CN109870754A - 一种二维平面全息光栅曝光装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及全息光栅制作的技术领域，具体公开一种二维平面全息光栅曝光装置，包括用于发射光源激光的激光器、二分之一波片、第一定频声光调制器、偏振分束棱镜、第一分束棱镜、第一移频声光调制器、第一平面反射镜、第一滤波准直系统、第一分光片、第二定频声光调制器、第二平面反射镜、第二滤波准直系统、第二分光片、第二分束棱镜、第二移频声光调制器、第三平面反射镜、第三滤波准直系统、第三分光片、第三定频声光调制器、第四平面反射镜、第四滤波准直系统、第四分光片、外差相位测量模块、二维运动工作台和控制系统。该装置采用小尺寸的二维干涉图样在光栅基底上进行扫描曝光，所制作光栅尺寸仅与工作台行程有关。

Description

一种二维平面全息光栅曝光装置

技术领域

本申请涉及全息光栅制作的技术领域，特别涉及一种二维平面全息光栅曝光装置。

背景技术

二维平面全息光栅在高密度磁存储、二维工作台位移精密测量等方面具有重要应用，通常的二维平面全息光栅曝光方法是采用一维光栅曝光系统连续进行两次曝光，或直接采用双洛埃镜曝光系统形成的二维干涉图样一次性完成曝光。随着磁存储容量的增加及二维工作台行程的增加，对大面积二维平面光栅的需求日益增加。

采用上述的两种曝光方法进行大面积二维平面全息光栅制作时，曝光系统需包含大口径的准直透镜或大面积的洛埃镜。但大口径准直透镜或大面积洛埃镜的材料获取、精密加工存在较大难度。因此由于曝光系统中准直透镜或洛埃镜尺寸的限制，已有的曝光方法在制作大面积的二维平面全息光栅时存在困难。

发明内容

本发明提出一种二维平面全息光栅曝光装置，该装置采用小尺寸的二维干涉图样在光栅基底上进行扫描曝光，所制作光栅尺寸仅与工作台行程有关，由于本装置无需大口径光学元件，可用于任意尺寸二维平面全息光栅的制作，特别适于大面积二维平面光栅的制作。

为实现上述目的，本申请提供一种二维平面全息光栅曝光装置，包括用于发射光源激光的激光器、二分之一波片、第一定频声光调制器、偏振分束棱镜、第一分束棱镜、第一移频声光调制器、第一平面反射镜、第一滤波准直系统、第一分光片、第二定频声光调制器、第二平面反射镜、第二滤波准直系统、第二分光片、第二分束棱镜、第二移频声光调制器、第三平面反射镜、第三滤波准直系统、第三分光片、第三定频声光调制器、第四平面反射镜、第四滤波准直系统、第四分光片、外差相位测量模块、二维运动工作台和控制系统；

二维运动工作台上，沿着X轴方向设置有用于测量二维运动工作台X方向位移的X轴位移测量镜，沿着Y轴方向设置有用于测量二维运动工作台Y方向位移的Y轴位移测量镜，沿着Z轴方向固定有光栅基底；

X轴位移测量镜连接有X轴位移测量干涉计；

Y轴位移测量镜连接有Y轴位移测量干涉计；

光源激光经过二分之一波片调整偏振方向后，入射到第一定频声光调制器，第一定频声光调制器出射零级光和一级光，零级光经偏振分束棱镜分束后，形成偏振方向正交、传播方向正交的第一主光束和第二主光束，一级光用于入射到外差相位测量模块；

第一分束棱镜用于将经反射的第一主光束分束以形成XOZ平面的光束I和光束II；

第一移频声光调制器用于将光束I调制为用作XOZ平面左臂光束的一级光；

第一平面反射镜用于将XOZ平面左臂光束反射到第一滤波准直系统；

第一滤波准直系统用于将XOZ平面左臂光束变为毫米级口径的准直光束；

第一分光片用于将由第一滤波准直系统获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底的第一曝光光束和用于进入外差相位测量模块(43)的第一测量光束；

第二定频声光调制器用于将光束II调制为用作XOZ平面右臂光束的一级光；

第二平面反射镜用于将XOZ平面右臂光束反射到第二滤波准直系统；

第二滤波准直系统用于将XOZ平面右臂光束变为毫米级口径的准直光束；

第二分光片用于将由第二滤波准直系统获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底的第二曝光光束和用于进入外差相位测量模块的第二测量光束；

第二分束棱镜用于将第二主光束分束以形成YOZ平面的光束III和光束IV；

第二移频声光调制器用于将光束III调制为用作YOZ平面左臂光束的一级光；

第三平面反射镜用于将YOZ平面左臂光束反射到第三滤波准直系统；

第三滤波准直系统用于将YOZ平面左臂光束变为毫米级口径的准直光束；

第三分光片用于将由第三滤波准直系统获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底的第三曝光光束和用于进入外差相位测量模块的第三测量光束；

第三定频声光调制器用于将光束IV调制为用作YOZ平面右臂光束的一级光；

第四平面反射镜用于将YOZ平面右臂光束反射到第四滤波准直系统；

所述第四滤波准直系统用于将YOZ平面右臂光束变为毫米级口径的准直光束；

第四分光片用于将由第四滤波准直系统获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底的第四曝光光束和用于进入外差相位测量模块的第四测量光束；

第一曝光光束和第二曝光光束干涉，在XOY平面形成沿X方向分布的干涉条纹；

第三曝光光束和第四曝光光束干涉，在YOZ平面形成沿Y方向分布的干涉条纹；

X方向分布的干涉条纹和Y方向分布的干涉条纹形成小口径的二维干涉图样；

外差相位测量模块包括第三分束棱镜、反射镜I、反射镜II、由三个半反半透面制成的多合一分束棱镜、第一检偏器、第一接收器、第二检偏器、第二接收器、第三检偏器、第三接收器、第四检偏器和第四接收器；

一级光经过第三分束棱镜分束后，两束光束分别通过反射镜I和反射镜II进入多合一分束棱镜，分束后形成四束外差相位测量参考光；

第一测量光束、第二测量光束、第三测量光束和第四测量光束分别进入多合一分束棱镜，经过多合一分束棱镜分束与合束，分别与四束外差相位测量参考光共路形成拍频信号；

第一检偏器用于对第一测量光束对应的拍频信号检偏；

第一接收器用于接收经过第一检偏器检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第一相位测量电信号；

第二检偏器用于对第二测量光束对应的拍频信号检偏；

第二接收器用于接收经过第二检偏器检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第二相位测量电信号；

第三检偏器用于对第三测量光束对应的拍频信号检偏；

第三接收器用于接收经过第三检偏器检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第三相位测量电信号；

第四检偏器用于对第四测量光束对应的拍频信号检偏；

第四接收器用于接收经过第四检偏器检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第四相位测量电信号；

控制系统包括第一相位测量板卡、第二相位测量板卡、干涉仪位移测量板卡、控制器、第一移频声光调制器驱动器和第二移频声光调制器驱动器；

第一相位测量板卡用于接收第一相位测量电信号和第二相位测量电信号，向控制器传递干涉图样在X方向的相位变化；

第二相位测量板卡用于接收第三相位测量电信号和第四相位测量电信号，向控制器传递干涉图样在Y方向的相位变化；

干涉仪位移测量板卡通过连接线I与X轴位移测量干涉计连接，通过连接线II与Y轴位移测量干涉计连接，向控制器传递二维运动工作台X方向位移和Y方向位移；

控制器由控制算法计算出控制量，分别通过第一移频声光调制器驱动器和第二移频声光调制器驱动器输出射频信号，由射频连接线I和射频连接线II分别传输至第一移频声光调制器和第二移频声光调制器，分别控制第一移频声光调制器和第二移频声光调制器的频率变化，维持干涉图样与二维运动工作台分别沿X方向和Y方向具有固定的相位关系。

进一步地，上述二维平面全息光栅曝光装置，还包括用于将一级光射入外差相位测量模块的反射镜III、反射镜IV和反射镜V。

进一步地，上述二维平面全息光栅曝光装置，还包括用于将第一主光束射入第一分束棱镜的反射镜VI。

进一步地，上述二维平面全息光栅曝光装置，还包括设置在激光器出光处的与偏振分束棱镜入射面成45度的第五检偏器。

进一步地，激光器为Kr+激光器，光源激光的波长为413.1nm。

进一步地，第一定频声光调制器、第一移频声光调制器、第二定频声光调制器、第二移频声光调制器和第三定频声光调制器的移频范围为MHz量级；第一定频声光调制器与第一移频声光调制器、第二定频声光调制器、第二移频声光调制器和第三定频声光调制器的频差大于0小于10MHz。

进一步地，第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、反射镜I、反射镜II反射镜III、反射镜IV、反射镜V和反射镜VI均为镀金属膜的反射镜。

进一步地，X轴位移测量镜和Y轴位移测量镜为镀铝膜反射镜。

进一步地，X轴位移测量干涉计和Y轴位移测量干涉计均为外差式干涉计；第一相位测量板卡、第二相位测量板卡、干涉仪位移测量板卡均具有PCI接口；控制器为具有PCI接口的FPGA板卡，与第一相位测量板卡、第二相位测量板卡和干涉仪位移测量板卡置于控制系统的工控机的PCI插槽内。

进一步地，光栅基底可采用K9光学玻璃或融石英材料，上表面涂有光致抗蚀剂。

本发明的有益效果是：

本发明提出的二维平面全息光栅曝光装置采用小尺寸的二维干涉图样在光栅基底上进行扫描曝光，所制作光栅尺寸仅与二维运动工作台行程有关，即通过控制二维运动工作台的行程带动光栅基底移动，二维干涉图样具有固定的相位关系，可实现二维干涉图样的扫描曝光。该装置可适用于任意尺寸二维平面全息光栅的制作，尤其在大面积二维平面光栅制作中，该装置无需大口径光学元件，解决了传统方法中大口径光学元件的材料获取、加工、装调困难。

附图说明

图1为本发明实施例提供的二维平面全息光栅曝光装置的结构示意图；

图2为图1所示二维平面全息光栅曝光装置中外差相位测量模块的组成示意图；

图3为图1所示二维平面全息光栅曝光装置中控制系统的组成示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，而不构成对本申请的限制。

本实施例提供一种二维平面全息光栅曝光装置，包括用于发射光源激光1的激光器、二分之一波片2、第一定频声光调制器3、偏振分束棱镜9、第一分束棱镜13、第一移频声光调制器14、第一平面反射镜16、第一滤波准直系统17、第一分光片18、第二定频声光调制器21、第二平面反射镜23、第二滤波准直系统24、第二分光片25、第二分束棱镜28、第二移频声光调制器29、第三平面反射镜31、第三滤波准直系统32、第三分光片33、第三定频声光调制器36、第四平面反射镜38、第四滤波准直系统39、第四分光片40、外差相位测量模块43、二维运动工作台46和控制系统53；

二维运动工作台46上，沿着X轴方向设置有用于测量二维运动工作台46X方向位移的X轴位移测量镜47，沿着Y轴方向设置有用于测量二维运动工作台46Y方向位移的Y轴位移测量镜49，沿着Z轴方向固定有光栅基底45；

X轴位移测量镜47连接有X轴位移测量干涉计48；

Y轴位移测量镜49连接有Y轴位移测量干涉计50；

光源激光1经过二分之一波片2调整偏振方向后，入射到第一定频声光调制器3，第一定频声光调制器3出射零级光4和一级光5，零级光4经偏振分束棱镜9分束后，形成偏振方向正交、传播方向正交的第一主光束10和第二主光束11；第一定频声光调制器3出射的一级光5，经过反射镜III6、反射镜IV7和反射镜V8，入射到外差相位测量模块43；

第一主光束10经由反射镜VI12入射到第一分束棱镜13，分束后形成XOZ平面的光束I和光束II；

光束I经过第一移频声光调制器14出射的一级光作为XOZ平面左臂光束15，XOZ平面左臂光束15经过第一平面反射镜16和第一滤波准直系统17后，形成毫米级口径的准直光束，经过第一分光片18分光后形成用于入射到光栅基底45的第一曝光光束19和用于进入外差相位测量模块43的第一测量光束20；

光束II经过第二定频声光调制器21出射的一级光作为XOZ平面右臂光束22，XOZ平面右臂光束22经过第二平面反射镜23和第二滤波准直系统24后，形成毫米级口径的准直光束，经过第二分光片25分光后形成用于入射到光栅基底45的第二曝光光束26和用于进入外差相位测量模块43的第二测量光束27；

第二主光束11经过第二分束棱镜28分束后形成YOZ平面的光束III和光束IV；

光束III经过第二移频声光调制器29出射的一级光作为YOZ平面左臂光束30，YOZ平面左臂光束30经过第三平面反射镜31和第三滤波准直系统32后，形成毫米级口径的准直光束，经过第三分光片33分光后，形成用于入射到光栅基底45的第三曝光光束34和用于进入外差相位测量模块43的第三测量光束35；

光束IV经过第三定频声光调制器36出射的一级光作为YOZ平面右臂光束37，YOZ平面右臂光束37经过第四平面反射镜38和第四滤波准直系统39后，形成毫米级口径的准直光束，经过第四分光片40分光后，形成用于入射到光栅基底45的第四曝光光束41和用于进入外差相位测量模块43的第四测量光束42；

第一曝光光束19和第二曝光光束26干涉，在XOY平面形成沿X方向分布的干涉条纹；

第三曝光光束34和第四曝光光束41干涉，在YOZ平面形成沿Y方向分布的干涉条纹；

X方向分布的干涉条纹和Y方向分布的干涉条纹形成小口径的二维干涉图样44；

外差相位测量模块43包括分束棱镜I第三分束棱镜431、反射镜I432、反射镜II433、由三个半反半透面制成的多合一分束棱镜434、第一检偏器435、第一接收器436、第二检偏器438、第二接收器439、第三检偏器4311、第三接收器4312、第四检偏器4314和第四接收器4315；

一级光5经过第三分束棱镜431分束后，两束光束分别通过反射镜I432和反射镜II433进入多合一分束棱镜434，分束后形成四束外差相位测量参考光；

第一测量光束20、第二测量光束27、第三测量光束35和第四测量光束41分别进入多合一分束棱镜434，经过多合一分束棱镜434分束与合束，分别与四束外差相位测量参考光共路形成拍频信号；

第一测量光束20对应的拍频信号经过第一检偏器435检偏后，进入第一接收器436，被转化为第一相位测量电信号437；

第二测量光束27对应的拍频信号经过第二检偏器438检偏后，进入第二接收器439，被转化为第二相位测量电信号4310；

第三测量光束35对应的拍频信号经过第三检偏器4311进入第三接收器4312，被转化为第三相位测量电信号4313；

第四测量光束42对应的拍频信号经过第四检偏器4314进入第四接收器4315，转化为第四相位测量电信号4316；

控制系统53包括第一相位测量板卡531、第二相位测量板卡532、干涉仪位移测量板卡533、控制器534、第一移频声光调制器驱动器535和第二移频声光调制器驱动器536；

第一相位测量板卡531用于接收第一相位测量电信号437和第二相位测量电信号4310，得到第一曝光光束19与第二曝光光束26之间的相位差变化，即干涉图样44在X方向的相位变化，并向控制器534传递干涉图样44在X方向的相位变化；

第二相位测量板卡532用于接收第三相位测量电信号4313和第四相位测量电信号4316，得到第三曝光光束34与第四曝光光束41之间的相位差变化，即干涉图样44在Y方向的相位变化，并向控制器534传递干涉图样44在Y方向的相位变化；

干涉仪位移测量板卡533通过连接线I51与X轴位移测量干涉计48连接，通过连接线II52与Y轴测量干涉计50连接，向控制器534传递二维运动工作台46X方向位移和Y方向位移；

控制器534根据二维运动工作台46X方向位移及干涉图样44在X方向的相位变化，由控制算法计算出控制量，由第一移频声光调制器驱动器535输出射频信号，由射频连接线I54传输至第一移频声光调制器14，控制第一移频声光调制器14的频率变化，维持干涉图样44与二维运动工作台46沿X方向具有固定的相位关系；

控制器534根据二维运动工作台46Y方向位移及干涉图样44在Y方向的相位变化，由控制算法计算出控制量，由第二移频声光调制器驱动器536输出射频信号，由射频连接线II55传输至第二移频声光调制器29，控制第二移频声光调制器29的频率变化，维持干涉图样44与二维运动工作台46沿Y方向也具有固定的相位关系，自此，完成干涉图样44与二维运动工作台46在X、Y二维方向上的相位锁定。

光栅基底45固定于二维运动工作台46上，随二维运动工作台46一起进行二维运动，完成整块光栅基底45的曝光。由于干涉图样44具有X、Y方向的两个维度的相位调整能力，二维运动工作台46也具有X、Y方向的二维运动能力，因此扫描曝光可以采取以下运动方式：沿X方向步进、Y方向扫描，沿Y方向步进、X方向扫描，或沿XOY平面某一方向扫描运动、沿与其正交的另一方向扫描运动。上述运动方式仅需保证曝光过程中，任意位置具有相同的曝光量。图1中所示的为沿X轴步进、沿Y轴扫描的运动方式进行曝光。

下面对上述二维平面全息光栅曝光装置工作原理进行说明。

首先，声光调制器可以改变其出射一级光的频率，而不改变其出射零级光的频率。设入射光源激光1的频率为f₀，第一定频声光调制器3的驱动频率为f_r，经过第一定频声光调制器3后，出射零级光4的频率仍为f₀，出射一级光5的频率为f₀+f_r。

以XOZ平面的曝光光路为例说明工作原理，其中光束I(左侧光束)经过第一移频声光调制器14后，其出射的一级光作为XOZ平面的左臂光束15，频率为f₀+f_m1，其中f_m1为第一移频声光调制器14的驱动频率，光束II(右侧光束)经过第二定频声光调制器21，其出射的一级光作为XOZ平面的右臂光束22，频率为f₀+f_c1，其中f_c1为第二定频声光调制器21的驱动频率，XOZ平面的左臂光束15和XOZ平面的右臂光束22经过分光后，一部分成为第一曝光光束19和第二曝光光束26，另外一部分成为第一测量光束20和第二测量光束27，第一测量光束20和第二测量光束27进入外差相位测量模块43；

在外差相位测量模块43中，经过光学系统的出射一级光5分束后形成四束外差相位测量参考光，第一测量光束20与外差相位测量参考光共路形成拍频信号，经过第一检偏器435和第一接收器436，转化为第一相位测量电信号437，其频率为(f_r-f_m1)；第二测量光束27与外差相位测量参考光共路形成拍频信号，经过第二检偏器438和第二接收器439，转化为第二相位测量电信号4310，其频率为(f_r-f_c1)；

第一相位测量电信号437与第二相位测量电信号4310进入第一相位测量板卡531，第一相位测量板卡531通过数据处理，可以得到第一测量光束20与第二测量光束27在t时刻的相位差变化理想情况下，该相位差变化等于第一曝光光束19与第二曝光光束26之间的相位差变化，即干涉图样44在X方向的相位变化为将此相位信息输入控制器534；

X轴位移测量干涉计48将二维运动工作台46的X轴位移测量信息通过干涉仪位移测量板卡533，输入控制器534，控制器534根据二维运动工作台46在X方向位移l_x，可以得到干涉图样44在X方向的相位变化参考值为其中p_x为干涉图样44沿X方向的周期；

控制器534的控制目标为采用PID控制算法，反馈输出控制量，由第一移频声光调制器驱动器535输出射频信号，调整第一移频声光调制器14的驱动频率f_m1改变，而后改变使等于

对于YOZ平面的曝光光路具有相似的工作原理：

控制器534由外差相位测量模块43和第二相位测量板卡532得到干涉图样44在Y方向的相位变化为其中f_c2为第三定频声光调制器36的驱动频率，f_m2为第二移频声光调制器29的驱动频率，Y轴位移测量干涉计50得到二维运动工作台46在Y方向的位移l_y，控制器534得到干涉图样44在Y方向的相位变化参考值为其中p_y为干涉图样沿Y方向的周期，控制器534的控制目标为采用PID控制算法，反馈输出控制量，由第二移频声光调制器驱动器536输出射频信号，调整第二移频声光调制器29的驱动频率f_m2改变，而后改变使等于

控制器534内部具有两个独立的PID闭环，实现干涉图样44在X方向和Y方向相位的分别锁定。在此条件下，二维运动工作台46承载光栅基底45进行运动时，干涉图样44具有固定的相位关系，可实现二维干涉图样的扫描曝光。

进一步地，光源激光1为满足相干长度和曝光波长要求的激光器发出，激光器为Kr+激光器，光源激光1的波长为413.1nm。

当形成干涉条纹的曝光光束偏振方向相对入射面是S光的时候，形成的干涉条纹对比度比较高。为了两个方向的干涉条纹对比度都高，第一曝光光束19和第二曝光光束26的偏振方向以及第三曝光光束34和第四曝光光束41的偏振方向应该是正交的，为了形成偏振方向正交的光束，需使让光源激光1的偏振方向正好处于偏振分束棱镜9入射面45度方向，形成强度相等、偏振方向正交的两束光，再分束形成曝光光束，因此，为保证光源激光1的偏振方向与偏振分束棱镜9的入射面成45度方向，在激光器出光处设置有与偏振分束棱镜9快轴成45度的第五检偏器。

进一步地，第一定频声光调制器3、第一移频声光调制器14、第二定频声光调制器21、第二移频声光调制器29和第三定频声光调制器36的移频范围为MHz量级；第一定频声光调制器3与第一移频声光调制器14、第二定频声光调制器21、第二移频声光调制器29和第三定频声光调制器36的频差大于0小于10MHz，以便形成拍频信号，进行干涉图样的相位测量。本实施例中，第一定频声光调制器3、第一移频声光调制器14、第二定频声光调制器21、第二移频声光调制器29和第三定频声光调制器36均为法国AA公司的产品，其中第一定频声光调制器3的驱动频率f_r＝120MHz，第二定频声光调制器21的驱动频率f_c1＝118MHz，第三定频声光调制器36的驱动频率f_c2＝118MHz，第一移频声光调制器14和第二移频声光调制器29的驱动频率由系统反馈决定。

具体地，二分之一波片2、偏振分束棱镜9、第一分束棱镜13、第二分束棱镜28及各分光片为thorlabs的产品。

进一步地，第一平面反射镜16、第二平面反射镜23、第三平面反射镜31、第四平面反射镜38、反射镜I432、反射镜II433反射镜III6、反射镜IV7、反射镜V8和反射镜VI12均为镀金属膜的反射镜。

进一步地，第一滤波准直系统17、第二滤波准直系统24、第三滤波准直系统32和第四滤波准直系统39具有相同的结构，内部包含小口径的聚焦透镜、针孔与准直透镜，其参数根据激光束腰半径根据经验设计。

进一步地，第一接收器436、第二接收器439、第三接收器4312和第四接收器4315为拍频光信号接收器，内部包含光电探测器及光电转化元件，将其转化为拍频电信号，可选用Agilent公司的10780F。

进一步地，X轴位移测量干涉计48和Y轴位移测量干涉计50均为外差式干涉计；第一相位测量板卡531、第二相位测量板卡532、干涉仪位移测量板卡533均为具有PCI接口的外差型板卡，可选择Agilent公司的外差板卡；控制器534为具有PCI接口的FPGA板卡，与第一相位测量板卡531、第二相位测量板卡532和干涉仪位移测量板卡533置于控制系统53的工控机的PCI插槽内。第一移频声光调制器驱动器535和第二移频声光调制器驱动器536均为法国AA的配套产品。

进一步地，光栅基底45可采用K9光学玻璃或融石英材料，上表面涂有光致抗蚀剂，可选择涂敷日本Shipley 1805正型光致抗蚀剂。

进一步地，二维运动工作台46需选择满足行程的二维精密工作台；46X轴位移测量镜47和Y轴位移测量镜49为镀铝膜反射镜，固定在二维运动工作台46。

以上所述本申请的具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限定。任何根据本申请的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，包括用于发射光源激光(1)的激光器、二分之一波片(2)、第一定频声光调制器(3)、偏振分束棱镜(9)、第一分束棱镜(13)、第一移频声光调制器(14)、第一平面反射镜(16)、第一滤波准直系统(17)、第一分光片(18)、第二定频声光调制器(21)、第二平面反射镜(23)、第二滤波准直系统(24)、第二分光片(25)、第二分束棱镜(28)、第二移频声光调制器(29)、第三平面反射镜(31)、第三滤波准直系统(32)、第三分光片(33)、第三定频声光调制器(36)、第四平面反射镜(38)、第四滤波准直系统(39)、第四分光片(40)、外差相位测量模块(43)、二维运动工作台(46)和控制系统(53)；

所述二维运动工作台(46)上，沿着X轴方向设置有用于测量二维运动工作台(46)X方向位移的X轴位移测量镜(47)，沿着Y轴方向设置有用于测量二维运动工作台(46)Y方向位移的Y轴位移测量镜(49)，沿着Z轴方向固定有光栅基底(45)；

所述X轴位移测量镜(47)连接有X轴位移测量干涉计(48)；

所述Y轴位移测量镜(49)连接有Y轴位移测量干涉计(50)；

所述光源激光(1)经过二分之一波片(2)调整偏振方向后，入射到第一定频声光调制器(3)，第一定频声光调制器(3)出射零级光(4)和一级光(5)，零级光(4)经偏振分束棱镜(9)分束后，形成偏振方向正交、传播方向正交的第一主光束(10)和第二主光束(11)，一级光(5)用于入射到外差相位测量模块(43)；

所述第一分束棱镜(13)用于将经反射的第一主光束(10)分束以形成XOZ平面的光束I和光束II；

所述第一移频声光调制器(14)用于将光束I调制为用作XOZ平面左臂光束(15)的一级光；

所述第一平面反射镜(16)用于将XOZ平面左臂光束(15)反射到第一滤波准直系统(17)；

所述第一滤波准直系统(17)用于将XOZ平面左臂光束(15)变为毫米级口径的准直光束；

所述第一分光片(18)用于将由第一滤波准直系统(17)获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底(45)的第一曝光光束(19)和用于进入外差相位测量模块(43)的第一测量光束(20)；

所述第二定频声光调制器(21)用于将光束II调制为用作XOZ平面右臂光束(22)的一级光；

所述第二平面反射镜(23)用于将XOZ平面右臂光束(22)反射到第二滤波准直系统(24)；

所述第二滤波准直系统(24)用于将XOZ平面右臂光束(22)变为毫米级口径的准直光束；

所述第二分光片(25)用于将由第二滤波准直系统(24)获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底(45)的第二曝光光束(26)和用于进入外差相位测量模块(43)的第二测量光束(27)；

所述第二分束棱镜(28)用于将第二主光束(11)分束以形成YOZ平面的光束III和光束IV；

所述第二移频声光调制器(29)用于将光束III调制为用作YOZ平面左臂光束(30)的一级光；

所述第三平面反射镜(31)用于将YOZ平面左臂光束(30)反射到第三滤波准直系统(32)；

所述第三滤波准直系统(32)用于将YOZ平面左臂光束(30)变为毫米级口径的准直光束；

所述第三分光片(33)用于将由第三滤波准直系统(32)获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底(45)的第三曝光光束(34)和用于进入外差相位测量模块(43)的第三测量光束(35)；

所述第三定频声光调制器(36)用于将光束IV调制为用作YOZ平面右臂光束(37)的一级光；

所述第四平面反射镜(38)用于将YOZ平面右臂光束(37)反射到第四滤波准直系统(39)；

所述第四滤波准直系统(39)用于将YOZ平面右臂光束(37)变为毫米级口径的准直光束；

所述第四分光片(40)用于将由第四滤波准直系统(39)获得的准直光束分光，形成用于入射到光栅基底(45)的第四曝光光束(41)和用于进入外差相位测量模块(43)的第四测量光束(42)；

所述第一曝光光束(19)和第二曝光光束(26)干涉，在XOY平面形成沿X方向分布的干涉条纹；

所述第三曝光光束(34)和第四曝光光束(41)干涉，在YOZ平面形成沿Y方向分布的干涉条纹；

所述X方向分布的干涉条纹和Y方向分布的干涉条纹形成小口径的二维干涉图样(44)；

所述外差相位测量模块(43)包括第三分束棱镜(431)、反射镜I(432)、反射镜II(433)、由三个半反半透面制成的多合一分束棱镜(434)、第一检偏器(435)、第一接收器(436)、第二检偏器(438)、第二接收器(439)、第三检偏器(4311)、第三接收器(4312)、第四检偏器(4314)和第四接收器(4315)；

所述一级光(5)经过第三分束棱镜(431)分束后，两束光束分别通过反射镜I(432)和反射镜II(433)进入多合一分束棱镜(434)，分束后形成四束外差相位测量参考光；

所述第一测量光束(20)、第二测量光束(27)、第三测量光束(35)和第四测量光束(41)分别进入多合一分束棱镜(434)，经过多合一分束棱镜(434)分束与合束，分别与四束外差相位测量参考光共路形成拍频信号；

所述第一检偏器(435)用于对第一测量光束(20)对应的拍频信号检偏；

所述第一接收器(436)用于接收经过第一检偏器(435)检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第一相位测量电信号(437)；

所述第二检偏器(438)用于对第二测量光束(27)对应的拍频信号检偏；

所述第二接收器(439)用于接收经过第二检偏器(438)检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第二相位测量电信号(4310)；

所述第三检偏器(4311)用于对第三测量光束(35)对应的拍频信号检偏；

所述第三接收器(4312)用于接收经过第三检偏器(4311)检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第三相位测量电信号(4313)；

所述第四检偏器(4314)用于对第四测量光束(42)对应的拍频信号检偏；

所述第四接收器(4315)用于接收经过第四检偏器(4314)检偏的拍频信号，并将拍频信号转化为第四相位测量电信号(4316)；

所述控制系统(53)包括第一相位测量板卡(531)、第二相位测量板卡(532)、干涉仪位移测量板卡(533)、控制器(534)、第一移频声光调制器驱动器(535)和第二移频声光调制器驱动器(536)；

所述第一相位测量板卡(531)用于接收第一相位测量电信号(437)和第二相位测量电信号(4310)，向控制器(534)传递干涉图样(44)在X方向的相位变化；

所述第二相位测量板卡(532)用于接收第三相位测量电信号(4313)和第四相位测量电信号(4316)，向控制器(534)传递干涉图样(44)在Y方向的相位变化；

所述干涉仪位移测量板卡(533)通过连接线I(51)与X轴位移测量干涉计(48)连接，通过连接线II(52)与Y轴位移测量干涉计(50)连接，向控制器(534)传递二维运动工作台(46)X方向位移和Y方向位移；

所述控制器(534)由控制算法计算出控制量，分别通过第一移频声光调制器驱动器(535)和第二移频声光调制器驱动器(536)输出射频信号，由射频连接线I(54)和射频连接线II(55)分别传输至第一移频声光调制器(14)和第二移频声光调制器(29)，分别控制第一移频声光调制器(14)和第二移频声光调制器(29)的频率变化，维持干涉图样(44)与二维运动工作台(46)分别沿X方向和Y方向具有固定的相位关系。

2.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，还包括用于将一级光(5)射入外差相位测量模块(43)的反射镜III(6)、反射镜IV(7)和反射镜V(8)。

3.如权利要求2所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，还包括用于将第一主光束(10)射入第一分束棱镜(13)的反射镜VI(12)。

4.如权利要求3所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，还包括设置在激光器出光处的与偏振分束棱镜(9)入射面成45度的第五检偏器。

5.如权利要求1或4所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，所述激光器为Kr⁺激光器，光源激光(1)的波长为413.1nm。

6.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，所述第一定频声光调制器(3)、第一移频声光调制器(14)、第二定频声光调制器(21)、第二移频声光调制器(29)和第三定频声光调制器(36)的移频范围为MHz量级；

所述第一定频声光调制器(3)与第一移频声光调制器(14)、第二定频声光调制器(21)、第二移频声光调制器(29)和第三定频声光调制器(36)的频差大于0小于10MHz。

7.如权利要求3所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，所述第一平面反射镜(16)、第二平面反射镜(23)、第三平面反射镜(31)、第四平面反射镜(38)、反射镜I(432)、反射镜II(433)反射镜III(6)、反射镜IV(7)、反射镜V(8)和反射镜VI(12)均为镀金属膜的反射镜。

8.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，所述X轴位移测量镜(47)和Y轴位移测量镜(49)为镀铝膜反射镜。

9.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，所述X轴位移测量干涉计(48)和Y轴位移测量干涉计(50)均为外差式干涉计；

所述第一相位测量板卡(531)、第二相位测量板卡(532)、干涉仪位移测量板卡(533)均具有PCI接口；

所述控制器(534)为具有PCI接口的FPGA板卡，与第一相位测量板卡(531)、第二相位测量板卡(532)和干涉仪位移测量板卡(533)置于控制系统(53)的工控机的PCI插槽内。

10.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光装置，其特征在于，所述光栅基底(45)可采用K9光学玻璃或融石英材料，上表面涂有光致抗蚀剂。