DE19809055A1 - Zweistrahl-Interferometer zur Gitterherstellung in photosensitiven Materialien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zweistrahl-Interferometeranordnung mit Phasenmaske als Stralleiter und optischen Phasenschiebern zur kontrollierten örtlichen Verschiebung von Interferenzmustern. Insbesondere sollen damit komplizierte Gitterstrukturen in photosensitiven Materialien herstellbar sein, die in der optischen Kommunikationstechnik und optischen Meßtechnik benötigt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zweistrahl-Interferometer mit Phasenmaske als Strahlteiler und einstellbarer Phasendifferenz zwischen den interferierenden Teilstrahlen.

Periodische Interferenzmuster können standardmäßig und unter Beachtung von Kohärenzanforderungen durch Interferenz von Wellen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung erzeugt werden. Dies kann beispielsweise in einem Mach-Zehnder-Interferometer durch Aufspaltung eines Laserstrahles mit einem Strahlteiler und anschließender Überlagerung der Teilstrahlen mit einem zweiten Strahlteiler geschehen. Alternativ können bekanntlich zwei Teilstrahlen auch durch Beleuchtung einer periodischen Phasenmaske mit einem Laserstrahl erzeugt werden. Dies beruht auf Beugungseffekten an der Phasenmaske. Die beiden dabei insbesondere und vorzugsweise entstehenden ersten Beugungsordnungen haben verschiedene Ausbreitungsrichtungen und erzeugen zusammen hinter der Phasenmaske ein periodisches Interferenzfeld. Die Ausbreitungsrichtungen und damit die Periodizitäten des Interferenzfeldes sind jedoch fest durch die Phasenmaske vorgegeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer Phasenmaske als Strahlteiler und einem optischen Aufbau den Kreuzungswinkel der Teilstrahlen in einem Interferenzgebiet einstellbar und das Interferenzfeld verschiebbar zu machen. Ferner soll die Forderung erfüllt werden, daß eine Bewegung der Phasenmaske zu einer gleichgerichteten und annähernd gleich großen Bewegung des Interferenzmusters führt. Insbesondere soll dadurch ermöglicht werden, mit dünnen Lichtstrahlen in einem Scanprozeß, bei dem die Phasenmaske bewegt wird, vorgegebene Gittermuster in mitbewegte photosensitive Wellenleiter einzuschreiben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei von der Phasenmaske abgebeugte Wellen über Spiegelungsoptiken in einem gewählten Gebiet nach einer jeweils geraden Anzahl von Reflexionen erneut zur Überlagerung gebracht werden, nun jedoch mit einstellbarem Überschneidungswinkel. In den Strahlengang eines Teilstrahls oder beider Teilstrahlen werden Phasenschieber eingefügt. Dabei basiert die Erfindung auf den Erkenntnissen, daß durch eine gerade Zahl von Reflexionen bei Scanprozessen ein Verwischen der durch photosensitive Materialien aufintegrierten Interferenzmuster verhindert werden kann, daß Bewegungsunterschiede zwischen der Phasenmaske und dem Interferenzmuster durch kontrollierte Phasenverschiebungen ausgeglichen werden können und daß mit dünnen Strahlen und veränderlichen Phasenverschiebungen Gitterstrukturen mit variablen Perioden auch bei festen Überkreuzungswinkeln in photosensitive Materialien eingeschrieben werden können.

Der grundsätzliche Aufbau von erfindungsgemäßen Zweistrahl-Interferometern kann anhand der in Abb. 1 und Abb. 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. In Abb. 1 fällt ein Laserstrahl (1) auf eine Phasenmaske (2) mit vorzugsweise konstanter Gitterperiode. Die +1. und -1. Beugungsordnung (3a/b) gelangen über zwei feste Spiegel (4a/b) und zwei drehbare Spiegel (5a/b) auf ein Zielobjekt (6). Konkret kann es sich bei dem Laser (1) um einen Uv-Laser, z. B. einen frequenzverdoppelten Argon-Ionenlaser bei 244 nm Wellenlänge handeln und bei dem Zielobjekt (6) um einen photosensitiven Wellenleiter, z. B. eine Germanium-dotierte optische Faser. In Abb. 1 befinden sich im Strahlengang ferner zwei Phasenschieber (7a/b), von denen prinzipiell einer ausreichend ist. Wird mit den Spiegeln (5) der gleiche Winkel zwischen den interferierenden Strahlen (3a'/b') eingestellt, wie der Beugungswinkel zwischen (3a) und (3b), so erhält man ohne Phasenschiebung mit einer ruhenden Anordnung am Zielobjekt (6) ein Interferenzmuster gleicher Periode, wie das primäre Interferenzmuster direkt unterhalb der Phasenmaske (2). Wird in diesem Fall die Phasenmaske gemeinsam mit dem Zielobjekt bewegt, so bleiben die Positionen der Maxima und Minima des Interferenzmusters auf dem Zielobjekt fest. Bei einem photosensitiven Material erhält man damit ein fortlaufendes eingeschriebenes Gittermuster. Wichtig ist hier die Erkenntnis, daß das in der mittleren Ebenen (8) entstehende Interferenzmuster nicht diese Eigenschaft besitzt. Bei Bewegung der Phasenmaske bewegt es sich gegenläufig und würde bei einem dort plazierten und mitbewegtem Zielobjekt keine Gitterstruktur liefern.

Wird zwischen 3a' und 3b' ein abweichender Winkel eingestellt, so ergibt sich in der ruhenden Anordnung ein Interferenzmuster anderer Periode. Bei gemeinsamer Bewegung von Phasenmaske und Zielobjekt ergibt sich nun jedoch ein auf dem Zielobjekt wanderendes Interferenzmuster. Bei photosensitiven Matrialien ergibt sich damit mit zunehmendem Differenzwinkel eine zunehmende Ausmittelung, i.e. Kontrastminderung, der Gitterstruktur. Neben dem Differenzwinkel ist für das Ausmaß des Mittelungseffektes auch die Breite der interferierenden Strahlen von Bedeutung. Die Bewegung des Interferenzmusters auf dem mitbewegten Zielobjekt kann jedoch durch eine geeignet gewählte Phasenverschiebung ausgeglichen werden, so daß auf diese Weise Gitterstrukturen mit abweichender, aber zunächst noch konstanter Periode erzeugt werden können. Darüber hinaus können nun aber beabsichtigte Bewegungen des Interferenzmusters auf dem Zielobjekt durch Zusatz- Phasenverschiebungen erzeugt werden. Dadurch können im zeitlich integrierten Interferenzmuster, d. h. in der Gitterstruktur auf dem photosensitiven Zielobjekt, Periodizitäten erzeugt werden, die von dem durch die Winkeldifferenz 3a'-3b' gegebenen Wert abweichen. Dies ist jedoch mit einer Kontrasteinbuße verbunden. Bei vorgegebener tolerierbarer Kontrasteinbuße ergeben sich aber für kleine Strahldurchmesser erhebliche durch Zusatz- Phasenverschiebung realisierbare Periodizitätsänderungen. Berücksichtigt man weiterhin, daß durch weitere Phasenschwankungen der Kontrast der in die Zielobjekte eingeschriebenen Gitterstrukturen gezielt verringert werden kann, so ergibt sich insgesamt, daß in photosensitiven Wellenleitern Gitterstrukturen mit weitgehend beliebig vom Orte abhängenden komplexen Kopplungsfaktor eingeschrieben werden können.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Abb. 2 gezeigt. Durch den im Vergleich zu Abb. 1 gefalteten Strahlengang ergibt sich ein kompakter, weniger störempfindlicher, annähernd ringförmiger Interferometeraufbau. Die Bedingung einer geraden Anzahl von Reflexionen ist ebenfalls erfüllt. Zur Phasenverschiebung kommt hier ein polarisationsoptischer Phasenverschieber (7) in Frage entsprechend der Patentanmeldung "Richtungsabhängiger, variabler und rücksetzungsfreier optischer Phasenschieber" vom 28.2.1998. Mit diesem Phasenschieber kann je nach Ausbreitungsrichtung des Lichtes eine Phasenverschiebung von +ΔΦ bzw. -ΔΦ ereicht werden, also eine Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen von 2 ΔΦ. ΔΦ kann endlos durch Drehung einer Halbwellenlängenplatte eingestellt werden. In der vorzugsweisen Anordnung wird von diesem Phasenschieber linear polarisiertes Licht gleichzeitig in den orthogonalen Polarisationszustand überführt. Dadurch wird ermöglicht, durch Polarisationsstrahlteiler, z. B. Rochon-Prismen, (9a/b) die Teilstrahlen vor der Wieder- Überlagerung räumlich an einen anderen Ort zu führen, wo das Zielobjekt optimal plaziert werden kann.

Erfindungsgemäße Zweistrahl-Interferometer werden insbesondere zur Herstellung komplizierterer Gitterstrukturen in optischen Fasern und planaren optischen Wellenleitern Anwendung finden können, wie sie für Aufgaben in der optischen Kommunikationstechnik und Meßtechnik benötigt werden.

Claims (11)

1. Zweistrahl-Interferometer mit einer Phasenmaske mit vorzugsweise konstanter Gitterperiode als Strahlteiler, dadurch gekennzeichnet, daß zwei von der Phasenmaske abgebeugte Strahlen nach jeweils einer geraden Anzahl von Reflexionen in einer ausgewählten Ebene mit gleichem oder geändertem Kreuzungswinkel und mit einer einstellbaren Phasendifferenz zur Interferenz gebracht werden und sich die Phasenmaske und ein in der ausgewählten Ebene plaziertes Zielobjekt gemeinsam oder mit kontrollierter Differenzgeschwindigkeit quer in Bezug zu dem auf die Phasenmaske einfallenden Strahl bewegen, der seinerseits nicht gegenüber den sonstigen Interferometerteilen bewegt wird.

2. Zweistrahl-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Reflektoren eingesetzt werden, an denen beide gebeugten Strahlen reflektiert werden.

3. Zweistrahl-Interferometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen der Reflektoren oder elektrooptische Phasenmodulatoren benutzt werden, um die einstellbaren Phasendifferenzen zwischen den interferierenden Strahlen zu realisieren.

4. Zweistrahl-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Beugungsordnungen der Phasenmaske ausgeblendet werden, so daß sie nicht zu der ausgewählten Ebene gelangen.

5. Zweistrahl-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Interferenzebene mit dem Zielobjekt annähernd parallel zur Ebene der Phasenmaske ist und sich in ihrer Nähe befindet.

6. Zweistrahl-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei lateraler Bewegung der Phasenmaske die Bewegungen des Interferenzstreifenmusters auf dem mitbewegten Zielobjekt durch mechanische Differenzbewegungen des Zielobjektes oder durch zeitabhängige Phasenverschiebungen zwischen den interferierenden Strahlen ausgeglichen werden.

7. Zweistrahl-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch zusätzlich erzeugte Phasendifferenzen zwischen den interferierenden Strahlen oder durch zusätzliche Differenzbewegungen des Zielobjektes gewünschte Verschiebungen des Interferenzstreifenmusters auf dem Zielobjekt entstehen.

8. Zweistrahl-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die interferierenden Strahlen auf ihrem Weg von der Phasenmaske bis zur gewählten Ebene geometrisch annähernd einen Ring bilden.

9. Zweistrahl-Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Phasendifferenzen zwischen den kontrapropagierenden Strahlen ein polarisationsoptischer Phasenschieber eingesetzt wird.

10. Zweistrahl-Interferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zusätzlich Polarisationsstrahlenteiler eingefügt werden, die es erlauben, die durch den polarisationsoptischen Phasenschieber in ihrer Polarisation veränderten Strahlen vor der Überlagerung abzulenken, um dadurch das Gebiet der Interferenz und damit die Position des Zielobjektes günstiger wählen zu können.

11. Zweistrahl-Interferometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein im ultravioletten Spektralbereich emittierender Laser und als Zielobjekt ein photosensitiver optischer Wellenleiter eingesetzt wird, so daß durch das Zweistrahlinterferometer in einem Scanvorgang mit dünnen, möglicherweise fokussierten, Strahlen Gitterstrukturen mit weitgehend beliebigem komplexen Kopplungsfaktor als Funktion der Wellenleiterlängskoordinate erzeugt werden können.