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Abstract

本发明公开一种集成偏振光栅制备系统及方法，利用激光双光束干涉原理，结合空间光场调制技术，通过一次曝光或多次曝光实现大面积集成化偏振光栅的快速纳米尺度加工。其方法包括：利用数字微镜元件实现光线的选通，并同时实现对一路光(调制光)振幅的调制，利用一组相互平行的反射镜控制另一路光(参考光)的入射方向，通过旋转这组相互平行的反射镜，可控制参考光和调制光的空间角以及干涉条纹的方向。这为获得不同周期不同角度的偏振光栅提供了基础。通过本发明的偏振光栅制备方法，可实现在光刻胶上大面积制作不同周期的偏振光栅。

Description

一种集成偏振光栅制备系统及方法
技术领域
本发明属于光刻微纳加工领域，涉及到一种集成偏振光栅制备系统及方法。
背景技术
偏振作为光的三大属性之一，具有广阔的研究和应用前景。偏振光栅作为一种新型偏振光学元件，通过对光波偏振态的周期性调制,产生一种偏振依赖的衍射场，可将单色平面波分裂成若干束具有不同偏振态的子光波。亚波长偏振光栅除了能替代晶体作偏振光分束器外,还可以用作光开关、光互联器件,并且在偏振模色散的测量和补偿、偏振光的实时检测、偏振光数据处理、生物成像、偏振光相关的仪器设备等领域都有较多的应用。
近年来，投影曝光技术和电子束等技术一次又一次地打破了最小尺寸的记录，微纳加工技术的发展使得我们能制造出尺寸更小，精度更高，结构更复杂的器件。通常采用电子束曝光+离子束刻蚀的方法来制备集成偏振光栅，但其设备昂贵、工艺周期长、生产效率低下、无法实现大面积制备的问题，严重限制了偏振光栅的发展与应用。
干涉光刻是利用双光束或者多光束干涉生成明暗相间的条纹在光刻胶上曝光，通过显影等一系列工艺，将干涉产生的图形转移到衬底表面。其特点是无需掩膜版，直接作用于衬底表面，操作简单，适合于大面积大视场的加工，干涉光刻理论上最小制作衬底图形的周期可以到λ/2。
发明内容
本发明目的是提供一种可大面积快速制备集成偏振光栅的系统及方法。基于光的干涉原理，结合空间光场调制技术，调节参考光和调制光的空间角，通过一次曝光或多次曝光，结合现有的刻蚀工艺，可实现不同周期偏振光栅的微纳尺度加工。
为实现上述目的，本发明提供一种方案如下：
一种集成偏振光栅制备系统，包括激光器、准直透镜、分光镜、第一反射镜、数字微镜元件(DMD)、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、基片、6维移动平台、计算机控制系统；激光器发出的激光经过准直透镜后形成平面波，被分光镜分为相互垂直的两束光，其中反射光束经第一反射镜反射后照射到数字微镜元件(DMD)上，光束经调制后再由第二反射镜反射到达基片；透射光束则连续被第三反射镜和第四反射镜反射到达基片与调制光束发生干涉；其中，激光器、准直透镜、分光镜和第三反射镜共线放置，激光光束以45°角入射分光镜，第一反射镜与分光镜相互平行放置，与数字微镜元件(DMD)相互垂直放置；第三反射镜和第四反射镜位置相互平行，并且安装在同一组机械臂上，6维移动平台安放在调制光束垂直出射的方向上，通过计算机控制系统控制移动6维移动平台，可以改变干涉角和曝光区域。
其中，所述激光器为He-Cd激光器，其输出波长为325nm。
其中，通过计算机控制系统控制数字微镜元件(DMD)实现光线间隔选通，配合机械臂移动相互平行的第三反射镜、第四反射镜控制干涉光束的入射角，旋转机械臂控制干涉条纹的方向。
一种集成偏振光栅制备方法，利用所述的集成偏振光栅制备系统，该方法包括如下步骤：
步骤1、通过计算机系统控制数字微镜元件(DMD)对调制光路光束进行光场调制，保证调制光束垂直入射到基片；
步骤2、通过计算机系统控制机械臂调节参考光束与调制光束相交，并调节至所需要的干涉角度；
步骤3、通过计算机系统控制6维移动平台，使得基片所在平面到达光束干涉所在平面，从而利用光的干涉制备光栅。
其中，集成偏振光栅的周期和面积由参考光入射角、调制光光场和曝光次数共同决定；调制光光场的多样性保证了该方法可用于制作多种不同尺度的集成偏振光栅。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明结合光场强度调制和干涉光刻，利用入射光束可多角度调节特性，经过一次或多次在光刻胶上曝光，可大面积快速实现多种不同周期的集成偏振光栅的制备。对比现有工艺方法，效率大大提高，设备更简易灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1为一种集成偏振光栅制备系统光路图。
图2为光束干涉示意图。
图3为两次曝光光强分布示意图。
图中附图标记含义为：11为激光器，12为准直透镜，13为分光镜，14为第一反射镜，15为数字微镜元件(DMD)，16为第二反射镜，17为第三反射镜，18为第四反射镜，19为基片，110为6维移动平台，111为计算机控制系统。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明提出一种集成偏振光栅制备方法，利用325nm波长激光，结合光场强度调制，两束光在基片上干涉并产生干涉条纹分布，通过一次或多次曝光，可实现大面积、低成本快速加工偏振光栅。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
参见图1，为本发明实施一种集成偏振光栅制备方法。如图1所示，该系统包括激光器11、准直透镜12、分光镜13、第一反射镜14、数字微镜元件(DMD)15、第二反射镜16、第三反射镜17、第四反射镜18、基片19、6维移动平台110、计算机控制系统111，准直透镜12将激光束准直成平行光束，分光镜13作为分光元件将入射激光分成两束光，一束作为参考光，一束通过数字微镜元件(DMD)15作为调制光，在基片19表面产生干涉。数字微镜元件(DMD)15由计算机控制系统111直接控制，从而对调制光束进行强度调制。
参考光路中第三反射镜17、第四反射镜18相互平行且同轴安装在一个机械臂上，从而保证参考光束改变入射角度时光束能够达到基片19上，并且可通过旋转机械臂控制干涉条纹方向。调制光路中DMD需与第二反射镜16同轴安装，保证调制光束垂直入射到基片19上。
参见图2，为本发明两光束发生干涉时光束入射空间角位置示意图，其中调制光束始终垂直入射到基片19上，通过调节参考光束入射角度，就可获得不同周期的偏振光栅。结合示意图，若基片面坐标为(x,y,z),单次曝光后基片面光强分布为：
其中，I0是参考光束和调制光束的光强，λ代表光的波长，(cosα,cosβ,cosγ)是参考光路的空间方位角余弦，F(u,v)是光学调制函数。
参见图3，为本发明制作的集成偏振光栅示意图，由于本发明仅对调制光路实现光线的选通，参考光可全部到达基片19，故在进行曝光步骤时，应调节孔径光阑和开闭并严格控制曝光时间，避免出现曝光过度的情况。

Claims (5)

1.一种集成偏振光栅制备系统，其特征在于：包括激光器(11)、准直透镜(12)、分光镜(13)、第一反射镜(14)、数字微镜元件(DMD)(15)、第二反射镜(16)、第三反射镜(17)、第四反射镜(18)、基片(19)、6维移动平台(110)、计算机控制系统(111)；激光器(11)发出的激光经过准直透镜(12)后形成平面波，被分光镜(13)分为相互垂直的两束光，其中反射光束经第一反射镜(14)反射后照射到数字微镜元件(DMD)(15)上，光束经调制后再由第二反射镜(16)反射到达基片(19)；透射光束则连续被第三反射镜(17)和第四反射镜(18)反射到达基片(19)与调制光束发生干涉；其中，激光器(11)、准直透镜(12)、分光镜(13)和第三反射镜(17)共线放置，激光光束以45°角入射分光镜(13)，第一反射镜(14)与分光镜(13)相互平行放置，与数字微镜元件(DMD)(15)相互垂直放置；第三反射镜(17)和第四反射镜(18)位置相互平行，并且安装在同一组机械臂上，基片(19)的位置通过6维移动平台(110)的移动来改变，6维移动平台(110)安放在激光器(11)出射光束方向上，计算机控制系统(111)控制着机械臂和6维移动平台(110)的移动。
2.根据权利要求1所述的集成偏振光栅制备系统，其特征在于：所述激光器(11)为He-Cd激光器，其输出波长为325nm。
3.根据权利要求1所述的集成偏振光栅制备系统，其特征在于：通过计算机控制系统(111)控制数字微镜元件(DMD)(15)实现光线间隔选通，配合机械臂移动相互平行的第三反射镜(17)、第四反射镜(18)控制干涉光束的入射角，旋转机械臂控制干涉条纹的方向。
4.一种集成偏振光栅制备方法，利用权利要求1所述的集成偏振光栅制备系统，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1、通过计算机系统(111)控制数字微镜元件(DMD)(15)对调制光路光束进行光场调制，保证调制光束垂直入射到基片(19)；
步骤2、通过计算机系统(111)控制机械臂调节参考光束与调制光束相交，并调节至所需要的干涉角度；
步骤3、通过计算机系统(111)控制6维移动平台(110)，使得基片所在平面到达光束干涉所在平面，从而利用光的干涉制备光栅。
5.根据权利要求4所述的集成偏振光栅制备方法，其特征在于：集成偏振光栅的周期和面积由参考光入射角、调制光光场和曝光次数共同决定；调制光光场的多样性保证了该方法可用于制作多种不同尺度的集成偏振光栅。
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