DE1623803A1

DE1623803A1 - Process for the production of reflection and transmission gratings

Info

Publication number: DE1623803A1
Application number: DE19671623803
Authority: DE
Inventors: Rudolph Dipl-Phys Dietbert; Schmahl Dipl-Phys Dr Guenter
Original assignee: RUDOLPH DIPL PHYS DIETBERT; SCHMAHL DIPL PHYS DR GUENTER
Current assignee: RUDOLPH DIPL PHYS DIETBERT; SCHMAHL DIPL PHYS DR GUENTER
Priority date: 1967-02-11
Filing date: 1967-02-11
Publication date: 1970-01-02
Also published as: GB1206035A; DE1623803B2; FR1554267A; CH504005A; SE341915B

Description

Verfahren zur Herstellung von Reflexions- und Transmissionsgittern . : Process for the production of reflection and transmission gratings. :

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reflexions- und Transmissionsgittern und zeigt gleichzeitig den besonderen Aufbau der nach diesem Verfahren hergestellten Gitter. Diese Gitter werden bei der Spektralanalyse von Stählen in der Eisenhüttentechnifc, zur Erzeugung von Spektren in der Astro- und in der Plasmaphysik, bei der Herstellung von Maßstäben für die gesamte optische and feinmechanische Industrie, für Maßstäbe an .Werkzeugmaschinen und dergl. benötigt. Aber auch in vielen anderen Gebieten der Technik legt man Wert auf lichtstarke Gitter mit hoher Auflösung'.The invention relates to a method for producing reflection and transmission gratings and shows at the same time the special structure of the manufactured by this process Grid. These grids are used in the spectral analysis of steels in ironworks technology of spectra in astro and plasma physics, in the manufacture of scales for the whole of optical and precision engineering industry, for scales on machine tools and the like. But also in many others In areas of technology, value is placed on high-intensity grids with high resolution '.

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Neue Unterlagen (M.7$1Abe.2Nr.iSate3dqaXnderon0sges.v.4.9.19671New documents (M.7 $ 1Abe.2Nr.iSate3dqaXnderon0sges.v.4.9.19671

Technisch brauchbare Gitter werden bisher ausschliesslich auf mechanischem Wege hergestellt. Dazu sind aufwendige maschinelle und räumliche Vorkehrungen nötig. Die einzelnen Gitterstriche, d.h. die materiefreien Teile von Gittern, entstehen durch Ritzen mit einem Diamanten. Dieser ist über ein stark untersetztes Getriebe seitlich verstellbar und in Längsrichtung mit einer parallelen Führungsmöglichkeit versehen. Je nach der verlangten Gitterkonstanten liegen die auf diese Art zu ritzenden Gitterstriche enger oder weiter zusammen. Dabei muss man jedoch mit einer Strichdichte bis etwa 36OO Striche pro mm Querausdehnung rechnen. Die grössten, bisher bekannten Gitter haben eine seitliche Ausdehnung von etwa 30 cm. Hieraus wird klar, dass die zur Herstellung eines Gitters erforderliche Arbeitszeit in der Grössenordnung von mehreren Wochen liegt. Solche Gitterritzmaschinen müssen erschütterungsfrei aufgestellt werden. Darüber hinaus ist eine Klimatisierung des Arbeitsraumes unbedingt erforderlich. Man hat deshalb vorgeschlagen, solche Gitteritzmaschinen in ausgedienten Bergwerken aufzustellen, um konstante Betriebsbedingungen zu erhalten. Trotzdem hängt der Erfolg einer solchen Gitterherstellung mehr oder weniger vom Zufall ab. Da die einzelnen Gitterstriche nacheinander geritzt werden, wobei die Versetzung des Ritzdiamanten über eine Spindel geschieht, treten besonders periodische Fehler auf, die mit zunehmender Grosse der geritzten Fläche stark anwachsen. Besonders störend sind weiterhin Sprünge in der Gitterkonstanten, die dazu führen, dass unter Umständen nur Teile des Gitters benutzt werden können.Up to now, technically useful grids have only been produced mechanically. Complex mechanical and spatial precautions are necessary for this. The individual grid lines, ie the material-free parts of the grid, are created by scratching with a diamond. This is laterally adjustable via a heavily reduced gear and is provided with a parallel guide option in the longitudinal direction. Depending on the required grid constant, the grid lines to be scratched in this way are closer or farther together. In doing so, however, you have to reckon with a line density of up to about 3600 lines per mm of transverse extension. The largest grids known to date have a lateral extension of about 30 cm. It is clear from this that the working time required to manufacture a grating is in the order of magnitude of several weeks. Such lattice scribing machines must be set up vibration-free. In addition, air conditioning of the work area is essential. It has therefore been proposed to set up such lattice machines in disused mines in order to maintain constant operating conditions. Nevertheless, the success of such a grid production depends more or less on chance. Since the individual grid lines are scratched one after the other, with the scratching diamond being offset via a spindle, particularly periodic errors occur which increase sharply as the size of the scratched area increases. Jumps in the lattice constant are particularly disturbing, as they lead to the fact that under certain circumstances only parts of the lattice can be used.

Man hat versucht, diese Fehler durch interferometrische Kontrolle des Diamanten in drei Dimensionen zu vermeiden. Diese Versuche sind jedoch technisch wie finanziell au-Attempts have been made to remedy these errors using interferometric Avoid controlling the diamond in three dimensions. However, these attempts are technically and financially

sserordentlich aufwendig.svery complex.

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Bisher ist es üblich, nur Kunststoffabzüge von den geritzten Gittern abzuformen und diese in den Handel zu bringen. Dadurch sind beim Abformen neue Fehlerquellen gegeben, die im allgemeinen die Fehler der Originale bei weitem übertreffen.So far it is customary to only use plastic prints of the scratched ones To mold grids and put them on the market. This creates new sources of error when molding given that in general the errors of the originals at far exceed.

Es sind darüber hinaus Vorschläge bekanntgeworden, durch fotograohische Aufnahme von Interferenzfiguren Gitter herzustellen. Diese Vorschläge sind jedoch zum einen Teil undurchführbar, zum anderen Teil führen sie zu unbrauchbaren Ergebnissen. Fotographische Schichten sind ihrer Natur nach nicht geeignet, Gitter mit definierter Furchenform herzustellen.In addition, proposals have become known through photographic recording of interference figures grating to manufacture. However, these proposals are partly impracticable and partly lead to useless ones Results. Photographic layers are by their nature unsuitable, grids with a defined groove shape to manufacture.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung des bisherigen aufwendigen, mechanischen Herstellverfahrens einen völlig anderen. Weg in der Herstellung von Reflexionsund Transmissionsgittern zu beschreiten, durch den es möglich ist, die Arbeitszeit von Wochen auf Stunden zu reduzieren. Darüber hinaus sollen Gitter hergestellt werden, welche eine weit verbesserte Qualität gegenüber den bisher bekannten Gittern aurweisen. Insbesondere sollen sowohl periodische als auch aperiodische Fehler nahezu vollkommen vermieden werden. Eine besondere Aufgabe stellt sich für die Herstellung sehr grosser Gitter bei gleichmässig guter Qualität. Es sollen mit dem glei-". chen Verfahren Gitter in der Grössenordnung von 1 m χ 1 m herstellbar sein.The object of the invention is to avoid the previous complex, mechanical manufacturing process a completely different one. Way in the making of reflective and To tread transmission grids, through which it is possible to increase the working time from weeks to hours to reduce. In addition, grids are to be produced, which have a much improved quality compared to the previously known grids. In particular, both periodic and aperiodic errors should can be almost completely avoided. A special task arises for the production of very large grids with consistently good quality. It should be with the same ". Chen method Grids in the order of magnitude of 1 m χ 1 m be producible.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Reflexions- und Transmissionsgittern, insbes. zur Verwendung in der Spektralanalyse, als Präzisonsteilungen und dergl., geht davon aus, dass eine Schicht aus licht-The inventive method for producing reflection and transmission gratings, in particular. For use in spectral analysis, as precision divisions and the like, assumes that a layer of light-

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empfindlichem Material in den Abbildungsbereich einer bei der Überlagerung zweier kohärenter Strahlenbündel entstehenden Interferenzfigur eingebracht und anschliessend an eine Belichtung zu einem Gitter entwickelt wird. Neu und erfinderisch ist, dass die Schicht aus lichtempfindlichem Material aus einer Resistschicht (lichtempfindlicher Lack) besteht, die (im Gegensatz zu fotographischen Schichten) als gesamte Schicht bzw. in ihrer gesamten Schichthöhe, an den jeweils belichteten Stellen ihre chemische Struktur ändert. Die Belichtung erfolgt durch Laserstrahlen.sensitive material in the imaging area resulting from the superposition of two coherent bundles of rays Interference figure introduced and then at one exposure is developed into a grating. What is new and inventive is that the layer is made of light-sensitive Material consists of a resist layer (light-sensitive lacquer) which (in contrast to photographic layers) as an entire layer or in its entire layer height, its chemical structure at the respective exposed areas changes. The exposure is carried out by laser beams.

Das lichtempfindliche Material bildet eine Abformschicht. Diese wird auf einem materiellen Träger aufgebracht, mit der Interferenzfigur belichtet und anschliessend entwickelt. Als Abformschichten finden Resistschichten, lichtempfindliche Lacke und dergl. Verwendung.The photosensitive material forms an impression layer. This is applied to a material carrier, with the interference figure exposed and then developed. Resist layers, light-sensitive ones, are used as impression layers Paints and the like. Use.

Zur Herstellung geblazter Reflexionsgitter wird auf dem materiellen Träger die Abformschicht aufgebracht, belichtet und entwickelt. Anschliessend wird die Oberflächenstruktur der Abformschicht verspiegelt.For the production of blazed reflective gratings, the material carrier applied the impression layer, exposed and developed. Then the surface structure the impression layer is mirrored.

Bei einer weiteren Herstellmögliehkeit für Reflexionsgitter wird auf den materiellen Träger zuerst eine spielende Schicht und erst dann die Abformschicht aufgebracht.In a further manufacturing option for reflective grids, a playful one is first placed on the material carrier Layer and only then the impression layer is applied.

Die nach diesem Verfahren hergestellten Transmissions- und Reflexionsgitter sind dadurch gekennzeichnet, dass der materielle Träger aus einem Glas-, Quarz-, Kunststoffblock od.dgl. gebildet ist, der planparallele, konvexe oder konkave Form oder eine Kombinationsform aufweist. Die Abformschicht v/eist nach der Belichtung und Entwicklung eine reliefartige Oberflächenstruktur, die bevorzugt im Querschnitt sinus- oder treppenartig ist, oder eine Struktur variabler Absorption auf.The transmission and reflection gratings produced by this process are characterized by the fact that the material Carrier made of a glass, quartz, plastic block or the like. is formed, the plane-parallel, convex or has a concave shape or a combination shape. the Impression layer has a relief-like surface structure after exposure and development, which is preferably in the Cross-section is sinusoidal or step-like, or a structure of variable absorption.

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Im allgemeinen weisen geblazte Reflexionsgitter auf der Abformschicht eine Spiegelschicht auf. Reflexionsgitter können unter der Abformschicht eine Spiegelschicht aufweisen. Generally have blazed reflective gratings on the Impression layer on a mirror layer. Reflection gratings can have a mirror layer under the molding layer.

Der Erfindungsgedanke lässt die verschiedensten konstruktiven Ausführungsmöglichkeiten zu. Einige davon sind in der beiliegenden Zeichnung wiedergegeben, und zwar zeigen:The idea of the invention allows the most varied of structural design options. Some of them are in of the accompanying drawing, namely show:

Fig. 1 eine Anordnung zur Erzeugung einer Interferenzfigur, -1 shows an arrangement for generating an interference figure, -

Fig. 2 ein Gitter (Hologramm eines unendlich fernen · Punktes X,2 shows a grating (hologram of an infinitely distant point X,

Fig. 3 den Verlauf eines Lichtstrahls an einem geblazten Reflexionsgitter,3 shows the course of a light beam on a blazed one Reflection grating,

Fig. H- einen materiellen Träger mit Abformschicht und aufgedampfter Spiegelschicht für geblazte Reflexionsgitter,Fig. H- a material carrier with an impression layer and a vapor-deposited mirror layer for blazed reflection grating,

Fig. 5 einen materiellen Träger mit Abformschicht und aufgedampfter Spiegelschicht für normale Reflexionsgitter,5 shows a material carrier with an impression layer and a vapor-deposited mirror layer for normal Reflection grating,

Fig. 6 den materiellen Träger mit Spiegelschicht und Abformschicht.6 shows the material carrier with mirror layer and Impression layer.

i.'B.s Hologramm eines unendlich fernen Punktes ist in seiner .struktur ein Gitter. Die Herstellung dieses Hologramms sei anhand von Fig. 1 erläutert. Die von einem Laser 1 austretenden parallelen Strahlenbündel 2 und 2' werden durch die Blenden 3 und 3' auf genau gleichen Bündeldurchmesser gebracht. Die Blenden3 und 3' dienen ausserdem dazu, den Laserstrahl auf einen Bündelquerschnitt hinreichend homogener Intensität zu reduzieren. Über die beiden Umlenkspiegel 4 und 4' werden die Strahlen 2 und 2' in zwei an sich bekannte In other words, the hologram of an infinitely distant point is a grating in its structure. The production of this hologram is explained with reference to FIG. 1. The parallel bundles of rays 2 and 2 'emerging from a laser 1 are brought to exactly the same bundle diameter by the diaphragms 3 and 3'. The diaphragms 3 and 3 'also serve to reduce the laser beam to a bundle cross-section of sufficiently homogeneous intensity. The beams 2 and 2 'become two known per se via the two deflecting mirrors 4 and 4'

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Spiegelsysteme gelenkt. Diese bestehen je aus einem kleinen Parabolspiegel 6 und 6' und aus je einem grossen Parabolspiegel 5 und 5' und bilden jeweils ein teleskopisches System. Dies dient dazu, die Bündelquerschnitte im Verhältnis der Brennweiten der Spiegel zu vergrössern. Es gilt die bekannte Beziehung, dass sich die Durchmesser der Bündel umgekehrt wie die dazugehörigen Brennweiten der Parabolspiegel verhalten.Mirror systems steered. These each consist of a small parabolic mirror 6 and 6 'and a large parabolic mirror each 5 and 5 'and each form a telescopic one System. This is used to enlarge the cross-sections of the bundles in relation to the focal lengths of the mirrors. It The well-known relationship applies that the diameter of the bundle is inversely like the corresponding focal length of the Behave parabolic mirrors.

Die optischen Achsen der beiden teleskopischen Systeme bilden einen Winkel 7* der in der Interferenzfigur, z.B. in der Ebene der Abformschicht 8, bei vorgegebener Wellenlänge des kohärenten Laserlichtes den Abstand 9 der Intensitätsmaxima bzw. Minima bestimmt.The optical axes of the two telescopic systems form an angle 7 * which in the interference figure, e.g. in the plane of the impression layer 8, at a given wavelength of the coherent laser light, the distance 9 between the intensity maxima or minima determined.

Auf der Abformschicht 8, die aus einer Resistschicht oder einem lichtempfindlichen Lack bestehen kann, erhält man als Ausschnitt aus der Interferenzfigur eine gitterförmige Struktur. Diese wird durch geeignete Behandlung, z.B. Entwicklung in ein Reflexions- bzw. Transmissionsgitter dauerhaft abgeformt. In Fig. 3 ist die Gitterkonstante 9 dargestellt, die Reliefhöhe 10, sowie ein auf das Gitter einfallender Strahl 11, der als Strahl 12 reflektiert wird. Mit 13 ist die Gitternormale bezeichnet.On the impression layer 8, which consists of a resist layer or can consist of a light-sensitive lacquer, a lattice-shaped section is obtained from the interference figure Structure. This is permanently molded through suitable treatment, e.g. development in a reflection or transmission grating. In Fig. 3 the lattice constant 9 is shown, the relief height 10, as well as a ray 11 which is incident on the grating and which is reflected as a ray 12. The grid normal is denoted by 13.

In Fig. 2 ist ein Gitter dargestellt, wie es auf der Abformschicht 8 in Fig. 1 zu sehen ist.In Fig. 2 a grid is shown as it is on the impression layer 8 can be seen in FIG.

In Fig. 4 bis 6 sind verschiedene Gitter dargestellt, die unterschiedlich aufgebaut sind und nach rechts verschiedene Behandlungsstadien durchlaufen. Fig. 4 zeigt den materiellen Träger 14, auf den die Abformschicht 15 aufgebracht ist;In Fig. 4 to 6 different grids are shown which are structured differently and go through different stages of treatment to the right. Fig. 4 shows the material Carrier 14 to which the impression layer 15 is applied is;

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Die Abformschicht 15 wird mit der Interferenzfigur, dargestellt durch die Strahlen l6, belichtet. Die Entwicklung dieser Abformschicht 15 liefert je nach Entwicklungsbedingungen eine sinus- oder treppenförmig verlaufende Reliefstruktur. The impression layer 15 is shown with the interference figure exposed by rays l6. The development of this impression layer 15 provides depending on the development conditions a sinusoidal or step-shaped relief structure.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, besteht eine andere Möglichkeit darin, auf dem mit einer Abformschient 15 versehenen materiellen Träger 14 nach der Entwicklung der Abformschicht 15 eine Spiegelschicht 20 aufzudampfen, wodurch ebenfalls ein geblaztes oder wie in Fig. 5 dargestellt, ein normales Reflexionsgitter zu erhalten ist...As shown in Fig. 4, there is another possibility therein, on the one provided with an impression rail 15 material carrier 14 after the development of the impression layer 15 to vaporize a mirror layer 20, which also produces a blazed or, as shown in FIG. 5, a normal To obtain reflection grating is ...

In Fig. 6 ist auf den materiellen Träger 14 eine Spiegelschicht 19 aufgebracht, auf der wiederum die Abformschicht 15 zu finden ist. Durch diesen Schiehtenaufbaü ist es möglich, normale oder geblazte Reflexionsgitter herzustellen. In FIG. 6, a mirror layer is on the material carrier 14 19 is applied, on which in turn the impression layer 15 can be found. It is through this layer structure possible to make normal or blazed reflective gratings.

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Claims

Patent claims:

1. Process for the production of reflection and transmission gratings, especially for use in spectral analysis, as precision graduations and the like, in which in the imaging area of an interference figure that arises when two coherent bundles of rays are superimposed a layer of photosensitive material is introduced and then developed into a grating after exposure is, characterized in that the layer of photosensitive material consists of a resist layer (light-sensitive lacquer), which (in contrast to photographic layers) as a whole layer or ' in their total layer height, their chemical structure changes at the exposed areas, and that the exposure done by laser beams.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the light-sensitive material forms an impression layer, the impression layer on a material Applied carrier, exposed to the interference figure and then developed.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that that for the production of blazed reflective grids, the impression layer is applied to the material carrier, exposed and developed and then the surface structure the impression layer is mirrored.

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4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that that for the production of reflective gratings on the material support first a reflective layer and only then is the impression layer applied.

5. Transmission or reflection grating according to the method of claims 1 to 4, characterized in that the material support (l4) consists of a block of glass or quartz is formed, the plane-parallel, convex or concave shape or a combination shape.

6. Transmission or reflection grating according to claim 5, characterized in that the impression layer · (15) according to the exposure and development of a relief-like surface structure, which is preferably sinusoidal or step-like in cross-section or has a variable absorption structure.

7. Blazed reflective grating using the method of Claims 1 to 4, characterized in that this has a mirror layer (20) on the molding layer (15).

8. reflection grating according to the method of claims 1 to 4, characterized in that this is under the impression layer (15) has a mirror layer (19).

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