镜、第三反射镜、第二空间滤波器、第二矩形光阑和第二离轴抛物面大反射镜，形成右大口径矩形截面准直光，左右两束大口径矩形截面准直光对称地照射在所述的涂布光刻胶的基板上，在其表面产生干涉场，形成双光束曝光；

2)在曝光过程中，入射到参考光栅上的两束光在接受屏上形成干涉条纹，由CCD记录并传输到计算机，计算机根据位相的变化来控制所述的压电陶瓷，驱动所述的第三反射镜进行条纹锁定曝光条纹的位相，使曝光时光刻胶被调制的空间分布是恒定的；

3)对曝光后的基板进行显影、定影，完成衍射光栅的制备。

本发明的技术效果：

1、本发明激光器采用单频稳频的半导体激光器或激光二极管泵浦固体激光器。相比较于气体激光器，单频稳频的半导体激光器或固体激光器能提供更高的连续功率或平均功率，使曝光时间大为减少，降低系统对环境稳定性的要求，且使用更加方便，价格也更便宜。半导体激光器发出的线偏振光被半波片、偏振棱镜分成两束相位差稳定、竖直振动方向、同频率的相干光。两束相干光分别入射到空间滤波器、矩形光阑、离轴抛物面大反射镜组成两个扩束系统上。

2、采用离轴抛物面大反射镜的离轴可以避免中心遮拦，提高成像质量，而抛物面系统可以实现像差小，成像质量大大提高。采用反射镜的原因是：1)重量轻，容易加工，且容易制造大口径抛物面反射镜；2)折反式光路，需要空间小。

附图说明

图1是本发明大口径衍射光栅曝光装置的光路示意图

图2是本发明高反射率光学薄膜膜层示意图

图3是本发明基板固定示意图

图4是本发明双光束曝光俯视图

图5是本发明参考光栅原理示意图

图6是实施例1中通过离轴抛物面反射镜单次曝光制作的大口径全息光栅示意图

图7是实施例1中CCD记录的参考光栅干涉条纹示意图

图8是实施例1中多层介质膜的反射率和波长的关系图

图9是实施例1中不同偏振入射条件下，多层介质膜反射率和入射光角度的关系图

图10是实施例1中入射角为15度时，针对不同偏振态的入射光的反射率和波长的关系图

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

参见图1，本发明大口径全息光栅的曝光装置由激光器1、电子快门2、第一半波片3、偏振分光镜4、第二半波片5、第一反射镜6、第二反射镜7、第一空间滤波器8、第一矩形光阑9、第一离轴抛物面大反射镜10、压电陶瓷11、第三反射镜12、第二空间滤波器13、第二矩形光阑14、第二离轴抛物面大反射镜15、基板16、小参考光栅17、接受屏18、CCD19和计算机20组成，上述元部件的位置关系如下：

所述的激光器1发出竖直偏振的激光依次经所述的电子快门2、第一半波片3后被偏振分光镜4分为左右两束光，所述的左光束依次经所述的第二反射镜7、第一空间滤波器8、第一矩形光阑9和第一离轴抛物面大反射镜10，形成左大口径矩形截面准直光；所述的右光束依次经所述的第二半波片5、第一反射镜6、第三反射镜12、第二空间滤波器13、第二矩形光阑14和第二离轴抛物面大反射镜15，形成右大口径矩形截面准直光，左右两束大口径矩形截面准直光对称地照射在所述的基板16上，形成双光束曝光，所述的参考光栅17置于所述的基板前下方并固定在光学台上，该小参考光栅17的干涉条纹由所述的接受屏18接收，经所述的CCD19探测并送所述的计算机20，所述的计算机20的输出端与所述的压电陶瓷11的控制端相连，在曝光过程中，入射到参考光栅17上的两束光在接受屏18上形成干涉条纹，由CCD19记录并传输到计算机20上，计算机20根据位相的变化来控制所述的压电陶瓷11，驱动所述的第三反射镜12进行条纹锁定。

所述的激光器采用单频激光二极管泵浦固体激光器或单频半导体激光器。

所述的两个离轴抛物面大反射镜镀有高反射率金属膜，或镀有由不同折射率介电材料组成的多层介质高反射率光学薄膜；这些薄膜除了能提供高反射率外，还能保证反射光的偏振态不变；抛物面大反射镜的基底采用微晶玻璃或碳化硅高强度、高稳定性材料。

利用上述的大口径衍射光栅的曝光装置制备大口径衍射光栅的方法，包括以下步骤：

1)所述的激光器1发出的竖直偏振的激光经所述的电子快门2、第一半波片3后被所述的偏振分光镜4分成左光束、右光束；所述的左光束依次经所述的第二反射镜7、第一空间滤波器8、第一矩形光阑9和第一离轴抛物面大反射镜10，形成左大口径矩形截面准直光；所述的右光束依次经所述的第二半波片5、第一反射镜6、第三反射镜12、第二空间滤波器13、第二矩形光阑14和第二离轴抛物面大反射镜15，形成右大口径矩形截面准直光，左右两束大口径矩形截面准直光对称地照射在所述的涂布光刻胶的基板16上，在其表面产生干涉场，形成双光束曝光；

2)在曝光过程中，入射到参考光栅17上的两束光在接受屏18上形成干涉条纹，由CCD19记录并传输到计算机20上，计算机20根据位相的变化来控制所述的压电陶瓷11，驱动所述的第三反射镜12进行条纹锁定曝光条纹的位相，使曝光时光刻胶被调制的空间分布是恒定的；

3)对曝光后的基板进行显影、定影，完成衍射光栅的制备。

在本实施中，当快门2打开时，单频并稳频的半导体激光器1发出波长λ_b＝405nm的竖直偏振的光经第一半波片3后被偏振分光镜4分成左右两束光。左光束经第二反射镜7、第一空间滤波器8、第一矩形光阑9和第一离轴抛物面大反射镜10组成的扩束准直系统，出射的大口径矩形截面准直光记为I₁；相应地，右光束经第二半波片5、第一反射镜6、第三反射镜12、第二空间滤波器13、第二离轴抛物面大反射镜15产生的大口径矩形截面准直光记为I₂。

第一离轴抛物面大反射镜10和第二离轴抛物面大反射镜15为口径1500mm，焦距6m的离轴抛物面大反射镜。I₁和I₂对称地入射到涂布了光刻胶的基板16(450×1500×48mm³)上，在其表面产生干涉场(即曝光条纹)，形成双光束曝光。打开快门2并持续一定的时间，即可完成一次曝光。通过离轴抛物面反射镜的单次曝光制作的大面积全息光栅如图6所示，光栅常数为0.5747μm即1740/mm，由此我们可以计算得到，双光束干涉角为20.63度。

在第一离轴抛物面大反射镜10和第二离轴抛物面大反射镜15的表面，镀有高反射率金属膜，或镀有由不同折射率介电材料组成的多层介质高反射率光学薄膜(见图2)。这些薄膜除了能提供高反射率外，还能保证反射光的偏振态不变，因为我们在选择界面处最佳的反射系数的薄膜的同时，也减少了振幅和偏振的变化，从而减少了界面处的偏振变化。而介质膜的反射率可以达到百分之九十八或者更高，也就是说其反射损失很小，故其偏振损失也会很小，可以忽略不计。

形成的大口径矩形光I₁和I₂对称入射到涂布光刻胶的基板(基板固定见图3)上，在其表面产生干涉场，形成双光束干涉曝光(见图4)。双光束的角平分线要和基板的法线重合，干涉角ω_y可以通过计算得到。

在曝光过程中，使用参考光栅干涉条纹对曝光条纹的位相进行锁定(见图5)。其功能是保证进行单次曝光时，使光刻胶被调制的空间分布是恒定的，在显影后得到合适槽形的浮雕光刻胶光栅。

条纹锁定系统由位于曝光光路中的任意一路光中的反射镜及推动它的压电陶瓷11、位于基板前下方并固定在光学台上的小参考光栅17以及接收屏18组成。

曝光光束在竖直方向上除覆盖基板上的曝光区域外，还向下伸出一部分入射到小参考光栅17上。

小参考光栅是预先在该全息曝光系统中被非对称曝光(基板有微小的偏摆角θ)并显影得到的小光栅(见图5a)。使用非对称曝光是为了使参考光栅的周期与基板上的曝光条纹的周期有微小的差别。这样，使得入射到参考光栅上的一路光的-1级衍射和另一路光的0级衍射能偏出光束，并在接受屏18上形成合适间距的干涉条纹(见图5b)。

该条纹被CCD 19记录下来，并传输到计算机20上，称为“参考光栅干涉条纹”。它的位相只与曝光条纹的位相有关，用于实现条纹锁定：在基板的曝光过程中，如果发现参考光栅干涉条纹有移动，则反馈控制压电陶瓷11使之推动反射镜来改变曝光光束的位相，使参考光栅干涉条纹回到初始的位置。

条纹锁定系统由第三反射镜12及推动它的压电陶瓷11、位于基板16前下方并固定在光学台上的小参考光栅17(90×115×18mm³)以及接收屏18组成。曝光光束在竖直方向上除覆盖基板上的曝光区域外，还向下伸出一部分入射到小参考光栅17上。入射到参考光栅上的I₁的-1级衍射光和I₂的0级衍射光偏出光束，并在接收屏18上形成干涉条纹。该条纹被CCD 19(768×576像素²，镜头25mm/F1.4)记录下来，并传输到计算机20上，称为“参考光栅干涉条纹”(如图7所示)。它的位相只与曝光条纹的位相有关，用于实现条纹锁定：在基板16的曝光过程中，如果发现参考光栅干涉条纹有移动，则计算机20反馈控制压电陶瓷11推动第三反射镜12，以改变曝光光束的位相，使参考光栅干涉条纹回到初始的位置。

小参考光栅17是预先在该全息曝光系统中被非对称曝光(基板有微小的偏摆角)并显影得到的小光栅。使用非对称曝光是为了使参考光栅的周期与基板16上的曝光条纹的周期有微小的差别。假设I₂的0级衍射光线和I₁的-1级衍射光线是和基板16垂直的(如图5(a))，可计算出参考光栅的光栅常数为0.5842μm，当θ偏离原来的微小角度时(如图5(b))，在CCD19上可以观察到清楚的条纹。

在两个离轴非球面反射镜10和15的表面，镀有高折射率的HfO₂和低折射率的SiO₂交替的、每层λ/4厚的全介质高反射膜系的光学薄膜，这一膜系在400nm左右波长范围内有较高的反射率(如图8)，可以达到百分之九十八或者更高，反射损失很小。这一膜系除了能提供高反射率外，还能保证当入射光的角度在一定范围内时，反射光的偏振态不变(如图9)，当入射角在0度到20之间时，偏振态的变化很小，尤其是入射角小于15度时(如图10)，可以看出反射面的偏振态几乎是没有变化的，因为在选择界面处最佳的反射系数的薄膜的同时，也减少了振幅和偏振的变化，从而减少了界面处的偏振态变化。

实验表明，本发明具有下列优点：

1)离轴抛物面反射镜的单次曝光的可以得到很大尺寸的准直光束，甚至可以达到几米，而系统占用的体积比采用透射的曝光系统小一半以上；

2)无色差，可以改变曝光的激光波长，且空气折射率的差异不影响光束的准直；

3)基底材料可以使用膨胀系数较小的材料，也可以用很轻的材料，甚至可以做进一步的轻量化处理，而达到透镜所没有的环境适应力和较轻的重量；

4)相比于扫描曝光法和曝光拼接法，系统简单，曝光时无移动件，可行性和可靠性更高。

Claims (4)

1.一种用于涂布光刻胶的基板上制备衍射光栅的大口径衍射光栅曝光装置，其特征在于该装置由激光器(1)、电子快门(2)、第一半波片(3)、偏振分光镜(4)、第二半波片(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、第一空间滤波器(8)、第一矩形光阑(9)、第一离轴抛物面大反射镜(10)、压电陶瓷(11)、第三反射镜(12)、第二空间滤波器(13)、第二矩形光阑(14)、第二离轴抛物面大反射镜(15)、基板(16)、小参考光栅(17)、接受屏(18)、CCD(19)和计算机(20)组成，上述元部件的位置关系如下：

所述的激光器(1)发出竖直偏振的激光依次经所述的电子快门(2)、第一半波片(3)后被偏振分光镜(4)分为左右两束光，所述的左光束依次经所述的第二反射镜(7)、第一空间滤波器(8)、第一矩形光阑(9)和第一离轴抛物面大反射镜(10)，形成左大口径矩形截面准直光；所述的右光束依次经所述的第二半波片(5)、第一反射镜(6)、第三反射镜(12)、第二空间滤波器(13)、第二矩形光阑(14)和第二离轴抛物面大反射镜(15)，形成右大口径矩形截面准直光，左右两束大口径矩形截面准直光对称地照射在所述的基板(16)上，形成双光束曝光，所述的参考光栅(17)置于所述的基板前下方并固定在光学台上，该小参考光栅(17)的干涉条纹由所述的接受屏(18)接收，经所述的CCD(19)探测并送所述的计算机(20)，所述的计算机(20)的输出端与所述的压电陶瓷(11)的控制端相连，在曝光过程中，入射到参考光栅(17)上的两束光在接受屏(18)上形成干涉条纹，由CCD(19)记录并传输到计算机(20)上，计算机(20)根据位相的变化来控制所述的压电陶瓷(11)，驱动所述的第三反射镜(12)进行条纹锁定。

2.根据权利要求1所述的大口径衍射光栅曝光装置，其特征在于所述的激光器采用单频激光二极管泵浦固体激光器或单频半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的大口径衍射光栅曝光装置，其特征在于所述的第一离轴抛物面大反射镜(10)和第二离轴抛物面大反射镜(15)镀有高反射率金属膜，或镀有由不同折射率介电材料组成的多层介质高反射率光学薄膜；这些薄膜除了能提供高反射率外，还能保证反射光的偏振态不变；抛物面大反射镜的基底采用微晶玻璃或碳化硅。

4.利用权利要求1所述的大口径衍射光栅曝光装置制备大口径衍射光栅的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)所述的激光器(1)发出的竖直偏振的激光经所述的电子快门(2)、第一半波片(3)后被所述的偏振分光镜(4)分成左光束、右光束；所述的左光束依次经所述的第二反射镜(7)、第一空间滤波器(8)、第一矩形光阑(9)和第一离轴抛物面大反射镜(10)，形成左大口径矩形截面准直光；所述的右光束依次经所述的第二半波片(5)、第一反射镜(6)、第三反射镜(12)、第二空间滤波器(13)、第二矩形光阑(14)和第二离轴抛物面大反射镜(15)，形成右大口径矩形截面准直光，左右两束大口径矩形截面准直光对称地照射在所述的涂布光刻胶的基板(16)上，在其表面产生干涉场，形成双光束曝光；

2)在曝光过程中，入射到参考光栅(17)上的两束光在接受屏(18)上形成干涉条纹，由CCD(19)记录并传输到计算机(20)上，计算机(20)根据位相的变化来控制所述的压电陶瓷(11)，驱动所述的第三反射镜(12)对曝光条纹的位相进行锁定，使曝光时光刻胶被调制的空间分布是恒定的；

3)对曝光后的基板进行显影、定影，完成衍射光栅的制备。