CN110007384B - 一种二维平面全息光栅曝光方法 - Google Patents

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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方法，包括步骤一，配备分振幅型小口径二维平面全息光栅曝光装置；步骤二，配备具有激光干涉仪的二维运动工作台；步骤三，配备外差式二维干涉图样相位锁定装置；步骤四，在光栅基底预设位放置光栅基底，移动二维运动工作台，使光栅基底需要曝光的位置运动到二维干涉图样的下方进行曝光。该方法可在光栅基底任意位置进行不小于干涉图样口径的一维或二维形貌扫描曝光，且所制作的光栅面积仅与工作台行程相关，无需大口径光学元件，特别适于大面积二维平面全息光栅的曝光。

Description

一种二维平面全息光栅曝光方法
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方法。
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。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。另外，随着微纳技术的发展，在基底特定位置进行一维或二维光栅微纳结构的制作，作为微观标记，也具有重要应用。目前通常采用的方法为电子束刻蚀或离子束刻蚀等方法，这些方法分辨率高，但在制作一维或二维光栅形貌时，由于采用逐条刻槽的制作方式，制作效率较低。
发明内容
本发明提出一种二维平面全息光栅曝光方法，可在光栅基底任意位置进行不小于干涉图样口径的一维或二维形貌扫描曝光，且所制作的光栅面积仅与工作台行程相关，无需大口径光学元件，特别适于大面积二维平面全息光栅的曝光。
为实现上述目的，本申请提供一种二维平面全息光栅曝光方法，包括下述步骤：
步骤一，配备分振幅型小口径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、偏振分束棱镜、反射镜VI、第一分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一滤波准直系统、第二滤波准直系统、第二分束棱镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第三滤波准直系统和第四滤波准直系统；
光源激光经过二分之一波片，进入偏振分束棱镜，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；
第一主光束经由反射镜VI入射到第一分束棱镜，分束后形成XOZ平面的光束I和光束II；；
光束I经过第一平面反射镜和第一滤波准直系统，光束II经过第二平面反射镜和第二滤波准直系统，分别形成毫米级口径的准直光束，两束准直光束干涉，在XOY平面形成沿X方向分布的干涉条纹；
第二主光束入射到第二分束棱镜后，分束后形成YOZ平面的光束III和光束IV；
光束III第三平面反射镜和第三滤波准直系统，光束IV经过第四平面反射镜和第四滤波准直系统，分别形成毫米级口径的准直光束，两束准直光束干涉，在XOY平面形成沿Y方向分布的干涉条纹；
调节二分之一波片、偏振分束棱镜、反射镜VI、第一分束棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一滤波准直系统、第二滤波准直系统、第二分束棱镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第三滤波准直系统和第四滤波准直系统的位置，至X方向分布的干涉条纹与Y方向分布的干涉条纹叠加，形成正交的二维干涉图样；
步骤二，配备具有激光干涉仪的二维运动工作台，二维运动工作台位于XOY平面，二维干涉图样的正下方，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轴方向设置有光栅基底预设位；
所述X轴位移测量镜连接有X轴位移测量干涉计；
所述Y轴位移测量镜连接有Y轴位移测量干涉计；
二维运动工作台的行程与待曝光的光栅面积相关，满足使二维干涉图样涵盖光栅基底的所有位置；
步骤三，配备外差式二维干涉图样相位锁定装置，将第一定频声光调制器置于二分之一波片之后的主光路中，调节第一定频声光调制器的方向，使出射的零级光方向不变，沿主光路方向传播，出射的一级光可以入射到外差相位测量模块；
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；
在第一分束棱镜和第一平面反射镜之间的光路上放置第一移频声光调制器，遮挡第一移频声光调制器出射的零级光，调整第一移频声光调制器的方向，使出射的一级光方向不变作为XOZ平面左臂光束；
在第一滤波准直系统后的光路上放置第一分光片，将由第一滤波准直系统获得的准直光束分光，形成第一曝光光束和第一测量光束，第一曝光光束方向不变以入射到光栅基底，第一测量光束进入外差相位测量模块；
在第一分束棱镜和第二平面反射镜之间的光路上放置第二定频声光调制器，遮挡第二定频声光调制器出射的零级光，调整第二定频声光调制器的方向，使出射的一级光方向不变作为XOZ平面右臂光束；
在第二滤波准直系统后的光路上放置第二分光片，将由第二滤波准直系统获得的准直光束分光，形成第二曝光光束和第二测量光束，第二曝光光束方向不变以入射到光栅基底，第二曝光光束(26)进入外差相位测量模块；
在第二分束棱镜和第三平面反射镜之间的光路上放置第二移频声光调制器，遮挡第二移频声光调制器出射的零级光，调整第二移频声光调制器的方向，使出射的一级光方向不变作为YOZ平面左臂光束；
在第三滤波准直系统后的光路上放置第三分光片，将由第三滤波准直系统获得的准直光束分光，形成第三曝光光束和第三测量光束，第三曝光光束方向不变以入射到光栅基底，第三测量光束进入外差相位测量模块；
在第二分束棱镜和第四平面反射镜之间的光路上放置第三定频声光调制器，遮挡第三定频声光调制器出射的零级光，调整第三定频声光调制器的方向，使出射的一级光方向不变作为YOZ平面右臂光束；
在第四滤波准直系统后的光路上放置第四分光片，将由第四滤波准直系统获得的准直光束分光，形成第四曝光光束和第四测量光束，第四曝光光束方向不变以入射到光栅基底，第四测量光束进入外差相位测量模块；
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；
将控制系统的第一相位测量板卡分连接至第一接收器和第二接收器，接收第一相位测量电信号和第二相位测量电信号，并向控制器传递二维干涉图样在X方向的相位变化；
将控制系统的第二相位测量板卡分别连接至第三接收器和第四接收器，接收第三相位测量电信号和第四相位测量电信号，并向控制器传递二维干涉图样在Y方向的相位变化；
控制系统的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；
控制系统的控制器通过控制算法计算出控制量，根据二维干涉图样在X方向的相位变化和二维运动工作台在X方向的位移，输出控制量到第一移频声光调制器驱动器，通过射频连接线I将第一控制信号传输至第一移频声光调制器，调整第一曝光光束的频率，锁定二维干涉图样沿X方向的相位；
控制器根据二维干涉图样在Y方向的相位变化和二维运动工作台在Y方向的位移，输出控制量到第二移频声光调制器驱动器，通过射频连接线II将第二控制信号传输至第二移频声光调制器，调整第三曝光光束的频率，锁定二维干涉图样沿Y方向的相位；
控制器输出第一开关信号和第二开关信号，分别用于控制第二定频声光调制器和第三定频声光调制器是否出光；
步骤四，在光栅基底预设位放置光栅基底，移动二维运动工作台，使光栅基底需要曝光的位置运动到二维干涉图样的下方进行曝光。
进一步地，步骤三中，还包括放置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，步骤三中，控制器还可通过第二控制信号关闭第二移频声光调制器，通过第二开关信号关闭第三定频声光调制器，由XOZ平面的第一曝光光束和第二曝光光束形成X方向分布一维干涉图样；
控制器通过控制算法计算出控制量，根据一维干涉图样的相位变化和二维运动工作台在X方向的位移，输出控制量到第一移频声光调制器驱动器，通过射频连接线I将第一控制信号传输至第一移频声光调制器，调整第一曝光光束的频率，锁定一维干涉图样的相位；
步骤四中，在光栅基底所需位置可进行一维干涉图样的曝光。
进一步地，步骤三中，控制器通过第一控制信号关闭第一移频声光调制器，通过第一开关信号关闭第二定频声光调制器，由YOZ平面的第三测量光束和第四曝光光束形成Y方向分布一维干涉图样；
控制器通过控制算法计算出控制量，根据一维干涉图样的相位变化和二维运动工作台在Y方向的位移，输出控制量到第二移频声光调制器驱动器，通过射频连接线I将第二控制信号传输至第二移频声光调制器，调整第三曝光光束的频率，锁定一维干涉图样的相位；
步骤四中，在光栅基底所需位置可进行一维干涉图样的曝光。
进一步地，激光器为Kr+激光器，光源激光的波长为413.1nm激光器出光处设置有与偏振分束棱镜入射面成45度的第五检偏器。
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方法可在光栅基底任意位置，进行不小于干涉图样口径的一维或二维形貌扫描曝光，制作方法灵活、效率高，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，干涉图样具有固定的相位关系，可实现干涉图样的扫描曝光。该方法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，该方法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，对全息光栅制作水平的提高具有重要意义。
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方法中各元件的布置图；
图2为图1所示布置图中外差相位测量模块的组成示意图；
图3为图1所示布置图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方法，包括下述步骤：
步骤一，配备分振幅型小口径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、偏振分束棱镜9、反射镜VI12、第一分束棱镜13、第一平面反射镜16、第二平面反射镜23、第一滤波准直系统17、第二滤波准直系统24、第二分束棱镜28、第三平面反射镜31、第四平面反射镜38、第三滤波准直系统32和第四滤波准直系统39；
光源激光1经过二分之一波片2，进入偏振分束棱镜9，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；其中，二分之一波片2用于调整光束的偏振方向，即可用于调整第一主光束10和第二主光束11的光强，使其尽量相等；
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经过第一平面反射镜16和第一滤波准直系统17，光束II经过第二平面反射镜23和第二滤波准直系统24，分别形成毫米级口径的准直光束，两束准直光束干涉，在XOY平面形成沿X方向分布的干涉条纹；
第二主光束11入射到第二分束棱镜28后，分束后形成YOZ平面的光束III和光束IV；
光束III经过第三平面反射镜31和第三滤波准直系统32，光束IV经过第四平面反射镜38和第四滤波准直系统39，分别形成毫米级口径的准直光束，两束准直光束干涉，在XOY平面形成沿Y方向分布的干涉条纹；
调节二分之一波片2、偏振分束棱镜9、反射镜VI12、第一分束棱镜13、第一平面反射镜16、第二平面反射镜23、第一滤波准直系统17、第二滤波准直系统24、第二分束棱镜28、第三平面反射镜31、第四平面反射镜38、第三滤波准直系统32和第四滤波准直系统39的位置，至X方向分布的干涉条纹与Y方向分布的干涉条纹叠加，形成正交的二维干涉图样44；
步骤二，配备具有激光干涉仪的二维运动工作台46，二维运动工作台46位于XOY平面，二维干涉图样44的正下方，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轴方向设置有光栅基底预设位；
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；
X轴位移测量干涉计48和Y轴位移测量干涉计50用于精确测量二维运动工作台46沿X方向和Y方向的位移；
二维运动工作台46的行程与待曝光的光栅面积相关，满足使二维干涉图样44涵盖光栅基底(45)的所有位置；
步骤三，配备外差式二维干涉图样相位锁定装置，将第一定频声光调制器3置于二分之一波片2之后的主光路中，调节第一定频声光调制器3的方向，使出射的零级光4方向不变，沿主光路方向传播，出射的一级光5经过反射镜III6、反射镜IV7和反射镜V8后入射到外差相位测量模块43；
外差相位测量模块43包括第三分束棱镜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；
在第一分束棱镜13和第一平面反射镜16之间的光路上放置第一移频声光调制器14，遮挡第一移频声光调制器14出射的零级光，调整第一移频声光调制器14的方向，使出射的一级光方向不变作为XOZ平面左臂光束15；
在第一滤波准直系统17后的光路上放置第一分光片18，将由第一滤波准直系统17获得的准直光束分光，形成第一曝光光束19和第一测量光束20，第一曝光光束19方向不变以入射到光栅基底45，第一测量光束20进入外差相位测量模块43；
在第一分束棱镜13和第二平面反射镜23之间的光路上放置第二定频声光调制器21，遮挡第二定频声光调制器21出射的零级光，调整第二定频声光调制器21的方向，使出射的一级光方向不变作为XOZ平面右臂光束22；
在第二滤波准直系统24后的光路上放置第二分光片25，将由第二滤波准直系统24获得的准直光束分光，形成第二曝光光束26和第二测量光束27，第二曝光光束26方向不变以入射到光栅基底45，第二曝光光束26进入外差相位测量模块43；
在第二分束棱镜28和第三平面反射镜31之间的光路上放置第二移频声光调制器29，遮挡第二移频声光调制器29出射的零级光，调整第二移频声光调制器29的方向，使出射的一级光方向不变作为YOZ平面左臂光束30；
在第三滤波准直系统32后的光路上放置第三分光片33，将由第三滤波准直系统32获得的准直光束分光，形成第三曝光光束34和第三测量光束35，第三曝光光束34方向不变以入射到光栅基底45，第三测量光束35进入外差相位测量模块43；
在第二分束棱镜28和第四平面反射镜38之间的光路上放置第三定频声光调制器36，遮挡第三定频声光调制器36出射的零级光，调整第三定频声光调制器36的方向，使出射的一级光方向不变作为YOZ平面右臂光束37；
在第四滤波准直系统39后的光路上放置第四分光片40，将由第四滤波准直系统39获得的准直光束分光，形成第四曝光光束41和第四测量光束42，第四曝光光束41方向不变以入射到光栅基底45，第四测量光束42进入外差相位测量模块43；
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；
第一检偏器435用于对第一测量光束20对应的拍频信号检偏；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
将控制系统53的第一相位测量板卡531分连接至第一接收器436和第二接收器439，接收第一相位测量电信号437和第二相位测量电信号4310，第一相位测量板卡531处理后得到二维干涉图样44在X方向的相位变化，并向控制器534传递二维干涉图样44在X方向的相位变化；
将控制系统53的第二相位测量板卡532分别连接至第三接收器4312和第四接收器4315，接收第三相位测量电信号4313和第四相位测量电信号4316，第二相位测量板卡532处理后得到二维干涉图样44在Y方向的相位变化，并向控制器534传递二维干涉图样44在Y方向的相位变化；
控制系统53的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轴位移测量干涉计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；
控制系统53的控制器(534)通过控制算法计算出控制量，根据二维干涉图样44在X方向的相位变化和二维运动工作台46在X方向的位移，输出控制量到第一移频声光调制器驱动器535，通过射频连接线I将第一控制信号54传输至第一移频声光调制器14，调整第一曝光光束19的频率，锁定二维干涉图样44沿X方向的相位；
控制器534根据二维干涉图样44在Y方向的相位变化和二维运动工作台46在Y方向的位移，输出控制量到第二移频声光调制器驱动器536，通过射频连接线II将第二控制信号55传输至第二移频声光调制器29，调整第三曝光光束34的频率，锁定二维干涉图样44沿Y方向的相位；
控制器534输出第一开关信号56和第二开关信号57，分别用于控制第二定频声光调制器21和第三定频声光调制器36是否出光；
步骤四，在光栅基底预设位放置光栅基底45，移动二维运动工作台46，使光栅基底45需要曝光的位置运动到二维干涉图样44的下方进行曝光。将涂有光刻胶的光栅基底45放置在二维运动工作台46上，光栅基底45下方具有调节装置，调节光栅基底45与二维干涉图样44等高，以便获得最高的曝光对比度，然后移动二维运动工作台46，使光栅基底45需要曝光的位置运动到二维干涉图样44的下方进行曝光。
除进行正交的二维干涉图样44曝光，上述方法还可进行沿X方向或Y方向分布的一维图样曝光
进行沿X方向分布的一维图样曝光的方法与二维干涉图样44曝光的不同之处在于，步骤三中，控制器534还可通过第二控制信号55关闭第二移频声光调制器29，通过第二开关信号57关闭第三定频声光调制器36，由XOZ平面的第一曝光光束19和第二曝光光束26形成X方向分布一维干涉图样；
控制器534通过控制算法计算出控制量，根据一维干涉图样的相位变化和二维运动工作台46在X方向的位移，输出控制量到第一移频声光调制器驱动器535，通过射频连接线I将第一控制信号54传输至第一移频声光调制器14，调整第一曝光光束19的频率，锁定一维干涉图样的相位；
步骤四中，在光栅基底45所需位置可进行一维干涉图样的曝光。
进行沿Y方向分布的一维图样曝光的方法与二维干涉图样44曝光的不同之处在于，步骤三中，控制器534通过第一控制信号54关闭第一移频声光调制器14，通过第一开关信号56关闭第二定频声光调制器21，由YOZ平面的第三测量光束35和第四曝光光束41形成Y方向分布一维干涉图样；
控制器534通过控制算法计算出控制量，根据一维干涉图样的相位变化和二维运动工作台46在Y方向的位移，输出控制量到第二移频声光调制器驱动器536，通过射频连接线I将第二控制信号55传输至第二移频声光调制器29，调整第三曝光光束34的频率，锁定一维干涉图样的相位；
步骤四中，在光栅基底45所需位置可进行一维干涉图样的曝光。
在二维运动工作台46运动过程中，无需曝光的位置，控制器534通过第一控制信号54、第二控制信号55、第一开关信号56、第二开关信号57关闭第一移频声光调制器14、第二移频声光调制器29、第二定频声光调制器21和第三定频声光调制器36，此时干涉场区域无光，光栅基底45不进行曝光。
下面对上述二维平面全息光栅曝光方法工作原理进行说明。
在步骤一中，配备分振幅型小口径二维平面全息光栅曝光装置，此时在干涉场区域将形成二维分布的小口径干涉图样，该干涉图样沿X方向及Y方向均有线性的相位分布。为实现干涉图样的扫描曝光，在步骤二中，配备具有激光干涉仪的二维运动工作台46，其中，X轴位移测量干涉计48和Y轴位移测量干涉计50可测量二维运动工作台46二维运动位移，作为测量信息输入控制系统53。为实现干涉图样相位的锁定，除了二维运动工作台46位移信息，还需获取干涉图样沿二维的相位变化，并可对干涉图样相位进行调整，因此，在步骤三中配备外差式二维干涉图样相位锁定装置，在步骤一配备的光学系统中，增加二个移频声光调制器，三个定频声光调制器，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fr，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+fr。
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+fm1，其中fm1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+fc1，其中fc1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(fr-fm1)；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(fr-fc1)；
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
Figure GDA0002442945330000131
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
Figure GDA0002442945330000132
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lx，可以得到干涉图样44在X方向的相位变化参考值为
Figure GDA0002442945330000133
其中px为干涉图样44沿X方向的周期；
控制器534的控制目标为
Figure GDA0002442945330000134
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fm1改变，而后改变
Figure GDA0002442945330000135
使
Figure GDA0002442945330000136
等于
Figure GDA0002442945330000138
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
Figure GDA0002442945330000139
其中fc2为第三定频声光调制器36的驱动频率，fm2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ly，控制器534得到干涉图样44在Y方向的相位变化参考值为
Figure GDA00024429453300001310
其中py为干涉图样沿Y方向的周期，控制器534的控制目标为
Figure GDA00024429453300001311
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fm2改变，而后改变
Figure GDA00024429453300001312
使
Figure GDA00024429453300001313
等于
Figure GDA00024429453300001314
控制器534内部具有两个独立的PID闭环，实现二维干涉图样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，二维干涉图样44具有固定的相位关系，可实现二维干涉图样的扫描曝光。
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，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。为保证光源激光1的偏振方向与偏振分束棱镜9的快轴成45度方向，在激光器出光处设置有与偏振分束棱镜9入射面成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fr＝120MHz，第二定频声光调制器21的驱动频率fc1＝118MHz，第三定频声光调制器36的驱动频率fc2＝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方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一，配备分振幅型小口径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)、偏振分束棱镜(9)、反射镜VI(12)、第一分束棱镜(13)、第一平面反射镜(16)、第二平面反射镜(23)、第一滤波准直系统(17)、第二滤波准直系统(24)、第二分束棱镜(28)、第三平面反射镜(31)、第四平面反射镜(38)、第三滤波准直系统(32)和第四滤波准直系统(39)；
光源激光(1)经过二分之一波片(2)，进入偏振分束棱镜(9)，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)；
第一主光束(10)经由反射镜VI(12)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经过第一平面反射镜(16)和第一滤波准直系统(17)，光束II经过第二平面反射镜(23)和第二滤波准直系统(24)，分别形成毫米级口径的准直光束，两束准直光束干涉，在XOY平面形成沿X方向分布的干涉条纹；
第二主光束(11)入射到第二分束棱镜(28)后，分束后形成YOZ平面的光束III和光束IV；
光束III经过第三平面反射镜(31)和第三滤波准直系统(32)，光束IV经过第四平面反射镜(38)和第四滤波准直系统(39)，分别形成毫米级口径的准直光束，两束准直光束干涉，在XOY平面形成沿Y方向分布的干涉条纹；
调节二分之一波片(2)、偏振分束棱镜(9)、反射镜VI(12)、第一分束棱镜(13)、第一平面反射镜(16)、第二平面反射镜(23)、第一滤波准直系统(17)、第二滤波准直系统(24)、第二分束棱镜(28)、第三平面反射镜(31)、第四平面反射镜(38)、第三滤波准直系统(32)和第四滤波准直系统(39)的位置，至X方向分布的干涉条纹与Y方向分布的干涉条纹叠加，形成正交的二维干涉图样(44)；
步骤二，配备具有激光干涉仪的二维运动工作台(46)，二维运动工作台(46)位于XOY平面，二维干涉图样(44)的正下方，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轴方向设置有光栅基底预设位；
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)；
二维运动工作台(46)的行程与待曝光的光栅面积相关，满足使二维干涉图样(44)涵盖光栅基底(45)的所有位置；
步骤三，配备外差式二维干涉图样相位锁定装置，将第一定频声光调制器(3)置于二分之一波片(2)之后的主光路中，调节第一定频声光调制器(3)的方向，使出射的零级光(4)方向不变，沿主光路方向传播，出射的一级光(5)可以入射到外差相位测量模块(43)；
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)；
在第一分束棱镜(13)和第一平面反射镜(16)之间的光路上放置第一移频声光调制器(14)，遮挡第一移频声光调制器(14)出射的零级光，调整第一移频声光调制器(14)的方向，使出射的一级光方向不变作为XOZ平面左臂光束(15)；
在第一滤波准直系统(17)后的光路上放置第一分光片(18)，将由第一滤波准直系统(17)获得的准直光束分光，形成第一曝光光束(19)和第一测量光束(20)，第一曝光光束(19)方向不变以入射到光栅基底(45)，第一测量光束(20)进入外差相位测量模块(43)；
在第一分束棱镜(13)和第二平面反射镜(23)之间的光路上放置第二定频声光调制器(21)，遮挡第二定频声光调制器(21)出射的零级光，调整第二定频声光调制器(21)的方向，使出射的一级光方向不变作为XOZ平面右臂光束(22)；
在第二滤波准直系统(24)后的光路上放置第二分光片(25)，将由第二滤波准直系统(24)获得的准直光束分光，形成第二曝光光束(26)和第二测量光束(27)，第二曝光光束(26)方向不变以入射到光栅基底(45)，第二曝光光束(26)进入外差相位测量模块(43)；
在第二分束棱镜(28)和第三平面反射镜(31)之间的光路上放置第二移频声光调制器(29)，遮挡第二移频声光调制器(29)出射的零级光，调整第二移频声光调制器(29)的方向，使出射的一级光方向不变作为YOZ平面左臂光束(30)；
在第三滤波准直系统(32)后的光路上放置第三分光片(33)，将由第三滤波准直系统(32)获得的准直光束分光，形成第三曝光光束(34)和第三测量光束(35)，第三曝光光束(34)方向不变以入射到光栅基底(45)，第三测量光束(35)进入外差相位测量模块(43)；
在第二分束棱镜(28)和第四平面反射镜(38)之间的光路上放置第三定频声光调制器(36)，遮挡第三定频声光调制器(36)出射的零级光，调整第三定频声光调制器(36)的方向，使出射的一级光方向不变作为YOZ平面右臂光束(37)；
在第四滤波准直系统(39)后的光路上放置第四分光片(40)，将由第四滤波准直系统(39)获得的准直光束分光，形成第四曝光光束(41)和第四测量光束(42)，第四曝光光束(41)方向不变以入射到光栅基底(45)，第四测量光束(42)进入外差相位测量模块(43)；
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)；
将控制系统(53)的第一相位测量板卡(531)分连接至第一接收器(436)和第二接收器(439)，接收第一相位测量电信号(437)和第二相位测量电信号(4310)，并向控制器(534)传递二维干涉图样(44)在X方向的相位变化；
将控制系统(53)的第二相位测量板卡(532)分别连接至第三接收器(4312)和第四接收器(4315)，接收第三相位测量电信号(4313)和第四相位测量电信号(4316)，并向控制器(534)传递二维干涉图样(44)在Y方向的相位变化；
所述控制系统(53)的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；
所述控制系统(53)的控制器(534)通过控制算法计算出控制量，根据二维干涉图样(44)在X方向的相位变化和二维运动工作台(46)在X方向的位移，输出控制量到第一移频声光调制器驱动器(535)，通过射频连接线I将第一控制信号(54)传输至第一移频声光调制器(14)，调整第一曝光光束(19)的频率，锁定二维干涉图样(44)沿X方向的相位；
所述控制器(534)根据二维干涉图样(44)在Y方向的相位变化和二维运动工作台(46)在Y方向的位移，输出控制量到第二移频声光调制器驱动器(536)，通过射频连接线II将第二控制信号(55)传输至第二移频声光调制器(29)，调整第三曝光光束(34)的频率，锁定二维干涉图样(44)沿Y方向的相位；
所述控制器(534)输出第一开关信号(56)和第二开关信号(57)，分别用于控制第二定频声光调制器(21)和第三定频声光调制器(36)是否出光；
步骤四，在光栅基底预设位放置光栅基底(45)，移动二维运动工作台(46)，使光栅基底(45)需要曝光的位置运动到二维干涉图样(44)的下方进行曝光。
2.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光方法，其特征在于，所述步骤三中，还包括放置用于将一级光(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1所述的二维平面全息光栅曝光方法，其特征在于，所述步骤三中，所述控制器(534)还可通过第二控制信号(55)关闭第二移频声光调制器(29)，通过第二开关信号(57)关闭第三定频声光调制器(36)，由XOZ平面的第一曝光光束(19)和第二曝光光束(26)形成X方向分布一维干涉图样；
所述控制器(534)通过控制算法计算出控制量，根据一维干涉图样的相位变化和二维运动工作台(46)在X方向的位移，输出控制量到第一移频声光调制器驱动器(535)，通过射频连接线I将第一控制信号(54)传输至第一移频声光调制器(14)，调整第一曝光光束(19)的频率，锁定一维干涉图样的相位；
所述步骤四中，在光栅基底(45)所需位置可进行一维干涉图样的曝光。
4.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光方法，其特征在于，所述步骤三中，所述控制器(534)通过第一控制信号(54)关闭第一移频声光调制器(14)，通过第一开关信号(56)关闭第二定频声光调制器(21)，由YOZ平面的第三测量光束(35)和第四曝光光束(41)形成Y方向分布一维干涉图样；
所述控制器(534)通过控制算法计算出控制量，根据一维干涉图样的相位变化和二维运动工作台(46)在Y方向的位移，输出控制量到第二移频声光调制器驱动器(536)，通过射频连接线I将第二控制信号(55)传输至第二移频声光调制器(29)，调整第三曝光光束(34)的频率，锁定一维干涉图样的相位；
所述步骤四中，在光栅基底(45)所需位置可进行一维干涉图样的曝光。
5.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光方法，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激光器出光处设置有与偏振分束棱镜(9)入射面成45度的第五检偏器。
6.如权利要求1所述的二维平面全息光栅曝光方法，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2所述的二维平面全息光栅曝光方法，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方法，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方法，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方法，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。
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