CN210281088U - 一种同向偏振态的多路激光干涉光刻系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种同向偏振的多路激光干涉光刻系统。该系统包括依次排列的激光产生组件、光束整形组件和干涉组件，其中：激光产生组件用于产生多路相干的平行光束；光束整形组件包括依次排列的扩束准直单元和光束整形单元，扩束准直单元用于对多路相干的平行光束进行准直，光束整形单元用于对进行准直后的光束进行能量均匀化处理；干涉组件包括偏振态调制单元，该偏振态调制单元用于微量调整经能量均匀化处理之后光束之间的夹角和光束的偏振态，获得相交于一点的干涉光。利用本实用新型提供的系统，能够较容易地获得光强分布均匀、对比度更明显的多光束干涉条纹。

Description

一种同向偏振态的多路激光干涉光刻系统

技术领域

本实用新型属于微纳结构技术领域，特别涉及一种同向偏振态的多路激光干涉光刻系统。

背景技术

利用多光束激光干涉进行微纳米尺度的结构光刻加工，是一种在材料表面大面积构建亚微米周期性结构的方法，通过两束或者多束相干光形成周期性或者准周期性光场，可以直接在材料表面或者内部刻蚀二维和三维周期性结构。激光干涉加工具有加工面积大、加工尺度灵活多变、成本低廉等优点。利用多光束激光干涉加工出的纳米结构也在许多领域得到广泛应用。

目前的多光束激光干涉光刻系统大多采用单一光束输出的激光器，例如，传统的Mach-Zehnder干涉光刻仪、分光镜法、微透镜阵列分光法和光栅分光法等。

传统的Mach-Zehnder干涉光刻仪为双光束干涉光刻系统，校准过程繁琐，需要精确调整光路中每一个透镜的位置，并且一次只能进行单一周期纳米结构的加工，如果要加工其他周期的纳米图形则需要重新调整整套光路，过程复杂耗时不易实现。要获得均匀光强分布的多光束干涉条纹，就要对激光进行分束，目前实现光学分束的方法很多，常用的有分光镜法、微透镜阵列法分光法和光栅分光法等。

分光镜法目前最为普及，它采用透射和反射比为50/50的中性分束镜将一束激光一分为二，然后再利用反射镜反射使两束光相交，交点处的双光束发生干涉，实现干涉加工。也可以采用其他比例透镜将光束进行多种比例的分光，实现三光束以上的干涉加工。由于光学镀膜工艺的实际控制精度和分光、反射操作中的角度调整，分光镜法很难保证各光束的大小一致和均匀性，而且会造成偏振方向的不一致，进而影响加工效果。

微透镜阵列分光法，微透镜阵列将一个完整的激光波前在空间上分成许多微小的部分,每一部分都被相应的小透镜聚焦在焦平面上，一系列微透镜就可以得到由一系列焦点组成的平面。如果激光波前为理想的平面波前，那么在微透镜阵列焦平面上就可以得到一组均匀而且规则的焦点分布；然而实际的激光波前并不是理想的平面波前，它们或多或少地带有一些畸变，用微透镜阵列聚焦后，焦点不再是均匀分布，而是与理想的焦点发生了位移。此外，制作过程中各透镜之间的加工误差也会对分束器性能造成影响。

光栅分光法所用的光栅主要分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是利用透射光衍射的光栅，如泰伯光栅。泰伯光栅利用近场菲涅耳衍射，理论上衍射效率接近100％，但实际上由于边缘效应及像差等影响，衍射效率在80％左右，其最大的缺点是光强分布不均匀。反射光栅是利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如达曼光栅。达曼光栅可以将入射光分束成等光强、等空间距离阵列的光束，但周期内空间坐标与相位被调制，需要添加相应补偿器件，在抗强激光损伤能力方面，达曼光栅还不理想。

综上，现有技术通常采用多种分光方式对原光束进行分光，然后再用反射镜对各分束光进行反射相交，获得干涉，这些方式存在分光后光强不相等，分光元件太多，偏振态发生变化，调整困难，系统可靠性低等问题。

因此，需要对现有技术进行改进，以提供调整容易、可靠性性高的多路激光干涉光刻系统。

发明内容

本本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种偏振方向相同的三路及三路以上激光干涉光刻系统，获得光强分布均匀的多光束干涉条纹。

根据本实用新型的第一方面，提供一种同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，该系统包括依次排列的激光产生组件、光束整形组件和干涉组件，其中：所述激光产生组件用于产生至少三路相干的平行光束，这些平行光束的偏振方向相同；所述光束整形组件包括依次排列的扩束准直单元和光束整形单元，所述扩束准直单元用于对所产生的相干的平行光束进行准直，所述光束整形单元用于对进行准直后的光束进行能量均匀化处理；所述干涉组件包括偏振态调制单元，该偏振态调制单元用于调整经能量均匀化处理之后光束之间的夹角和光束的偏振态，获得相交于一点的干涉光。

在一个实施例中，所述激光产生组件包括依次排列的三棱锥棱镜、偏振镜、Q开关、泵浦光源，腔镜输出镜，所述泵浦光源与Nd:YAG晶体相互平行设置。

在一个实施例中，所述激光产生组件用于产生光强相同、偏振态一致、相位差恒定的至少三路相干的平行光束，通过调节所述三棱锥棱镜的尺寸来调整多路相干的平行光束之间的间距。

在一个实施例中，所述扩束准直单元的扩束倍数为2，所述扩束准直单元包括若干光学镜片和镜筒。

在一个实施例中，所述光学镜片采用K9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜AR@1064nm，所述扩束准直单元入口直径是ф10mm，出口直径是ф20mm。

在一个实施例中，所述光束整形单元为方形光束整形器，所述方形光束整形器包括若干光学镜片和镜筒，所述光学镜片采用K9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜AR@1064nm，所述光束整形单元入口直径为ф20mm，出口为20mmx20mm。

在一个实施例中，所述偏振态调制单元包括若干反射镜和对应的若干半波片，所述反射镜用于调整经能量均匀化处理之后光束之间的夹角，所述半波片用于调整光束的偏振态。

在一个实施例中，所述反射镜为平面反射镜，所述平面反射镜采用K9玻璃制造，所述平面反射镜尺寸为ф40mm，所述平面反射镜的反射面镀全反射膜HR@1064nm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的激光干涉光刻系统，由同向偏振的多束激光产生组件发出的激光经光束整形组件后，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接，再经过干涉组件相交于一点实现干涉，干涉图作用于待加工材料表面，得到周期性微纳结构。本实用新型的激光干涉光刻系统包括的元件简洁，容易调整，系统可靠性高。

附图说明

以下附图仅对本实用新型作示意性的说明和解释，并不用于限定本实用新型的范围，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的三束激光产生组件的结构示意图；

图中：1-三束激光产生组件、2-光束整形组件、3-干涉组件、4-扩束准直单元、5-光束整形单元、6-偏振态调制单元、7-三棱锥棱镜、8-偏振镜、9-Q开关、10-泵浦光源、11-腔镜输出镜、12-Nd:YAG晶体、13-反射镜、14-半波片。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本文示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

参见图1和图2所示，本实用新型实施例提供的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统包括依次排列的激光产生组件1、光束整形组件2和干涉组件3，其中，激光产生组件1用于产生偏振同向的多路相干的平行光束，示意为三束激光产生组件并在图2中单独示出；光束整形组件2用于对多路相干的平行光束进行准直并对准直后的光束进行能量均匀化处理；干涉组件3用于微量调整光束之间的夹角和光束的偏振态，以获得相交于一点的干涉光，该干涉光可作用于材料表面进行光刻加工，通过调整光束之间的夹角可获得需要的加工周期的干涉光。在下文中将主要以三路激光干涉系统为例进行介绍。

在图1的实施例中，光束整形组件2包括依次排列的扩束准直单元4和光束整形单元5；干涉组件3包括偏振态调制单元6。

参见图2，所述三束激光产生组件1包括依次排列的三棱锥棱镜7、偏振镜8、Q开关9、泵浦光源10和腔镜输出镜11，所述泵浦光源10与Nd:YAG晶体12相互平行设置。基于互注入方式运转的三路输出Nd:YAG脉冲固体三束激光产生组件，采用三灯三棒、一充三放工作方式和加压式电光调Q，输出波长1064nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量500mJ，出射光束直径ф7mm，发散角为3mrad。其中，Q开关(Q-switching)，也称巨脉冲调制器，是一种产生脉冲激光的器件。调Q是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使激光的峰值功率提高几个数量级。与同样用来产生脉冲的锁模方式相比，Q开关方式的重复率低，脉冲时间长，但单脉冲能量大。应理解的是，也可以同时使用锁模方式和Q开关来产生需要的脉冲。通过改变激光共振腔Q值，能够提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度。

可选地，所述扩束准直单元4的扩束倍数为2，所述扩束准直单元4包括若干光学镜片和镜筒。

可选地，所述光学镜片采用K9玻璃，该光学镜片镀有增透膜AR@1064nm，所述扩束准直单元4入口直径ф10mm，出口直径ф20mm。其中，K9玻璃是用K9料制成的玻璃制品，可用于光学镀膜。K9料属于光学玻璃，利用K9料加工的产品，在市面上也称为水晶玻璃制品。

可选地，所述光束整形单元5为方形光束整形器，所述方形光束整形器包括若干光学镜片和镜筒，所述光学镜片采用K9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜AR@1064nm，所述光束整形单元5入口直径为ф20mm，出口为20mmx20mm。方形光束整形器将高斯分布的圆形激光束整形为方形均匀分布的平顶光束，以解决原高斯分面的激光束中心能量强而边缘能量弱所导致制备的微纳阵列结构一致性不理想的问题，并便于在大面积加工时进行无缝拼接。

可选地，所述偏振态调制单元6包括若干反射镜13和若干半波片14，所述反射镜13用于调整光束之间的夹角，进而实现加工周期的调整；所述半波片14用于调整光束的偏振态，以实现最佳的干涉效果。

可选地，所述反射镜13为平面反射镜，所述平面反射镜采用K9玻璃制造，所述平面反射镜尺寸为ф40mm，所述平面反射镜的反射面镀全反射膜HR@1064nm。

具体实施例：

参见图1，本实用新型中着重介绍以三路输出的脉冲三束激光产生组件1作为光源，同时对应三组光束整形组件2和三组干涉组件3，每个反射镜13对应一个半波片14。

由三束激光产生组件1发出的三束激光经扩束准直单元4进行准直后，由光束整形单元5对激光呈高斯分布的能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接，三束光分别经过反射镜13反射和半波片14进行偏振态调制后，相交于一点实现干涉，干涉图作用于待加工材料表面，得到周期性微纳结构。可通过调整反射镜13的角度实现三光束夹角的调整进而获得不同的加工周期。以此类推，还可以获得六光束干涉。

在该实施例中，三束激光产生组件1输出波长为1064nm，光束直径为7mm，经2倍扩束准直单元4扩束准直后为14mm，经光束整形单元5后输出14mmx14mm的平顶均匀光束；

由三光束干涉的周期公式可知，当欲得到的微纳结构的周期分别为5μm、10μm、15μm时，三光束的入射夹角依次为7.0°、3.5°、2.3°，调整反射镜13的角度，即可实现上述夹角，进而得到三种周期的激光干涉微纳结构。

采用互注入运转三路输出三束激光产生组件1直接输出三路光强相同、偏振态一致、相位差恒定的平行光束，该三束激光是很好的相干光；使用时三束激光产生组件1发出的三束激光相互平行，可以利用三棱锥棱镜的大小进行间距调整，再分别利用三个反射镜13进行光束干涉夹角的调整以实现加工周期的选取，从而实现三光束、多种入射夹角的会聚干涉。获得良好的三路干涉光阵列，还可进一步获得六光束干涉陈列。三激光束干涉所产生的激光能量与加工材料相互作用，可刻蚀出待加工材料表面的凹坑结构；如果把三束再分为六光束，可实现三光束干涉加工并获得不同周期的阵列微纳米结构。本实用新型取代了现有系统采用的一分为二、二分为四的分光方法，解决了现有技术方案中使用离散式多支架造成的光强不相等、偏振方向改变、调整困难、可靠性低的问题，大大提高了系统的方便性、可靠性和效率。本实用新型具有光路调整简便，加工尺寸可控、效率高、适合低成本大批量生产、操作简单等优点。简化了传统的分光和调整方式，大大提高了系统的可靠性、方便性和效率。三束初始激光可以直接进行三光束干涉进行光刻加工，也可以再分光为六束，实现六光束干涉加工，有效地提高了加工装置的加工质量和使用范围。

本实用新型提供的互注入多路激光干涉光刻系统，由多路激光产生组件发出的激光经光束整形组件后，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，有利于加工区域的拼接，再经过干涉组件相交于一点实现干涉，干涉图作用于待加工材料表面，能得到周期性微纳结构。此外，本实用新型提供的系统能够较容易的实现光束调整、加工周期调整，并且可靠性高。

需要说明的是，在不违背本实用新型思想和精神的情况下，本领域的技术人员可对上述实施例进行变型或改变，例如，激光产生组件用于产生四路或四路以上的光束、采用不同于K9玻璃的光学镜片等。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：包括依次排列的激光产生组件(1)、光束整形组件(2)和干涉组件(3)，其中：

所述激光产生组件(1)用于产生至少三路相干的平行光束，这些平行光束的偏振方向相同，并且该激光产生组件(1)包括三棱锥棱镜(7)，通过调节所述三棱锥棱镜(7)的尺寸来调整所述至少三路相干的平行光束之间的间距；

所述光束整形组件(2)包括依次排列的扩束准直单元(4)和光束整形单元(5)，所述扩束准直单元(4)用于对所产生的相干的平行光束进行准直，所述光束整形单元(5)用于对进行准直后的光束进行能量均匀化处理；

所述干涉组件(3)包括偏振态调制单元(6)，该偏振态调制单元(6)用于调整由所述光束整形单元(5)直接输出的经能量均匀化处理之后光束之间的夹角和光束的偏振态，获得相交于一点的干涉光。

2.如权利要求1所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：所述激光产生组件(1)包括依次排列的三棱锥棱镜(7)、偏振镜(8)、Q开关(9)、泵浦光源(10)，腔镜输出镜(11)，所述泵浦光源(10)与Nd:YAG晶体(12)相互平行设置。

3.如权利要求2所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于，所述激光产生组件(1)用于产生光强相同、偏振态一致、相位差恒定的至少三路相干的平行光束，通过调节所述三棱锥棱镜(7)的尺寸来调整多路相干的平行光束之间的间距。

4.如权利要求1所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：所述扩束准直单元(4)的扩束倍数为2，所述扩束准直单元(4)包括若干光学镜片和镜筒。

5.如权利要求4所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：所述光学镜片采用K9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜AR@1064nm，所述扩束准直单元(4)入口直径是ф10mm，出口直径是ф20mm。

6.如权利要求1所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：所述光束整形单元(5)为方形光束整形器，所述方形光束整形器包括若干光学镜片和镜筒，所述光学镜片采用K9玻璃，所述光学镜片镀有增透膜AR@1064nm，所述光束整形单元(5)入口直径为ф20mm，出口为20mmx20mm。

7.如权利要求1所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：所述偏振态调制单元(6)包括若干反射镜(13)和对应的若干半波片(14)，所述反射镜(13)用于调整经能量均匀化处理之后光束之间的夹角，所述半波片(14)用于调整光束的偏振态。

8.如权利要求7所述的同向偏振态的多路激光干涉光刻系统，其特征在于：所述反射镜(13)为平面反射镜，所述平面反射镜采用K9玻璃制造，所述平面反射镜尺寸为ф40mm，所述平面反射镜的反射面镀全反射膜HR@1064nm。

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