DE3514642A1 - Method for producing holographic diffraction gratings - Google Patents
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Abstract
Description
Beschreibung description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung holographischer Beugungsgitter Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung holographischer Beugungsgitter.Method and device for producing holographic diffraction gratings The invention relates to a method and an apparatus for producing holographic ones Diffraction grating.
Beugungsgitter finden heutzutage weit verbreiteten Einsatz in spektroskopischen Instrumenten wie Spektrographen und Monochromatoren sowie zur Frequenzeinengung und Farbabstimmung von Lasern.Diffraction gratings are now widely used in spectroscopic Instruments such as spectrographs and monochromators as well as for frequency narrowing and color matching of lasers.
In der Herstellung dieser Gitter unterscheidet man u.a. zwei Fertigungsweisen: 1. Mechanisches Ritzen und 2. die holographische Methode.In the manufacture of these grids, a distinction is made between two manufacturing methods: 1. Mechanical scribing and 2. the holographic method.
Bei dem ersten Verfahren beschränkt die erforderliche hohe mechanische Präzision die erreichbare Liniendichte auf ca.The first method limits the high mechanical required Precision the achievable line density to approx.
2000 1/mm. Bei letzterem Verfahren konnte die erreichbare Liniendichte auf über 4000 1/mm gesteigert werden. Noch kleinere Gitterkonstanten, wie sie vor allem beim Einsatz im UV-Bereich notwendig sind, um hohe spektrale Auflösung zu erreichen, erfahren in der Herstellung jedoch folgende technische Beschränkungen: Durch die endliche Korngröße eines herkömmlichen fotoempfind- lichen Materials liegt die maximal erreichbare Liniendichte bei etwa 5000 1/mm. Diese hohe Auflösung geht jedoch zu Lasten des Kontrastes, da die Lichtempfindlichkeit der Beschichtung abnimmt. Ein schlechterer Kontrast beeinträchtigt wiederum wegen der Abhängigkeit von Kontrast und Modulationstiefe die Beugungseffizienz.2000 1 / mm. With the latter method, the achievable line density can be increased to over 4000 1 / mm. Even smaller lattice constants as before especially when used in the UV range are necessary to achieve high spectral resolution however, experience the following technical limitations in production: Due to the finite grain size of a conventional photosensitive lichen Materials, the maximum achievable line density is around 5000 1 / mm. This high However, resolution is at the expense of contrast, since the light sensitivity of the Coating is decreasing. A poorer contrast, in turn, is detrimental because of the Diffraction efficiency is dependent on contrast and modulation depth.
An die Lichtquelle werden große Kohärenzanforderungen gestellt, da hiervon die Schärfe des Interferenzbildes abhängt.Great coherence requirements are made of the light source because on this the sharpness of the interference pattern depends.
Die kleinste erreichbare Gitterkonstante ist immer größer als die halbe Lichtwellenlänge.The smallest achievable lattice constant is always greater than that half light wavelength.
Da intensive UV-Lichtquellen fehlen, welche die notwendige Kohärenzbedingung erfüllen, bleibt dieses Verfahren auf den sichtbaren Spektralbereich beschränkt und begrenzt somit die erreichbare Liniendichte auf ca. 5000 1/mm.Since intense UV light sources are missing, which the necessary coherence condition meet, this method is limited to the visible spectral range and thus limits the achievable line density to approx. 5000 1 / mm.
Die durch die hohe Auflösung bedingte geringere Lichtempfindlichkeit des Fotomaterials erfordert lange Belichtungszeiten. Dieser Umstand macht eine aufwendige mechanische Stabilisierung des gesamten Aufbaus gegen Umwelteinflüsse notwendig, da die Rauschfreiheit des holographischen Gitters über dessen Schärfe definiert ist.The lower sensitivity to light due to the high resolution of the photographic material requires long exposure times. This fact makes a complex one mechanical stabilization of the entire structure against environmental influences necessary, since the freedom from noise of the holographic grating is defined by its sharpness is.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung holographischer Beugungsgitter mit einer höheren Liniendichte zu schaffen.The object of the invention is to provide a method for producing holographic To create diffraction grating with a higher line density.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung von holographischen Beugungsgittern gemäß Anspruch 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved in a process for production solved by holographic diffraction gratings according to claim 1.
Das Verfahren stellt geringere Anforderungen an die Kohärenz der verwendeten Lichtquelle und an den mechanischen Stabilisierungsaufwand als die bisher bekannten Verfahren. Es ist keine naß-chemische Entwicklung mehr erforderlich. Zudem kann mit dem Verfahren eine höhere Liniendichte des Gitters erzielt werden. Trotzdem wird die Beugungseffizienz nicht beeinträchtigt, da der Kontrast von ausreichender Güte ist und die Modulationstiefe über die Energie der verwendeten Lichtquelle gesteuert werden kann.The method makes less stringent demands on the coherence of the used Light source and the mechanical stabilization effort than the previously known Procedure. Wet chemical development is no longer necessary. In addition, can with the process a higher line density of the grid be achieved. Even so, the diffraction efficiency is not impaired because the contrast is sufficient Quality is and the modulation depth is controlled by the energy of the light source used can be.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen Figur 1 eine erste Anordnung, mit der das Verfahren zur Herstellung holographischer Beugungsgitter realisiert werden kann und Figur 2 eine zweite Anordnung, mit der das Verfahren zur Herstellung, holographischer Beugungsgitter realisiert werden kann.Other advantages, features and uses of the present Invention emerge from the exemplary embodiment in conjunction with the drawing. FIG. 1 shows a first arrangement with which the method for production holographic diffraction grating can be realized and Figure 2 shows a second arrangement, with which the process for the production of holographic diffraction gratings is realized can be.
Das erfindungsgemäße Verfahren nützt die Techniken der interferometrischen Holographie und der UV-Lithographie durch Ablation an Polymeroberflächen zur Herstellung entwicklungsfreier Beugungsgitter mit hoher Liniendichte. Die zugrunde liegenden Prozesse sind im folgenden beschrieben.The method according to the invention uses the techniques of interferometric Holography and UV lithography by ablation on polymer surfaces for production development-free diffraction grating with high line density. The underlying Processes are described below.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird ein Interferenzgitter hoher Güte erzeugt. Ein einfallender Lichtstrahl, bevorzugterweise ein Laserstrahl, wird an einem holographischen Gitter2symmetrisch in + 1. Ordnung gebeugt und über eine Spiegelanordnung die beispielsweise aus zwei parallelen Spiegeln 3, 4 besteht, welche orthogonal zur Gitterebene stehen, in einem vorgewählten Abstand y vom Gitter zur Interferenz gebracht. Die Gitterkonstante L des entstehenden Interferenzmusters 6 ergibt sich in Abhängigkeit der Gitterkonstante d des holographischen Gitters 2 aus der Beziehung: L = d/2 Diese Anordnung stellt keine sehr hohen Anforderungen an die Kohärenz der verwendeten Lichtquelle, so daß z.B. auch ein gepulster Excimer-Laser vom Typ eines Oszillator-Verstärker-Systems mit integrierter Prismen- oder Gitteroptik zur Bandbreitenbegrenzung diesen Zweck erfüllen kann.With the arrangement shown in Fig. 1, an interference grating is created of high quality. An incident light beam, preferably a laser beam, is diffracted symmetrically in + 1st order on a holographic grating and over a mirror arrangement consisting, for example, of two parallel mirrors 3, 4, which are orthogonal to the grid plane, at a preselected distance y from the grid brought to interference. The lattice constant L of the resulting interference pattern 6 results as a function of the grating constant d of the holographic grating 2 from the relationship: L = d / 2 This arrangement does not make very high demands to the Coherence of the light source used, so that e.g. also a pulsed excimer laser of the type of an oscillator-amplifier system with integrated Prism or grating optics to limit bandwidth can serve this purpose.
Durch dieses Verfahren ist die Gitterkonstante d des Vorlagengitters 2 auf einfache Weise halbierbar.By this method, the lattice constant is d of the original lattice 2 can be easily halved.
Eine kontinuierliche Veränderung der Gitterkonstante ist durch antisymmetrische Drehung der Spiegel 3, 4 möglich, wobei das Substrat entsprechend der Verschiebung der Interferenzebene nachgeführt wird.A continuous change in the lattice constant is due to antisymmetric Rotation of the mirrors 3, 4 possible, with the substrate corresponding to the displacement the interference plane is tracked.
Bei Verwendung eines ArF-Excimer-Lasers (>= 193nm) liegt die theoretisch erreichbare Liniendichte im Bereich von 10000 1/mm.When using an ArF excimer laser (> = 193nm) this is theoretical achievable line density in the range of 10000 1 / mm.
Für die Wahl des verwendeten holographischen Gitters in Anordnung 1 soll stets gelten, daß die Gitterkonstante größer als die Laserwellenlänge ist. Das Gitter selbst soltte gegenüber der Einwirkung des Excimer-Lasers die nötige Belastbarkeit aufweisen. Anstelle des Reflexionsgitters kann auch ein Transmissionsgitter verwendet werden. Durch einfaches Blockieren oder durch asymmetrische Anordnung der optischen Komponenten sollte man verhindern, daß die O'te Gitterordnung auf das Substrat fällt. Die Polarisation des Laserlichtes sollte parallel zu den Gitterfurchen liegen.For the choice of the holographic grating used in arrangement 1 it should always apply that the grating constant is greater than the laser wavelength. The grid itself should have the necessary resistance to the action of the excimer laser Have resilience. A transmission grating can also be used instead of the reflection grating be used. By simple blocking or by asymmetrical arrangement of the optical components one should prevent the O'te grating order from occurring the substrate falls. The polarization of the laser light should be parallel to the grating furrows lie.
Im Falle guter Laserkohärenz läßt sich auch der Aufbau von Figur 2 realisieren. Aufgrund der Impulsdauer von Excimer-Lasern sind theoretisch Kohärenzlängen von 1 m und mehr möglich. In diesem Fall kann man das Gitter durch einen Strahlteilerspiegel2'ersetzen. Im übrigen gelten die gleichen Vorschriften wie für die in Figur 1 beschriebene Anordnung.In the case of good laser coherence, the structure of FIG realize. Due to the pulse duration of excimer lasers, there are theoretically coherence lengths from 1 m and more possible. In this case the grating can be replaced by a beam splitter mirror 2 '. Otherwise, the same rules apply as for those described in FIG Arrangement.
Das Interferenzmuster 6 wird auf ein Absorbersubstrat, beispielsweise ein Polymersubstrat, gestrahlt. Unter der Bestrahlunc brechen bei organischen Polymeren in einem bestimmten Volumen, abhängig vom Absorptionskoeffizienten des Materials und der Energie der Lichtimpulse, die Polymerbindungen auf, wobei das Material in kleinsten Bruchstücken senkrecht zur Oberfläche herausgeschleudert wird. Dieser Prozeß wird W-Ablation genannt und hinterläßt eine scharf begrenzte Vertiefung an der Stelle, wo das Licht durch die Oberfläche dringt.The interference pattern 6 is on an absorber substrate, for example a polymer substrate, blasted. Organic polymers break under irradiation in a certain volume, depending on the absorption coefficient of the material and the energy of the light pulses that form polymer bonds, whereby the material is thrown out in tiny fragments perpendicular to the surface will. This process is called W-ablation and leaves a sharply defined one Deepening where the light penetrates the surface.
Mittels Ablation läßt sich also ein nach Figur 1 erzeugtes Interferenzgitter 6 direkt auf eine Polymerfolie 5 übertragen.An interference grating produced according to FIG. 1 can thus be achieved by means of ablation 6 transferred directly to a polymer film 5.
Anstelle eines Polymers kann man auch andere stark UV-absorbierende Materialien verwenden, die man durch Aufdampfen auf ein Trägersubstrat, Kondensieren oder Kristallisieren herstellen kann. Wesentlich für den übertragungsprozeß ist, daß unter der Einwirkung von Excimerlaserimpulsen lokal begrenzte Ablation stattfindet.Instead of a polymer one can also use other strongly UV-absorbing ones Use materials that can be condensed by vapor deposition on a carrier substrate or crystallize. It is essential for the transfer process that locally limited ablation takes place under the action of excimer laser pulses.
Die Ablationstiefe kann über die Energie des verwendeten Lichtstrahls, beispielsweise bei Verwendung Von gepulsten Lasern über d Impulsenergie und die Anzahl der aufsummieren Impulse, gesteuert werden. Die Herstellung eines reflektierenden Beugungsgitters erfordert lediglich noch die Bedampfung mit einer reflektierenden Schicht.The ablation depth can be determined by the energy of the light beam used, for example when using pulsed lasers over d pulse energy and the Number of accumulating pulses can be controlled. Making a reflective Diffraction grating only requires vapor deposition with a reflective one Layer.
Die Qualität eines solchen Beugungsgitters hängt nicht zuletzt von der Homogenität des Laserstrahls und der optischen Qualität der Substratoberfläche ab.The quality of such a diffraction grating depends not least on the homogeneity of the laser beam and the optical quality of the substrate surface away.
Bei Belichtung des Absorbersubstrats mit einem einzigen Laserimpuls entfällt jeglicher mechanischer Stabilisierungs-und Dämpfungsaufwand.When the absorber substrate is exposed with a single laser pulse there is no need for any mechanical stabilization and damping effort.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5372900A (en) * | 1992-03-27 | 1994-12-13 | Fuji Photo Optical Co., Ltd. | Method of reproducing reflecting type hologram and apparatus therefor |
| US6549309B1 (en) * | 1998-02-10 | 2003-04-15 | Illinois Tool Works Inc. | Holography apparatus, method and product |
-
1985
- 1985-04-23 DE DE19853514642 patent/DE3514642A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| US5372900A (en) * | 1992-03-27 | 1994-12-13 | Fuji Photo Optical Co., Ltd. | Method of reproducing reflecting type hologram and apparatus therefor |
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