CN105487212A - 一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统 - Google Patents

一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，包括激光器、针孔滤波器和共轴反射式光学系统、实时监控系统，针孔滤波器放置在激光器的输出束腰位置，共轴反射式光学系统包括共轴的反射式双曲面扩束镜、折叠反射镜、抛物面准直反射镜和三个波面分割平面反射镜，折叠反射镜位于反射式双面扩束镜和抛物面准直反射镜之间，三个波面分割平面反射镜位于折叠反射镜和抛物面准直反射镜之间；实时监控系统包括依次连接的物镜、光电探测器、成像电路和操控计算机。本发明能够一次性同步蚀刻对称分布的三组光栅，三组光栅面积大，可保证光栅条纹和周期无畸变，精确度高，工艺一致性好，工作效率高，有利于提高产品质量和降低成本。

Description

一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统
技术领域
本发明涉及太阳能节能玻璃领域，具体是一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统。
背景技术
近十多年来，我国在衍射光栅理论和工艺研究方面取得了长足进步，并取得了丰硕的科研成果。以光栅作为核心技术，进行技术集成再创新，开发高科技的军民两用光栅技术系列产品已成为可能。
在平面内具有二维周期性的结构分布，能对电磁波进行选择性地透射或屏蔽，这样的人造表面被称为频率选择表面，其技术实质上是一种二维光栅。其周期一般为谐振半波长的数倍。通过调控频率选择表面的形状、周期、占空比、厚度、材料等参数，可以实现不同的频率选择特性，因此频率选择表面主要有带阻、带通、低通和高通四种基本类型。在此基础上，可以进行更多功能的技术集成。
国内外市场对太阳能节能玻璃的需求量巨大，但目前我国太阳能节能玻璃主要基于镀膜技术，其功能、性能和产品种类均比较有限。国外已经把基于二维光栅技术的频率选择表面成功应用于太阳能节能玻璃等领域的研发和生产。
与此同时，在军事应用领域，“十二五”以来对雷达隐身光学窗口的需求与日俱增，但相关的设计技术和制作工艺比较落后，难以满足市场需求。例如，目前国内制作雷达隐身光窗上的二维光栅一般采用电子束直写或半导体光刻，然后进行光栅拼接的工艺方法。这种工艺很难获得高雷达屏蔽效率、高光学透过率的大口径隐身光窗，而且加工制作成本高，不利于推广应用。
目前，国内全息光刻系统一般采用离轴反射式光学系统。离轴反射式光学系统的加工、检测、装配与调试都比较困难，一般残余较大出射波像差。性能较差的离轴反射式光刻系统难以解决光栅微结构(包括周期、占宽比、槽深和槽形等参数)的畸变控制技术难题。而且国内没有一次同步制作三组光栅的激光蚀刻设备。大口径光栅需要拼接，制作工艺复杂，质量难以保证。而且在三组光栅激光蚀刻中需对主要曝光工艺参数进行精确控制，对技术人员个人工作经验依赖性强，制作工艺一致性和工作效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，包括激光器、针孔滤波器和共轴反射式光学系统、实时监控系统，所述针孔滤波器的表面处理为黑体，针孔滤波器上通过激光打出小孔，所述针孔滤波器放置在激光器的输出束腰位置；
所述共轴反射式光学系统包括共轴的反射式双曲面扩束镜、折叠反射镜、抛物面准直反射镜和三个波面分割平面反射镜，所述折叠反射镜的中心开设有一个小孔，所述折叠反射镜位于反射式双面扩束镜和抛物面准直反射镜之间；
三个波面分割平面反射镜呈中心对称均匀分布，且三个波面分割平面反射镜位于折叠反射镜和抛物面准直反射镜之间，三个波面分割平面反射镜上分别设有方位调节机构，形成的三支激光束两两干涉，产生三组干涉条纹光强分布，通过曝光同步制作三组光栅；
所述实时监控系统包括依次连接的物镜、光电探测器、成像电路和操控计算机，被监测曝光面依次通过物镜的透射成像、光电探测器的光电信号转换、成像电路的信号处理和操控计算机的实时显示，操控计算机对快门实时控制。
作为本发明进一步的方案：所述共轴反射式光学系统的反射式准直镜为一个大口径共轴抛物面反射镜，通过三个小口径抛物面反射镜空间组合替代，或通过大口径球面反射镜替代，或通过三个小口径球面反射镜空间组合替代。
作为本发明进一步的方案：所述激光器采用氦镉激光器、氪离子激光器或紫外激光器。
作为本发明进一步的方案：所述反射式双曲面扩束镜由球面反射镜和透镜替代。
作为本发明进一步的方案：所述光电探测器为光电像增强器、固体微光器、可见和近红外CCD或短波/中波/长波红外探测器。
作为本发明再进一步的方案：还包括安装架、黑箱罩和光学隔振工作台，该系统通过安装架固定在黑箱罩内，黑箱罩固定在光学隔振工作台上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明能够一次性同步蚀刻对称分布的三组光栅。基底可以是平面、球面和非球面；
2.本发明能获得大口径的三组光栅面积，无需光栅拼接工艺；
3.本发明采用轴对称全反射式光路设计，可保证光栅条纹和周期无畸变；
4.本发明关键的曝光工艺具有实时监测技术，可以精确控制工艺参数，工艺一致性好，工作效率高，有利于提高产品质量和降低成本；
5.本发明任意遮挡一支光路，剩下的两支激光束干涉产生一维光栅条纹，可以用来制作一维光栅，一个激光蚀刻系统兼具两种用途。
附图说明
图1为本发明的示意图。
其中，Laser为激光器，SF为针孔滤波器，Mh为中心开小孔的折叠反射镜，Ms为反射式双曲面扩束镜，Mp为抛物面准直反射镜，M1、M2和M3分别为左、上和右分波面平面反射镜，Window-Dome为窗口或头罩，S-C为实时监控系统。
图2为三个分波面平面反射镜的对称安装方位示意图。
图3为实时监控系统主要组成及工作原理示意图。
图4为三组激光干涉条纹的光强分布示意图。
图5为采用负性光刻胶，并利用该激光蚀刻系统一次同步制作的三组光栅阵列分布示意图。
图6为任意遮挡一支光路，用剩下的两支激光束干涉制作的一维光栅示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，包括激光器、针孔滤波器和共轴反射式光学系统、实时监控系统，针孔滤波器的表面处理为黑体，针孔滤波器上通过激光打出小孔，针孔滤波器放置在激光器的输出束腰位置。该系统通过安装架固定在黑箱罩内，黑箱罩固定在光学隔振工作台上。
共轴反射式光学系统包括共轴的反射式双曲面扩束镜、折叠反射镜、抛物面准直反射镜和三个波面分割平面反射镜，所述折叠反射镜的中心开设有一个小孔，所述折叠反射镜位于反射式双面扩束镜和抛物面准直反射镜之间。该共轴反射式光学系统全为共轴设计，加工和调试方便，可保证制作的三组光栅微结构无畸变，激光先后经过针孔滤波、光路折叠、扩束、准直和波面分割。
如图2所示，M1、M2和M3三个分波面平面反射镜分别对称放置于一个圆周上的左、上和右方位，它们中间的空隙部位正好传输经扩束的圆锥状激光束。如图1所示，激光束经准直后，被三个平面反射镜波面分割，三个分波面激光束对称交汇于窗口或头罩的曝光位置。
如图3所示，该激光蚀刻系统有一个附加光路，即为实时监控系统(S-C)，物镜把光束会聚成像于光电探测器，光电探测器进行光电转换，输出的电信号经成像电路处理，由计算机显示器实时显示，计算机具有专用操控界面和记录功能，在最佳曝光工艺点时关闭快门，停止曝光。
如图4所示，三个分波面激光束两两干涉产生三组一维光栅干涉条纹，分别为左向、竖向和右向，并共同组成三组光栅干涉条纹光强分布，也可以看作正六边形无激光照射(暗)区域的阵列分布。
如图5所示，采用负性光刻胶，利用该激光蚀刻系统可以一次同步制作三组光栅，或者说正六边形微孔阵列分布；如采用正性光刻胶，将得到正六边形微柱阵列分布。
如图6所示，任意遮挡一支光路，用剩下的两支激光束干涉可以制作一维光栅。遮挡不同的光路，所制作的一维光栅栅线方向会改变。
所述的共轴反射式光学系统的反射式准直镜为一个大口径共轴抛物面反射镜，通过三个小口径抛物面反射镜空间组合替代，或通过大口径球面反射镜替代，或通过三个小口径球面反射镜空间组合替代。
所述的激光器采用氦镉激光器、氪离子激光器或紫外激光器。
所述的反射式双曲面扩束镜由球面反射镜和透镜替代。
所述的光电探测器为光电像增强器、固体微光器、可见和近红外CCD或短波/中波/长波红外探测器。
本发明的的主要技术指标为：
激光波长：λ＝0.4131μm；
光束发散角：0.5mrad；
相干长度：10cm；
模式选择：单模；
功率：≥30mW；
制冷方式：气冷；
供电：220V和24V；
物镜放大倍率：≥10×；
监控视频：分辨率1280×1024，帧频60Hz；
在空气里其刻蚀分辨率：λ/2＝0.2066μm；
光栅周期可调控范围：100μm～600μm；
三组光栅相互夹角(钝角)：120°±0.5°；
可制作的最大口径：≥Ф400mm。
该激光蚀刻系统制作的三组光栅微结构可以作为频率选择表面，在太阳能节能保密通讯窗玻璃、频率选择吸收太阳能高效转化面板、亚波长二维光栅宽波段增透光学窗口、电磁屏蔽和雷达隐身光学窗口或头罩等领域有重要的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，包括激光器、针孔滤波器和共轴反射式光学系统、实时监控系统，其特征在于，所述针孔滤波器的表面处理为黑体，针孔滤波器上通过激光打出小孔，所述针孔滤波器放置在激光器的输出束腰位置；
所述共轴反射式光学系统包括共轴的反射式双曲面扩束镜、折叠反射镜、抛物面准直反射镜和三个波面分割平面反射镜，所述折叠反射镜的中心开设有一个小孔，所述折叠反射镜位于反射式双面扩束镜和抛物面准直反射镜之间；
三个波面分割平面反射镜呈中心对称均匀分布，且三个波面分割平面反射镜位于折叠反射镜和抛物面准直反射镜之间，三个波面分割平面反射镜上分别设有方位调节机构，形成的三支激光束两两干涉，产生三组干涉条纹光强分布，通过曝光同步制作三组光栅；
所述实时监控系统包括依次连接的物镜、光电探测器、成像电路和操控计算机，被监测曝光面依次通过物镜的透射成像、光电探测器的光电信号转换、成像电路的信号处理和操控计算机的实时显示，操控计算机对快门实时控制。
2.根据权利要求1所述的三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，其特征在于，所述共轴反射式光学系统的反射式准直镜为一个大口径共轴抛物面反射镜，通过三个小口径抛物面反射镜空间组合替代，或通过大口径球面反射镜替代，或通过三个小口径球面反射镜空间组合替代。
3.根据权利要求1所述的三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，其特征在于，所述激光器采用氦镉激光器、氪离子激光器或紫外激光器。
4.根据权利要求1所述的三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，其特征在于，所述反射式双曲面扩束镜由球面反射镜和透镜替代。
5.根据权利要求1所述的三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，其特征在于，所述光电探测器为光电像增强器、固体微光器、可见和近红外CCD或短波/中波/长波红外探测器。
6.根据权利要求1所述的三组光栅微结构共轴反射式实时监控激光蚀刻系统，其特征在于，还包括安装架、黑箱罩和光学隔振工作台，该系统通过安装架固定在黑箱罩内，黑箱罩定在光学隔振工作台上。
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