CN107421648A - 一种用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件，包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜和第二棱镜的胶合面镀有分束膜，分束膜镀于第一棱镜或第二棱镜。第一入射光分别从第一棱镜上表面中心入射，经分束膜分束，从第一直角梯形面的斜边面和第二直角梯形面的斜边面对称水平出射；第二入射光分别从第二棱镜上表面中心入射，经分束膜分束，从第一直角梯形面的斜边面和第二直角梯形面的斜边面对称水平出射。移动棱镜可以实现对双光束干涉场周期的测量；在双光束中加入相位调制，可以实现对双光束干涉相位分布的测量。本发明可以用一种棱镜对双光束干涉场进行测量，具有结构简单、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及扫描干涉曝光系统技术领域，具体涉及在扫描干涉曝光系统中用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件。
背景技术
大尺寸光栅作为一种重要的色散光学元件，在高精度位移测量、光谱学、大型天文装置、惯性约束聚变中起着不可替代的作用。扫描干涉曝光SBIL(Scanning Beaminterference lithography)是制作大尺寸光栅的有效方法之一，该方法由美国麻省理工学院(MIT)提出。SBIL采用小口径双光束干涉，通过调制干涉条纹场与二维精密移动台同步，能制作出长度超过90cm的高质量光栅。
为了实现无拼缝曝光，必须对双光束干涉场周期进行精密测量。同时保证制作高对比度的光栅掩膜，双光束通常需要在束腰处进行干涉，以获得最小的相位畸变。MIT提出利用分束棱镜测量双光束干涉周期和标准光栅测量波前相位(参见“Nanometer-accurategrating fabrication with scanning beam interference lithography”，November 1,2002)，获得了高精度的周期数据，并利用波前相位作为反馈，调节光路使双光束在束腰处干涉。但是分别利用分束棱镜和光栅测量干涉周期和波前相位，导致系统极为复杂，同时成本也大大提高。
长春光机所姜珊等人，提出在小行程高精度移动台上测量干涉条纹周期(参见，“扫描干涉场曝光系统中干涉条纹周期精确测量方法”，2015年7月)，但该方法测量时，位移信号和实际光栅制作的二维移动台不一致，易导致误差。王玮等使用反射式光栅对双光束的干涉场非线性误差进行测量(参见“扫描干涉场曝光系统光斑尺寸与光路设计”，2017年3月)，使用的方法与MIT的类似，均需要重新搭建测量相位的装置。
发明内容
为了克服上述现有技术缺陷，本发明提出一种用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件，利用左右两束光在分束膜分束后，从左右对称出射，出射光束中包含双光束干涉场的相位信息和周期信息。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件，包括第一棱镜和第二棱镜，其特征在于，所述的第一棱镜至少具有一个第一直角梯形面，所述的第二棱镜至少具有一个第二直角梯形面，所述的第一直角梯形面与第二直角梯形面的尺寸相同，所述第一棱镜第一直角梯形面的短边与所述第二棱镜的短边胶合，形成胶合面，该胶合面上镀有分束膜，所述第一直角梯形面的直角边和第二直角梯形面的第二棱镜的直角边均镀有增透膜，所述第一直角梯形面的的斜边和和第二直角梯形面的斜边均镀有全反膜；
第一束入射光经所述第一直角梯形面的直角边的中心入射后，经所述分束膜分束，分为第一反射光和第一透射光，该第一反射光经所述第一直角梯形面的斜边反射后，从第一直角梯形面的长边出射，所述第一透射光经第二直角梯形面的的斜边反射后，从第二直角梯形面的长边出射；
第二束入射光经所述第二直角梯形面的直角边的中心入射后，经所述分束膜分束，分为第二反射光和第二透射光，该第二反射光经所述第二直角梯形面的斜边反射后，从第二直角梯形面的长边出射，所述第一透射光经第一直角梯形面的的斜边反射后，从第一直角梯形面的长边出射。
直角梯形面的长边与斜边的夹角γ与所述第一束入射光(4)和第二束入射光(7)的夹角2θ，满足如下关系：
其中，λ为第一入射光4、第二入射光7的波长，n为棱镜在波长为λ时的折射率。
直角梯形面的短边与所述第一束入射光和第二束入射光的汇聚点的距离H为：
其中，D为双光束入射到棱镜上表面入射点之间的距离。
与现有技术相比。本发明的技术效果如下：
1)通过移动棱镜，采集干涉信号，实现双光束干涉周期的测量。
2)在双光束中加入相位调制，利用相移方法，实现对双光束干涉场相位分布的测量。
3)具有结构简单、成本低的优点。
附图说明
图1是本发明用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件的结构示意图
图2是本发明测量双光束干涉周期的示意图
图3是本发明测量双光束干涉场相位分布的示意图
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应该限制本发明的保护范围：
请参阅图1，一种用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件，包括第一棱镜1和第二棱镜2，所述的第一棱镜1至少具有一个第一直角梯形面，所述的第二棱镜2至少具有一个第二直角梯形面，所述的第一直角梯形面与第二直角梯形面的尺寸相同，所述第一棱镜1第一直角梯形面的短边与所述第二棱镜2的短边胶合，形成胶合面，该胶合面上镀有分束膜3，所述第一直角梯形面的直角边11和第二直角梯形面的第二棱镜的直角边21均镀有增透膜，所述第一直角梯形面的的斜边12和第二直角梯形面的的斜边22均镀有全反膜；
第一束入射光4经所述第一直角梯形面的直角边11的中心入射后，经所述分束膜3分束，分为第一反射光和第一透射光，该第一反射光经所述第一直角梯形面的斜边12反射后，从第一直角梯形面的长边13出射，所述第一透射光经第二直角梯形面的的斜边22反射后，从第二直角梯形面的长边23出射；
第二束入射光7经所述第二直角梯形面的直角边21的中心入射后，经所述分束膜3分束，分为第二反射光和第二透射光，该第二反射光经所述第二直角梯形面的斜边22反射后，从第二直角梯形面的长边23出射，所述第一透射光经第一直角梯形面的的斜边12反射后，从第一直角梯形面的长边13出射。
直角梯形面的长边与斜边的夹角γ与所述第一束入射光4和第二束入射光7的夹角2θ，满足如下关系：
其中，λ为激光的波长，n为棱镜在波长为λ时的折射率。
直角梯形面的短边与所述第一束入射光和第二束入射光的汇聚点的距离H为：
其中，D为双光束入射到棱镜上表面入射点之间的距离。
本发明实施的用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件的具体参数如下：扫描干涉曝光制作线密度为1780线/mm的光栅，曝光波长为λ＝405nm，所需的双光束的夹角为2θ＝42.2557°，左右光束入射点间的距离为D＝12.5mm，石英材料在405nm波长下的折射率n＝1.4696。根据先前的公式，棱镜底边角γ＝52.0989°，第一束入射光和第二束入射光的汇聚点的距离为：H＝16.1739mm。
本发明的具体实施步骤如下：
①请参阅图2，将所述第一棱镜1和第二棱镜2组成的胶合棱镜放置在双光束光路中。胶合棱镜置于三维调整架上，调整胶合棱镜俯仰偏摆高度，使第一直角梯形面的斜边12反射出来的两束光重合并入射到光电探测器9；
②请参阅2，是本发明测量双光束干涉周期的示意图。高精度移动台(未画出)带动所述棱镜在X方向移动，出射光5被光电探测器9接收。由于棱镜移动，出射光5包含的两个光斑开始分离。当棱镜移动距离为d时，第一入射光束4相比之前，光程增加δL＝dsinθ；第二入射入射光束4相比之前，光程增加δR＝-dsinθ；光斑重合部分发生干涉，光程差δL-δR＝2dsinθ。
双光束干涉行程的条纹周期为p：
λ为双光束的波长。
由光电探测器9接收的信号，为周期信号，相位变化为
光电探测器接收的信号周期与双光束的条纹周期相同，经计算机(未画出)采集到的信号，通过最小二乘法处理，即可得到条纹的周期信息。
③请参阅图3，调整胶合棱镜，使第二直角梯形面的斜边(22)反射出来的两束光重合并入射到图像传感器CCD(10)，图像传感器(10)采集两束光的干涉条纹；
④请参阅图3，是本发明测量双光束干涉场相位分布的示意图。在出射光8处放置图像传感器CCD10。出射光8包含第一入射光4的透射光和第二入射光7的反射光。图像传感器CCD10接收到的图像中，包含双光束干涉场的相位信息。通过一定的相移装置(未画出)，比如移动光栅或者声光调制器(未画出)，可以在两束光引入相移。利用五步相移法，恢复双光束干涉场的相位。计算出的相位可作为反馈信息，调整光路，以达到双光束干涉场相位畸变最小的目的。
Claims (2)
1.一种用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件，包括第一棱镜(1)、第二棱镜(2)，其特征在于，所述的第一棱镜(1)至少具有一个第一直角梯形面，所述的第二棱镜(2)至少具有一个第二直角梯形面，所述的第一直角梯形面与第二直角梯形面的尺寸相同，所述第一棱镜(1)第一直角梯形面的短边与所述第二棱镜(2)的短边胶合，形成胶合面，该胶合面上镀有分束膜(3)，所述第一直角梯形面的直角边(11)和第二直角梯形面的第二棱镜的直角边(21)均镀有增透膜，所述第一直角梯形面的的斜边(12)和第二直角梯形面的的斜边(22)均镀有全反膜；
第一束入射光(4)经所述第一直角梯形面的直角边(11)的中心入射后，经所述分束膜(3)分束，分为第一反射光和第一透射光，该第一反射光经所述第一直角梯形面的斜边(12)反射后，从第一直角梯形面的长边(13)出射；所述第一透射光经第二直角梯形面的的斜边(22)反射后，从第二直角梯形面的长边(23)出射；
第二束入射光(7)经所述第二直角梯形面的直角边(21)的中心入射后，经所述分束膜(3)分束，分为第二反射光和第二透射光，该第二反射光经所述第二直角梯形面的斜边(22)反射后，从第二直角梯形面的长边(23)出射，所述第一透射光经第一直角梯形面的的斜边(12)反射后，从第一直角梯形面的长边(13)出射。
2.根据权利1所述的用于测量双光束干涉场周期和相位分布的棱镜组件，其特征在于：直角梯形面的长边与斜边的夹角γ与所述第一束入射光(4)和第二束入射光(7)的夹角2θ，满足如下关系：
其中，λ为第一入射光4、第二入射光7的波长，n为棱镜在波长为λ时的折射率。
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| CN2291668Y (zh) * | 1997-03-19 | 1998-09-16 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 双角反射体横向剪切分束器 |
| US7230754B2 (en) * | 2003-08-15 | 2007-06-12 | Meade Instruments Corp. | Neutral white-light filter device |
| CN104729402A (zh) * | 2015-03-23 | 2015-06-24 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪 |
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2017
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