CN108761602B - 一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法 - Google Patents

一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于信息光学领域，涉及一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，为解决制作平行等间距条纹全息光栅时曝光光束平行度差的技术问题，在准直透镜的后方放置体布拉格光栅，曝光光束入射至体布拉格光栅的入射角等于所述体布拉格光栅的布拉格角，在曝光光束入射至体布拉格光栅后的‑1级透射衍射光路上放置光电探测器；沿着光轴前后移动针孔滤波器，实时观察光电探测器的读数，当光电探测器的读数最大时，固定针孔滤波器并且保持第一针孔滤波器与第一准直透镜间距恒定；本发明提出了一种自准直光路的调节方法，用体布拉格光栅来检测自准直光的平行度，代替传统的莫尔条纹调节方法，操作简单，具有很强的实用价值。

Description

一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法
技术领域
本发明属于信息光学领域，涉及一种干涉光路自准直光路的调节方法。
背景技术
平面平行等间距条纹全息光栅是一种重要的衍射光学元件，广泛应用于光谱仪、光通信、光学计量、强激光系统等。该类光栅对光栅条纹的平行性也提出了苛刻的要求，记录光的平行性差，直接影响到光栅的波像差。因此，记录全息光栅的平行光的自准直性要好。准直光路的光学器件一般用非球面透镜或离轴抛物面镜来自准直，获得平行光。常见的全息光路准直性检测方法有莫尔条纹法和标准参考光栅法。莫尔条纹法：如附图2所示，先用自准直法，将平行光再返回针孔滤波器，根据先验知识，返回的光斑直径约5mm，认为针孔位于透镜的前焦点上，产生平行光；按照传统的全息曝光和显影，将制作的光栅基板旋转180度置于原光路中，调节莫尔条纹周期到厘米量级，观察莫尔条纹，若发现莫尔条纹呈碗状弯曲，则说明针孔离焦，调节针孔的前后位置，直至莫尔条纹成水平状态，记录水平调节的位移量，然后返回调节量的一半，此时针孔位于准直透镜的前焦面上，该方法需要制作检测光栅，容易受到环境的影响，时效性差。准标参考光栅法：将标准光栅置于带曝光支架上，如附图2所示，先用自准直法，将平行光再返回针孔滤波器，根据先验知识，返回的光斑直径约5mm，认为针孔位于透镜的前焦点上，产生平行光，观察标准参考光栅的莫尔条纹，调节莫尔条纹周期到厘米量级，若发现莫尔条纹呈碗状弯曲，则说明针孔离焦，调节针孔的前后位置，直至莫尔条纹成水平状态，此时说明针孔位于准直透镜的前焦面上，该方法需要标准参考光栅，标准光栅制作十分复杂，需要用干涉仪反复检测，直至制备出低像差的标准光栅。
发明内容
为解决制作平行等间距条纹全息光栅时曝光光束平行度差的技术问题，本发明技术方案如下：
一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，所述的全息光栅光刻系统用于制作平行等间距条纹的全息光栅；该全息光栅光刻系统包括相干光源、分束器、第一反射镜，第二反射镜，第一针孔滤波器，第二针孔滤波器，第一准直透镜，第二准直透镜；
相干光源发出的光经过分束器后被分成透射光路和反射光路；沿着光传播方向反射光路上依次放置第一反射镜、第一针孔滤波器、第一准直透镜；透射光路上依次放置第二反射镜、第二针孔滤波器、第二准直透镜；反射光路经过第一准直透镜后的光作为第一曝光光束，透射光路经过第二准直透镜后的光作为第二曝光光束；
其特征在于：
以靠近相干光源端为前方，光传播方向为后方；在第一准直透镜的后方放置体布拉格光栅，且第一曝光光束入射至体布拉格光栅的入射角等于所述体布拉格光栅的布拉格角；在第一曝光光束入射至体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上放置光电探测器；
将第一针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察光电探测器的读数；当光电探测器的读数最大时，固定第一针孔滤波器并且保持第一针孔滤波器与第一准直透镜间距恒定；
再将所述的体布拉格光栅放置在第二准直透镜的后方，且第二曝光光束入射至体布拉格光栅的入射角等于所述体布拉格光栅的布拉格角；将所述的光电探测器放置在第二曝光光束入射至体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上；
将第二针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察所述光电探测器的读数；当光电探测器的读数最大时，固定第二针孔滤波器并且保持第二针孔滤波器与第二准直透镜间距恒定；
经过上述调整后，移除所述体布拉格光栅与光电探测器。
上述方案中所述的光电探测器的读数最大时应理解为针孔滤波器沿着光轴来回移动时，光电探测器实际探测到体布拉格光栅-1级透射衍射光衍射效率的最大值。
上述技术方案用于调整干涉光路自准直的原理为：当第一曝光光束的光轴与体布拉格光栅的外法线的夹角满足2d0θbsin＝λc时，其中d0为体布拉格光栅的光栅周期，θb为入射光与体布拉格光栅外法线的夹角(即体布拉格光栅的布拉格角)，λc为入射光的波长，体布拉格光栅的-1级衍射效率最大；入射光的角度一旦偏离布拉格角一个微小量，体布拉格的-1级衍射效率即迅速下降，当偏离角度超出一定范围时(±0.01°)，衍射效率就降低为衍射效率峰值的一半；当光束为平行光时，体布拉格光栅的-1级衍射效率达到峰值，此时第i光电探测器的读数最大值；当第一曝光光束是发散光或者会聚光时，大部分入射光将偏离体布拉格光栅的布拉格角，-1级衍射光衍射效率急剧下降；具体调节方法是：将第一针孔滤波器沿着光轴前后扫描，实时观察光电探测器的读数，当发现光电探测器的读数达到最大值时，立即停止扫描，此时第一针孔滤波器准确的放置在了第一准直透镜的物方焦点上，第一曝光光束被准直为平行光；按照同样方法第二曝光光束也被准直为平行光，自准直光束调节完毕；调整完毕后移除体布拉格光栅与电探测器，第一曝光光束与第二曝光光束干涉产生平行等间距干涉条纹，用该干涉条纹对待曝光全息记录干版进行光刻即可获得平行等间距条纹的全息光栅。
为了便于控制全息光栅的周期，优选方案：所述的第一曝光光束与第二曝光光束关于待曝光全息记录干版法线方向对称排布，并且满足2dsinθ＝λ，其中d为待制作全息光栅的周期，λ为相干光源波长，θ为第一曝光光束与第二曝光光束夹角的一半。
为了过滤光路中杂散光，获得更干净的干涉条纹优选方案：第一反射镜与第一针孔滤波器之间还设置有第一光阑；第二反射镜与第二针孔滤波器之间还设置有第二光阑。
所述的准直透镜可以选用平凸非球面准直透镜，可以矫正球差，获得高质量平行光。
附图说明
图1为制作平行等间距条纹的全息光栅曝光示意图；
图2为自准直光路粗调示意图；
图3为自准直光路精调示意图；
图4为制作平行等间距条纹全息光栅的光刻系统示意图；
其中：1为相干光源，2为分束器，3为第一反射镜，4为第二反射镜，5为第一光阑，6为第二光阑，7为第一针孔滤光波器，8为第二针孔滤波器，9为第一准直透镜，10为第二准直透镜，11为待曝光全息记录干版，12为平面反射镜，13为第一体布拉格光栅，14为第一光电探测器，15为第二光电探测器，16为第二体布拉格光栅。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，所述的全息光栅光刻系统用于制作平行等间距条纹的全息光栅；该全息光栅光刻系统如图1所示：包括相干光源1，分束器2，第一反射镜3，第二反射镜4，第一光阑5，第二光阑6，第一针孔滤波器7，第二针孔滤波器8，第一准直透镜9，第二准直透镜10，待曝光全息记录干版11，平面反射镜12，第一体布拉格光栅13，第一光电探测器14；上述所述的光学元件均放置在全息平台上；相干光源发出的光经过分束器后被分成透射光路和反射光路；沿着光传播方向反射光路上依次放置第一反射镜、第一针孔滤波器、第一准直透镜；透射光路上依次放置第二反射镜、第二针孔滤波器、第二准直透镜；反射光路经过第一准直透镜后的光作为第一曝光光束，透射光路经过第二准直透镜后的光作为第二曝光光束；
自准直调节步骤如下：
1、调节光轴水平并核定光轴高度：根据待曝光全息记录干版的尺寸，以待曝光全息记录干版的几何中心距全息平台的垂直距离核定为光轴高度；
2、排布制作全息光栅的曝光光路：激光经过相干光源1后，经过分束器2，对激光分束，分成透射光束和反射光束；依次排布反射光束各元件，包括第一光阑5，第一针孔滤波器7，第一准直透镜9；再依次排布透射光束各元件，包括第二光阑6，第二针孔滤波器8，第二准直透镜10，将两曝光光束对称排布，按照光栅周期的要求，并且满足2dsinθ＝λ，其中d为待制作全息光栅的周期，λ为激光波长，θ为两曝光光束夹角的一半，尽量保证两曝光光束的光程一致；
3、自准直光束粗调：先在第一准直透镜后垂直光轴方向插入平面反射镜，如图2所示，沿光轴调整第一针孔滤波器位置，使第一曝光光束被平面反射镜反射回光束通过第一针孔滤波器；
将所述的平面反射镜垂直光轴方向插入第一准直透镜后，沿光轴调整第二针孔滤波器位置，使第二曝光光束被平面反射镜反射回光束通过第二针孔滤波器；
4、自准直光束细调：以靠近相干光源端为前方，光传播方向为后方；在第一准直透镜的后方放置第一体布拉格光栅，如图3所示，且第一曝光光束入射至第一体布拉格光栅的入射角等于所述第一体布拉格光栅的布拉格角；在第一曝光光束入射至第一体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上放置第一体光电探测器；
将第一针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察第一体光电探测器的读数；当第一体光电探测器的读数最大时，固定第一针孔滤波器并且保持第一针孔滤波器与第一准直透镜间距恒定；
再将所述的第一体布拉格光栅放置在第二准直透镜的后方，且第二曝光光束入射至第一体布拉格光栅的入射角等于所述第一体布拉格光栅的布拉格角；将所述的第一光电探测器放置在第二曝光光束入射至体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上；
将第二针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察所述第一光电探测器的读数；当第一光电探测器的读数最大时，固定第二针孔滤波器并且保持第二针孔滤波器与第二准直透镜间距恒定；
经过上述调整后，移除所述第一体布拉格光栅与第一光电探测器。
实施例二：
一种制作平行等间距条纹全息光栅的光刻系统，如图4所示：所述的全息光栅光刻系统用于制作平行等间距条纹的全息光栅；该全息光栅光刻系统包括相干光源1、分束器2、第一反射镜3，第二反射镜4，第一光阑5，第二光阑6，第一针孔滤波器7，第二针孔滤波器8，第一准直透镜9，第二准直透镜10；第一体布拉格光栅13、第二体布拉格光栅16、第一光电探测器14、第二光电探测器15；
相干光源发出的光经过分束器后被分成透射光路和反射光路；沿着光传播方向反射光路上依次放置第一反射镜、第一光阑、第一针孔滤波器、第一准直透镜；透射光路上依次放置第二反射镜、第二光阑、第二针孔滤波器、第二准直透镜；反射光路经过第一准直透镜后的光作为第一曝光光束，透射光路经过第二准直透镜后的光作为第二曝光光束；
其特征在于：
以靠近相干光源端为前，光传播方向为后；第一准直透镜的后方放置第一体布拉格光栅，所述的第一体布拉格光栅口径小于第一准直透镜口径，且第一曝光光束入射至第一体布拉格光栅的入射角等于第一体布拉格光栅的布拉格角，第一光电探测器放置在第一曝光光束入射至第一体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上；用于测量其-1级透射衍光的衍射效率；
第二准直透镜的后方放置第二体布拉格光栅，所述的第二体布拉格光栅口径小于第二准直透镜口径，且第二曝光光束入射至第二体布拉格光栅的入射角等于第二体布拉格光栅的布拉格角，第二电探测器放置在第二曝光光束入射至第二体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上；用于测量其-1级透射衍光的衍射效率。
上述技术方案中将两个体布拉格光栅分别放置在部分第一曝光光束与部分第二曝光光束上，且各用一个光电探测器检测其体布拉格-1级透射衍射光衍射效率；，只对第一曝光光束与第二曝光光束的边缘光线进行采样监控，未被采样监控的第一曝光光束与第二曝光光束部分对全息干版进行干涉光刻，若在干涉拍摄过程中发现光电探测器数值发生明显变化则说明曝光光束已偏离平行光，可以根据偏离的程度判定是否在误差允许范围之内，并决定是否需要终止曝光。
为了实现闭环控制，更优的方案为：分别将第一针孔滤波器、第二针孔滤波器安装在PZT平移台上，并将光电探测器的数值实时反馈至PZT平移台，所述的PZT平移台可沿着光轴方向平移；若光电探测器探测的数值发生变化，该变化数值实时反馈至PZT平移台，PZT平移台根据光电探测器的数值变化沿光轴方向移动调整针孔滤波器与准直透镜间距使光电探测器数值恢复至最大值，从而实现自准直状态位置锁定。
本发明技术方案的使用带来的技术效果是：使用体布拉格光栅-1级透射衍射效率作为平行光的判断标准可以较为精确的确定针孔滤波器与准直透镜之间的距离，准确的将针孔滤波器的小孔放置在准直透镜的物方焦点上，从而实现干涉光路的准直；此外该方法有助于实现对曝光光束平行性的实时监控，配合PZT平移台还可以实现对平行光的锁定，从而提高了平行等间距条纹的全息光栅的拍摄质量。
本技术方案未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，所述的全息光栅光刻系统用于制作平行等间距条纹的全息光栅；该全息光栅光刻系统包括相干光源、分束器、第一反射镜，第二反射镜，第一针孔滤波器，第二针孔滤波器，第一准直透镜，第二准直透镜；
相干光源发出的光经过分束器后被分成透射光路和反射光路；沿着光传播方向反射光路上依次放置第一反射镜、第一针孔滤波器、第一准直透镜；透射光路上依次放置第二反射镜、第二针孔滤波器、第二准直透镜；反射光路经过第一准直透镜后的光作为第一曝光光束，透射光路经过第二准直透镜后的光作为第二曝光光束；
其特征在于：
以靠近相干光源端为前方，光传播方向为后方；在第一准直透镜的后方放置体布拉格光栅，且第一曝光光束入射至体布拉格光栅的入射角等于所述体布拉格光栅的布拉格角；在第一曝光光束入射至体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上放置光电探测器；所述体布拉格光栅的口径小于第一准直透镜的口径及第二准直透镜的口径；
将第一针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察光电探测器的读数；当光电探测器的读数最大时，固定第一针孔滤波器并且保持第一针孔滤波器与第一准直透镜间距恒定；
再将所述的体布拉格光栅放置在第二准直透镜的后方，且第二曝光光束入射至体布拉格光栅的入射角等于所述体布拉格光栅的布拉格角；将所述的光电探测器放置在第二曝光光束入射至体布拉格光栅后的-1级透射衍射光路上；
将第二针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察所述光电探测器的读数；当光电探测器的读数最大时，固定第二针孔滤波器并且保持第二针孔滤波器与第二准直透镜间距恒定。
2.根据权利要求1所述的全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，其特征在于：
在第一曝光光束与第二曝光光束上各放置一个体布拉格光栅，且各用一个光电探测器实时检测其体布拉格-1级透射衍射光衍射效率。
3.根据权利要求2所述的全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，其特征在于：分别将第一针孔滤波器、第二针孔滤波器安装在PZT平移台上，并将光电探测器的数值实时反馈至对应的PZT平移台；若光电探测器探测的数值发生变化，该变化数值实时反馈至PZT平移台，PZT平移台根据光电探测器的数值变化沿光轴方向移动，调整针孔滤波器与准直透镜间距使光电探测器数值恢复至最大值。
4.根据权利要求1-3之一所述的全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，其特征在于：所述的第一准直透镜与第二准直透镜为平凸非球面准直透镜。
5.根据权利要求1-3之一所述的全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，其特征在于：使用一块平面反射镜辅助装调，辅助装调完成后再用体布拉格光栅进行装调；
所述的平面反射镜辅助装调步骤为：
先在第一准直透镜后垂直光轴方向插入平面反射镜，沿光轴调整第一针孔滤波器位置，使第一曝光光束被平面反射镜反射回光束通过第一针孔滤波器；
将所述的平面反射镜垂直光轴方向插入第二准直透镜后，沿光轴调整第二针孔滤波器位置，使第二曝光光束被平面反射镜反射回光束通过第二针孔滤波器。
6.根据权利要求1-3之一所述的全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，其特征在于：所述的第一曝光光束与第二曝光光束关于待曝光全息记录干版法线方向对称排布，并且满足2dsinθ＝λ，其中d为待制作全息光栅的周期，λ为相干光源波长，θ为第一曝光光束与第二曝光光束夹角的一半。
7.根据权利要求1-3之一所述的全息光栅光刻系统中干涉光路自准直的调节方法，其特征在于：第一反射镜与第一针孔滤波器之间还设置有第一光阑；第二反射镜与第二针孔滤波器之间还设置有第二光阑。
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