CN112505915B - 一种激光束漂移实时探测与快速校正装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光束漂移实时探测与快速校正装置及方法，该装置包括可调小孔、旋转反射镜、直角棱镜反射镜、纳米位移台、压电调节镜架、分束镜、透镜、位置探测器和控制器等部件；通过纳米位移台与直角棱镜反射镜的组合，实现光束位置漂移的独立调控，通过压电调节镜架实现光束指向角度的独立调控。本发明通过光束指向位置漂移与角度漂移的独立调控，避免了常规光束指向系统中的解耦操作，实现小型化、高精度、快速度的光束稳定控制。利用本发明装置调整得到的稳定光束，可以广泛用于超分辨显微成像系统和高精度激光直写光刻系统。
Description
技术领域
本发明属于超精密光学测量与控制领域，尤其涉及一种激光束漂移实时探测与快速校正装置及方法。
背景技术
激光直写技术是一种通过改变聚焦位置从而控制激光束在光刻胶上直接曝光的光刻技术，主要用于三维纳米精度光学元件和投影曝光系统中掩膜版的制作，前者是现代多类先进科学技术的基础，后者是当下芯片制备的核心部件。
双光束超分辨激光直写纳米加工技术的出现，大幅突破了衍射极限（约200nm），获得了最优小于10nm的加工精度，为三维纳米结构加工技术及其应用提供了新的发展方向。由于目前对高精度、大面积光刻的需求日益增加，制作一个元件或者掩膜版常需要花费十几分钟甚至数个小时。在这个过程中，系统会受到外界机械的抖动、温度的变化、光源本身的抖动等因素引起聚焦光斑的漂移，几分钟之内就会漂移数百纳米，造成刻写的严重误差。目前采取的常规方法是被动防漂方法，即利用光学平台与温控系统来减弱环境因素对光斑漂移的影响，然而，在高精度、大面积光刻的发展趋势下，系统防漂能力的提升，是超分辨激光直写技术走向产业应用的必要前提。
目前的光束指向稳定系统基本依赖于一对位置探测器（或四象限探测器）的检测与一对二维快速控制反射镜的控制，如谷宗浩等（专利号为201820906888.9的中国专利）的一种激光束指向稳定系统。这类方法中角度偏移与位置偏移的检测与调整时，相互的串扰较大，位置信息解析精度低、反馈调控速度慢，并且由于压电材料的非线性、蠕动与迟滞特性，二维快速控制反射镜之间的距离往往要大于300mm，也就导致了设备体积较大，在多光束并行刻写中的运用尤其困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种小型化、高精度的激光束指向稳定装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种激光束漂移实时探测与快速校正装置，包括可调小孔、旋转反射镜、第一直角反射棱镜、第一纳米位移台、第二直角反射棱镜、第二纳米位移台，所述可调小孔、所述旋转反射镜与所述第一直角反射棱镜的中心位于同一线上，且水平高度相等；所述第一直角反射棱镜固定在所述第一纳米位移台上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动；所述第二直角反射棱镜固定在所述第二纳米位移台上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动；所述第一直角反射棱镜和所述第一纳米位移台对光束调控的方向与所述第二直角反射棱镜和所述第二纳米位移台调控的方向相对于光束入射平面相互垂直所述第一分束镜用透反比9:1的分束镜。
进一步的，所述第二直角反射棱镜出射方向上还包括压电调节镜架、第一分束镜、第二分束镜、第一凸透镜、第一光电感应器件、第二凸透镜、第三可调反射镜，凹透镜，第二光电感应器件，所述压电调节镜架与所述第一光电感应器件相对于所述第一凸透镜成物像关系，即光束在所述压电调节镜架上的图像在所述第一光电感应器件上为缩小的实像。
进一步的，所述第一分束镜用透反比9:1的分束镜，所述第二分束镜采用透反比1:1的分束镜。
进一步的，所述第二凸透镜和所述凹透镜组成远摄型系统，两者等效焦面与所述第二光电感应器件的探测面位于同一位置。
进一步的，所述第一光电感应器件和所述第二光电感应器件为位置探测器或四象限探测器。
进一步的，所述压电调节镜架和第一分束镜的距离为a，第一分束镜和第一凸透镜的距离为b，第一凸透镜和第一光电感应器件的距离为c，第一凸透镜的焦距为f1，满足如下公式：
一种激光束漂移实时探测与快速校正方法，包括如下步骤：
入射光束通过可调小孔的中心，将旋转反射镜转到反射镜的位置，对光束进行反射，通过调节前方光路系统使返回的光束与入射光束重合，随后调节旋转反射镜到无反射镜的位置；
入射光束经过第一直角反射棱镜反射后入射到第二直角反射棱镜上，再次反射到压电调节镜架上；其中，第一直角反射棱镜固定在第一纳米位移台上，可沿着光束入射方向进行纳米移动，相对于出射光平面为x方向；第二直角反射棱镜固定在第二纳米位移台上，可沿着光束入射方向进行纳米移动，相对于出射光平面为y方向；
第二直角反射棱镜的出射光束入射到第一分束镜上，反射的光束随后入射到第二分束镜上，将光束分成第一分光束与第二分光束，第一分光束经过第一凸透镜入射到第一光电感应器件上；第二分光束经过第二凸透镜被第三可调反射镜反射，经凹透镜后入射到第二光电感应器件上。
本发明的有益效果是：本发明利用一对光电感应器件分别探测光束指向中的位置与角度的漂移，之后独立反馈控制一组可纳米移动的反射镜组和一个压电调节镜架，从而实现光束指向中位置与角度的独立检测与快速调整，并且不依赖于光程，可以实现小型化、模块化。利用该调整方法和装置得到的稳定光束，可以广泛用于超分辨显微成像系统（如荧光发射损耗显微镜、双光子显微镜、结构光照明显微镜等）和高精度激光直写光刻系统。
附图说明
图1是本发明的激光束漂移实时探测与快速校正装置结构示意图；
图2a和图2b分别是本发明的第一纳米位移台和第二纳米位移台移动方向示意图；
图3是本发明压电调节镜架、第一凸透镜与第一光电感应器件之间的距离关系示意图；
图4是本发明第二凸透镜、凹透镜与第二光电感应器件之间的距离关系示意图；
图中，1-可调小孔，2-旋转反射镜，3-第一直角反射棱镜，4-第一纳米位移台，5-第二直角反射棱镜，6-第二纳米位移台，7-压电调节镜架，8-第一分束镜，9-第二分束镜，10-第一凸透镜，11-第一光电感应器件，12-第二凸透镜，13-第三可调反射镜，14-凹透镜，15-第二光电感应器件，16-控制器。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的激光束漂移实时探测与快速校正装置，包括：可调小孔1，旋转反射镜2，第一直角反射棱镜3，第一纳米位移台4，第二直角反射棱镜5，第二纳米位移台6，压电调节镜架7，第一分束镜8，第二分束镜9，第一凸透镜10，第一光电感应器件11，第二凸透镜12，第三可调反射镜13，凹透镜14，第二光电感应器件15，控制器16；所述可调小孔1、所述旋转反射镜2与所述第一直角反射棱镜3的中心位于同一线上，且水平高度相等。
如图2a和图2b所示，所述第一直角反射棱镜3固定在所述第一纳米位移台4上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动。所述第二直角反射棱镜5固定在所述第二纳米位移台6上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动；所述第一直角反射棱镜3和所述第一纳米位移台4对光束调控的方向与所述第二直角反射棱镜5和所述第二纳米位移台6调控的方向相对于光束入射平面相互垂直；所述压电调节镜架7与所述第一光电感应器件11相对于所述第一凸透镜10成物像关系，即光束在所述压电调节镜架7上的图像在所述第一光电感应器件11上为缩小的实像；所述第二凸透镜12和所述凹透镜14组成远摄型系统，两者等效焦面与所述第二光电感应器件15的探测面位于同一位置；所述第一光电感应器件11和所述第二光电感应器件15为位置探测器或四象限探测器。
采用图1所示该装置的一种激光束漂移实时探测与快速校正方法如下：
一束波长为532nm的激光入射到此装置中，让入射光束通过可调小孔1的中心，将旋转反射镜2转到反射镜的位置，对光束进行反射，通过调节前方光路系统使返回的光束与入射光束重合，随后调节旋转反射镜2到无反射镜的位置。入射光束经过第一直角反射棱镜3反射后入射到第二直角反射棱镜5上，再次反射到压电调节镜架7上。其中，第一直角反射棱镜3固定在所述第一纳米位移台4上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动，相对于出射光平面为x方向；第二直角反射棱镜5固定在第二纳米位移台6上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动，相对于出射光平面为y方向。
压电调节镜架7选用美国Newport公司型号为FSM-300的二维快速控制反射镜，主要包括反射镜与对应的控制系统，可实现二维的角度偏转，偏转角度范围为±26.2mrad(±1.5°)，分辨率小于1urad。
入射光束随后入射到第一分束镜8上，实例采用透反比9:1的分束镜，即90%光束能量出射系统，剩下10%的光束能量入射到后续检测系统。反射的光束随后入射到第二分束镜9上，实例采用透反比1:1的分束镜，将光束分成第一分光束与第二分光束。第一分光束经过第一凸透镜10入射到第一光电感应器件11上。压电调节镜架7、第一凸透镜10、第一光电感应器件三者的距离关系如图3所示，其中，压电调节镜架7和第一分束镜8的距离为a，第一分束镜8和第一凸透镜10的距离为b，第一凸透镜10和第一光电感应器件11的距离为c，第一凸透镜10的焦距为f1。本实施例中，其中第一凸透镜10的焦距f1选取50mm，图中a的距离选取50mm，b的距离选取50mm，c的距离选取100mm，满足如下公式：
第二分光束经过第二凸透镜12被第三可调反射镜13反射，经凹透镜14后入射到第二光电感应器件15上。第二凸透镜12选取索雷博型号为LBF254-100-A的透镜，焦距f2为100mm，凹透镜14选取索雷博型号为LD2060的透镜，焦距f3为-15mm。第二凸透镜12、凹透镜14、第二光电感应器件15之间的距离如图4所示，等效焦距为450mm。其中第二凸透镜12和第三可调反射镜13的距离e与第三可调反射镜13和凹透镜14的距离g的和选取为92.22mm，凹透镜14和第二光电感应器件15的距离h选取51.73mm，满足第二凸透镜12与凹透镜14组合的远摄型系统的焦平面与第二光电感应器件15的探测面重合。
本装置采用如下方式工作：
第一光电感应器件11检测入射光束的位置漂移信息，控制第一直角反射棱镜3与第一纳米位移台4的组合修正x方向的漂移，控制第二直角反射棱镜5和第二纳米位移台6的组合修正y方向的漂移。第二光电感应器件15检测入射光束的角度漂移信息，控制压电调节镜架7的二维反射镜进行α、β角度方向的修正，α、β角度方向互相垂直，从而可以实现独立并行控制，大幅提升控制精度与速度，实现位置稳定小于1urad，角度稳定小于1urad。并且不依赖于反射镜组，可大幅缩小系统体积，做到小型化、模块化。
Claims (5)
1.一种激光束漂移实时探测与快速校正装置，包括可调小孔（1）、旋转反射镜（2）、第一直角反射棱镜（3）、第一纳米位移台（4）、第二直角反射棱镜（5）、第二纳米位移台（6），其特征在于：所述可调小孔（1）、所述旋转反射镜（2）与所述第一直角反射棱镜（3）的中心位于同一线上，且水平高度相等；所述第一直角反射棱镜（3）固定在所述第一纳米位移台（4）上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动；所述第二直角反射棱镜（5）固定在所述第二纳米位移台（6）上，可以沿着光束入射方向进行纳米移动；所述第一直角反射棱镜（3）和所述第一纳米位移台（4）对光束调控的方向与所述第二直角反射棱镜（5）和所述第二纳米位移台（6）调控的方向相对于光束入射平面相互垂直；
所述第二直角反射棱镜（5）出射方向上还包括压电调节镜架（7）、第一分束镜（8）、第二分束镜（9）、第一凸透镜（10）、第一光电感应器件（11）、第二凸透镜（12）、第三可调反射镜（13）、凹透镜（14）、第二光电感应器件（15），所述压电调节镜架（7）与所述第一光电感应器件（11）相对于所述第一凸透镜（10）成物像关系，即光束在所述压电调节镜架（7）上的图像在所述第一光电感应器件（11）上为实像。
2.根据权利要求1所述的激光束漂移实时探测与快速校正装置，其特征在于，所述第一分束镜（8）用透反比9:1的分束镜, 所述第二分束镜（9）采用透反比1:1的分束镜。
3.根据权利要求1所述的激光束漂移实时探测与快速校正装置，其特征在于：所述第二凸透镜（12）和所述凹透镜（14）组成远摄型系统，两者等效焦面与所述第二光电感应器件（15）的探测面位于同一位置。
4.根据权利要求1所述的激光束漂移实时探测与快速校正装置，其特征在于：所述第一光电感应器件（11）和所述第二光电感应器件（15）为位置探测器或四象限探测器。
5.根据权利要求1所述的激光束漂移实时探测与快速校正装置，其特征在于：所述压电调节镜架（7）和第一分束镜（8）的距离为a，第一分束镜（8）和第一凸透镜（10）的距离为b，第一凸透镜（10）和第一光电感应器件（11）的距离为c，第一凸透镜（10）的焦距为f1，满足如下公式：
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