CN111065968B - 一种全息光栅光刻系统及其干涉光路自准直的调节方法 - Google Patents

一种全息光栅光刻系统及其干涉光路自准直的调节方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种全息光栅光刻系统及其干涉光路自准直的调节方法，属于信息光学领域，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。全息光栅光刻系统中，在准直透镜(9,10)的后方放置体布拉格光栅(13,16)的布拉格角，在曝光光束入射至体布拉格光栅(13,16)后的‑1级透射衍射光路上放置光电探测器(14,15)。全息光栅光刻系统干涉光路自准直的调节方法包括沿着光轴前后移动针孔滤波器(7,8)，实时观察光电探测器(14,15)的读数，当光电探测器(14,15)的读数最大时，固定针孔滤波器(7,8)并且保持第一针孔滤波器(7)与第一准直透镜(9)间距恒定。利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及其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，涉及一种光刻系统及其光路自准直的调节方法。
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，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；第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅、第一光电探测器、第二光电探测器；
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；第一针孔滤波器放置于第一准直透镜的物方焦点处；第二针孔滤波器放置于第二准直透镜的物方焦点处；
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级透射衍射光的衍射效率；
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，第二光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级透射衍射光的衍射效率。
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。
第一针孔滤波器安装在第一PZT平移台上，第二针孔滤波器安装在第二PZT平移台上；第一光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第一PZT平移台，当第一光电探测器的测试数值发生变化时，第一PZT平移台驱动第一针孔滤波器沿光轴方向移动至第一光电探测器的测试数值最大位置处；
第二光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第二PZT平移台，当第二光电探测器的测试数值发生变化时，第二PZT平移台驱动第二针孔滤波器沿光轴方向移动至第二光电探测器的测试数值最大位置处。
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光电探测器，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。
基于上述一种全息光栅光刻系统的一种全息光栅光刻系统干涉光路自准直的调节方法，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；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。
优选技术方案是：第一针孔滤波器安装在第一PZT平移台上，第二针孔滤波器安装在第二PZT平移台上；第一光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第一PZT平移台，当第一光电探测器的测试数值发生变化时，第一PZT平移台驱动第一针孔滤波器沿光轴方向移动至第一光电探测器的测试数值最大位置处；第二光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第二PZT平移台，当第二光电探测器的测试数值发生变化时，第二PZT平移台驱动第二针孔滤波器沿光轴方向移动至第二光电探测器的测试数值最大位置处。
附图说明
图1为制作平行等间距条纹全息光栅的光刻系统示意图；
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；
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，如图1所示：一种全息光栅光刻系统，如图1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；第一针孔滤波器放置于第一准直透镜的物方焦点处；第二针孔滤波器放置于第二准直透镜的物方焦点处；
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级透射衍射光的衍射效率；
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，第二光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级透射衍射光的衍射效率。
自准直调节步骤如下：
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12，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；
自准直光束细调：如图3所示，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；
将第二针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察所述第二光电探测器的读数；当第二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。
优选方案为：第一反射镜3与第一针孔滤波器7之间还设置第一光阑5；第二反射镜4与第二针孔滤波器8之间设置第二光阑6。通过6第一光阑5和第二光阑6进一步过滤杂散光。
实施例二：一种全息光栅光刻系统，在实施例一基础上分别将第一针孔滤波器安装在第一PZT平移台上，第二针孔滤波器安装在第二PZT平移台上；第一光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第一PZT平移台，当第一光电探测器的测试数值发生变化时，第一PZT平移台驱动第一针孔滤波器沿光轴方向移动至第一光电探测器的测试数值最大位置处；
第二光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第二PZT平移台，当第二光电探测器的测试数值发生变化时，第二PZT平移台驱动第二针孔滤波器沿光轴方向移动至第二光电探测器的测试数值最大位置处。
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 (3)

1.一种全息光栅光刻系统，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；第一体布拉格光栅、第二体布拉格光栅、第一光电探测器、第二光电探测器；
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；第一针孔滤波器放置于第一准直透镜的物方焦点处；第二针孔滤波器放置于第二准直透镜的物方焦点处；
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；
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级透射衍射光的衍射效率；
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，第二光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级透射衍射光的衍射效率；
将第一针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察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；
将第二针孔滤波器沿着光轴前后移动，实时观察所述第二光电探测器的读数；当第二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所述的一种全息光栅光刻系统，其特征在于：
第一针孔滤波器安装在第一PZT平移台上，第二针孔滤波器安装在第二PZT平移台上；
第一光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第一PZT平移台，当第一光电探测器的测试数值发生变化时，第一PZT平移台驱动第一针孔滤波器沿光轴方向移动至第一光电探测器的测试数值最大位置处；
第二光电探测器的测试数值实时反馈至对应的第二PZT平移台，当第二光电探测器的测试数值发生变化时，第二PZT平移台驱动第二针孔滤波器沿光轴方向移动至第二光电探测器的测试数值最大位置处。
3.使用权利要求1或2所述全息光栅光刻系统的干涉光路自准直的调节方法。
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