專利名稱：任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置及其曝光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全息曝光裝置，尤其涉及一種以傅里葉合成曝光為基礎(chǔ)的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置；同時(shí)，本發(fā)明還涉及上述任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置的全息曝光方法。
背景技術(shù)：
衍射光柵是光譜儀器中最常用的分光器件，按照制作方法一般可以分為刻劃光柵和全息光柵?？虅澒鈻攀鞘褂媒饎偸痰对阱冇袖X膜的光柵基坯上通過非切削的方式刻劃出一道道槽形，形成光柵，金剛石刻刀的角度決定了刻劃光柵的槽形。由光柵刻劃機(jī)刻劃出一塊母光柵需要很長的刻劃時(shí)間，通常要幾個(gè)晝夜，因此對環(huán)境恒溫、防振系統(tǒng)要求很高，否則材料的熱膨脹和機(jī)械的振動(dòng)都將導(dǎo)致槽形的破壞，降低光柵的質(zhì)量。目前國內(nèi)光譜使用的光柵絕大多數(shù)是國外光柵母版復(fù)制而成的，而母版的制作技術(shù)一直為國外幾家公司壟 斷。全息光柵因制作快速、低成本、對環(huán)境要求低等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。然而全息光柵通常采用兩束平行光的干涉條紋來對光刻膠進(jìn)行曝光，因此產(chǎn)生的槽形一般為正弦型。正弦型光柵的衍射效率通常集中在零級(jí)衍射和正負(fù)一級(jí)衍射，沒有閃耀效果，使用級(jí)次低，不利于光譜儀器的分光應(yīng)用。因此，使用全息曝光的方法制作出非正弦的閃耀光柵將具有很高的實(shí)用價(jià)值和創(chuàng)新意義。中國發(fā)明專利CN200610039967. 6中提出了一種全息曝光過程中干涉條紋的鎖定的裝置，然而此裝置要使用一塊參考光柵，觀測干涉條紋與參考光柵之間的莫爾條紋來判斷干涉條紋的抖動(dòng)情況，屬于間接測量；另外，放置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的干涉光路與參考光柵同時(shí)振動(dòng)，因此莫爾條紋抖動(dòng)并不明顯，不能很好地反映干涉條紋的實(shí)際抖動(dòng)情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置，可利用多光路同時(shí)曝光，達(dá)到干涉條紋疊加的效果。此外，本發(fā)明還提供上述任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置的全息曝光方法，可利用多光路同時(shí)曝光，達(dá)到干涉條紋疊加的效果。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置，所述裝置包括激光器、主分束鏡；激光器發(fā)射的光束經(jīng)過主分束鏡分為若干束光路，每束光路均經(jīng)過一子曝光單元；所述子曝光單元包括可調(diào)光衰減器、分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、壓電陶瓷及驅(qū)動(dòng)器、顯微物鏡組、CXD接收器及驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；光束首先經(jīng)過可調(diào)衰減器再經(jīng)過分束器后分成等強(qiáng)度兩束光路d、e，光路d、e光束分別經(jīng)過固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的第一反射鏡和固定在壓電陶瓷上的第二反射鏡后形成一定的夾角，然后分別通過第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡形成寬口徑的平行光束，并在光柵基坯表面產(chǎn)生干涉條紋；在光柵基坯表面后面放置顯微物鏡組，使得光柵基坯表面與顯微物鏡組的物方焦平面重合，然后將CXD接收器放置顯微物鏡組的像方焦平面上；(XD接收器將采集到的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，有計(jì)算機(jī)分析條紋的周期、位相和強(qiáng)度信息。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，觀測C⑶接收器上干涉條紋的抖動(dòng)，通過算法實(shí)時(shí)監(jiān)測條紋的漂移量；將條紋的漂移量轉(zhuǎn)換成光程差，即第二反射鏡所需的位移，再由計(jì)算機(jī)將此信號(hào)發(fā)送給壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來控制固定在壓電陶瓷上的第二反射鏡前后位移，用以補(bǔ)償因?qū)嶒?yàn)平臺(tái)振動(dòng)造成的干涉條紋抖動(dòng)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，根據(jù)CCD接收器的顯示結(jié)果，可得到干涉條紋周期和位相，若得到的某一組干涉條紋與預(yù)期的干涉條紋有差距，則可以通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)整第一反射鏡的角度，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的周期；調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓來調(diào)節(jié)兩束光的光程差，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的位相；調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器，得到需要的干涉條紋強(qiáng)度；分別調(diào)整各組干涉條紋后，C⑶接收器顯示將得到所需的光強(qiáng)分布，將涂有光刻膠的光柵基坯放在光柵基坯表面上進(jìn)行曝光，曝光后顯影、后烘烤，得到所需的非正弦槽形光柵。一種上述的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置的全息曝光方法，所述方法包括如下步驟(I)根據(jù)所需制備的光柵槽形要求，將非正弦周期槽形利用傅里葉級(jí)數(shù)分解成若干項(xiàng)正弦槽形的疊加；(2)根據(jù)步驟(I)，將激光器的出射光分為若干束光路，每束光路用以產(chǎn)生一組干涉條紋；每路光路中設(shè)有可調(diào)衰減器，因此干涉條紋的強(qiáng)度分別可調(diào)；各路光到達(dá)曝光位置的兩兩光程差均超過激光器的相干長度，因此各路光彼此之間不再干涉，到達(dá)光柵基坯表面時(shí)僅為光強(qiáng)的疊加，而非振幅疊加；(3)對各光束分別進(jìn)行再次分束，將各束光路分成等強(qiáng)度的兩束光d、e，用以干涉;(4)光路d經(jīng)過固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的第一反射鏡，光路e經(jīng)過固定在壓電陶瓷上的第二反射鏡，兩路反射光分別經(jīng)過各自的準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡后變?yōu)閮墒鴮捒趶降钠叫泄馐?5)兩束平行光束的交匯區(qū)域?yàn)楦缮鎱^(qū)域，將高倍顯微物鏡組放在干涉條紋的后方，確保干涉條紋的曝光面與顯微物鏡組的物方焦平面重合，將CCD接收器放在顯微物鏡組的像面上，由CCD接收器監(jiān)測干涉條紋的周期、位相、強(qiáng)度信息；(6)根據(jù)CCD接收器上的顯示信息來調(diào)節(jié)可調(diào)衰減片，以控制干涉條紋的強(qiáng)度；調(diào)整反射鏡下的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以控制干涉條紋的周期；調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓，即調(diào)節(jié)反射鏡的前后位置，以改變兩束光的光程差，從而改變干涉條紋的位相；
(7)由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在低頻振動(dòng)，因此干涉條紋也會(huì)隨之抖動(dòng)，影響曝光結(jié)果；因此根據(jù)CCD接收器監(jiān)測到的條紋抖動(dòng)信息，將條紋抖動(dòng)信息反饋給壓電陶瓷，調(diào)節(jié)陶瓷的長度，從而鎖定干涉條紋，避免條紋抖動(dòng)的影響；(8)將各組干涉條紋分別調(diào)節(jié)到理想狀態(tài)時(shí)，CXD接收器上顯示出預(yù)期的光強(qiáng)分布；將涂有光刻膠的光柵基坯放在多組干涉條紋的重疊區(qū)域，進(jìn)行曝光，曝光后顯影、后烘烤，即可得到所需的非正弦槽形的光柵結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置及其曝光方法，可利用多光路同時(shí)曝光，達(dá)到干涉條紋疊加的效果。本發(fā)明采用了傅里葉分解的思想，實(shí)現(xiàn)了任意槽形光柵的全息法制作。裝置中采用了多組光路同時(shí)曝光，減少制作時(shí)間。裝置中設(shè)有CXD監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地反映干涉條紋的振動(dòng)漂移情況，并以此信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)了干涉條紋的鎖定，避免了條紋抖動(dòng)對長時(shí)間曝光的影響，同時(shí)根據(jù)擴(kuò)束后的干涉條紋信息精確控制了各組干涉條紋的位相，能夠?qū)崿F(xiàn)多組干涉條紋的匹配疊加。整個(gè)裝置容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的可行性。


圖I為一種任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光光路示意圖。圖2 (a)、圖2 (b)、圖2 (C)為三組干涉條紋精確疊加后的光強(qiáng)分布圖(以中階梯光柵槽形為例)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施例一本發(fā)明揭示了一種合成曝光法制作任意槽形光柵的方法，首先根據(jù)傅里葉分解的思想，將要合成的光柵槽形分解成若干正弦槽形的代數(shù)和，而每一組正弦槽形都用一組干涉條紋曝光來實(shí)現(xiàn)。若取前三項(xiàng)正弦槽形近似，則方案中使用三組干涉條紋來同時(shí)曝光，顯影后得到所需槽形的全息光柵。圖I為合成曝光法制作任意槽形光柵的一種光路示意圖，該圖為實(shí)現(xiàn)合成曝光法制作任意槽形光柵的光路的一種例證，不限制本發(fā)明的權(quán)利要求。激光器I出射的光束經(jīng)過分束器2后分成a、b、c三路光，三路光將在光柵基坯表面9形成三組干涉條紋，并且a、
b、c三路光到達(dá)光柵基坯表面9的相互光程差都超過了激光器的相干長度，因此相互之間不再干涉，在光柵基坯表面9僅為光強(qiáng)的疊加。下面以a路光為例，說明其干涉條紋的周期、位相和強(qiáng)度的控制。光束首先經(jīng)過可調(diào)衰減器3再經(jīng)過分束器4后分成等強(qiáng)度兩束光d、e, d、e光束分別經(jīng)過固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的反射鏡5和固定在壓電陶瓷上的反射鏡6后形成一定的夾角，然后各自通過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)7和8，形成寬口徑的平行光束，并在9位置產(chǎn)生干涉條紋。在位置9后面放置顯微物鏡組11，使得位置9與顯微物鏡的物方焦平面重合，然后將CCD接收器12放置顯微物鏡組11的像方焦平面上。CXD接收器12將采集到的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)13，有計(jì)算機(jī)13分析條紋的周期、位相和強(qiáng)度信息。以一組干涉條紋為例，觀測CXD接收器12上干涉條紋的抖動(dòng)，通過算法實(shí)時(shí)監(jiān)測條紋的漂移量。將條紋的漂移量轉(zhuǎn)換成光程差，即反射鏡6所需的位移，再有計(jì)算機(jī)13將此信號(hào)發(fā)送給壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器10來控制固定在壓電陶瓷6上的反射鏡前后位移，從而補(bǔ)償因?qū)嶒?yàn)平臺(tái)振動(dòng)造成的干涉條紋抖動(dòng)，達(dá)到鎖定干涉條紋的效果。根據(jù)CXD的顯示結(jié)果，可以得到干涉條紋周期和位相，若得到的某一組干涉條紋與預(yù)期的干涉條紋有差距，則可以通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)整反射鏡5的角度，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的周期；調(diào)節(jié)壓電陶瓷6的驅(qū)動(dòng)電壓來調(diào)節(jié)兩束光的光程差，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的位相；調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器3，得到需要的干涉條紋強(qiáng)度。分別調(diào)整三組干涉條紋后，CXD顯示將得到所需的光強(qiáng)分布，將涂有光刻膠的光柵基坯放在位置9上進(jìn)行曝光，曝光后顯影、后烘烤，得到所需的非正弦槽形光柵。圖2 (a)、圖2 (b)、圖2 (C)以中階梯光柵為例，圖示其干涉條紋疊加的過程。圖中橫坐標(biāo)為CXD像素位置(單位毫米)，縱坐標(biāo)為相對光強(qiáng)值。(a)為一組干涉條紋在CXD上的顯示結(jié)果；(b)為兩組干涉條紋匹配疊加后C⑶上的顯示結(jié)果；(c)為三組干涉條紋匹配疊加后(XD上的顯示結(jié)果。綜上所述，本發(fā)明提出的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置及其曝光方法，采用了傅里葉分解的思想，實(shí)現(xiàn)了任意槽形光柵的全息法制作。裝置中采用了多組光路同時(shí)曝光，減少制作時(shí)間。裝置中設(shè)有CCD監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地反映干涉條紋的振動(dòng)漂移情況， 并以此信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)了干涉條紋的鎖定，避免了條紋抖動(dòng)對長時(shí)間曝光的影響，同時(shí)根據(jù)擴(kuò)束后的干涉條紋信息精確控制了各組干涉條紋的位相，能夠?qū)崿F(xiàn)多組干涉條紋的匹配疊加。整個(gè)裝置容易實(shí)現(xiàn)，有很強(qiáng)的可行性。這里本發(fā)明的描述和應(yīng)用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實(shí)施例中。這里所披露的實(shí)施例的變形和改變是可能的，對于那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說實(shí)施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其它形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其它組件、材料和部件來實(shí)現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它變形和改變。
權(quán)利要求
1.一種任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置，其特征在于，所述裝置包括激光器、主分束鏡；激光器發(fā)射的光束經(jīng)過主分束鏡分為若干束光路，每束光路均經(jīng)過一子曝光單元； 所述子曝光單元包括可調(diào)光衰減器、分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、壓電陶瓷及驅(qū)動(dòng)器、顯微物鏡組、C⑶接收器及驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)； 光束首先經(jīng)過可調(diào)衰減器再經(jīng)過分束器后分成等強(qiáng)度兩束光路d、e，光路d、e光束分別經(jīng)過固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的第一反射鏡和固定在壓電陶瓷上的第二反射鏡后形成一定的 夾角，然后分別通過第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡形成寬口徑的平行光束，并在光柵基坯表面產(chǎn)生干涉條紋；在光柵基坯表面后面放置顯微物鏡組，使得光柵基坯表面與顯微物鏡組的物方焦平面重合，然后將CXD接收器放置顯微物鏡組的像方焦平面上；(XD接收器將采集到的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，有計(jì)算機(jī)分析條紋的周期、位相和強(qiáng)度信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置，其特征在于 觀測CCD接收器上干涉條紋的抖動(dòng)，通過算法實(shí)時(shí)監(jiān)測條紋的漂移量；將條紋的漂移量轉(zhuǎn)換成光程差，即第二反射鏡所需的位移，再由計(jì)算機(jī)將此信號(hào)發(fā)送給壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器來控制固定在壓電陶瓷上的第二反射鏡前后位移，用以補(bǔ)償因?qū)嶒?yàn)平臺(tái)振動(dòng)造成的干涉條紋抖動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置，其特征在于 根據(jù)CCD接收器的顯示結(jié)果，可得到干涉條紋周期和位相，若得到的某一組干涉條紋與預(yù)期的干涉條紋有差距，則可以通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)整第一反射鏡的角度，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的周期； 調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓來調(diào)節(jié)兩束光的光程差，從而調(diào)節(jié)干涉條紋的位相；調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器，得到需要的干涉條紋強(qiáng)度；分別調(diào)整各組干涉條紋后，CCD接收器顯示將得到所需的光強(qiáng)分布，將涂有光刻膠的光柵基坯放在光柵基坯表面上進(jìn)行曝光，曝光后顯影、后烘烤，得到所需的非正弦槽形光柵。
4.一種權(quán)利要求I至3之一所述的任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置的全息曝光方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 (1)根據(jù)所需制備的光柵槽形要求，將非正弦周期槽形利用傅里葉級(jí)數(shù)分解成若干項(xiàng)正弦槽形的疊加； (2)根據(jù)步驟(I)，將激光器的出射光分為若干束光路，每束光路用以產(chǎn)生一組干涉條紋；每路光路中設(shè)有可調(diào)衰減器，因此干涉條紋的強(qiáng)度分別可調(diào)；各路光到達(dá)曝光位置的兩兩光程差均超過激光器的相干長度，因此各路光彼此之間不再干涉，到達(dá)光柵基坯表面時(shí)僅為光強(qiáng)的疊加，而非振幅疊加； (3)對各光束分別進(jìn)行再次分束，將各束光路分成等強(qiáng)度的兩束光d、e，用以干涉； (4)光路d經(jīng)過固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的第一反射鏡，光路e經(jīng)過固定在壓電陶瓷上的第二反射鏡，兩路反射光分別經(jīng)過各自的準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡后變?yōu)閮墒鴮捒趶降钠叫泄馐? (5)兩束平行光束的交匯區(qū)域?yàn)楦缮鎱^(qū)域，將高倍顯微物鏡組放在干涉條紋的后方，確保干涉條紋的曝光面與顯微物鏡組的物方焦平面重合，將CXD接收器放在顯微物鏡組的像面上，由CCD接收器監(jiān)測干涉條紋的周期、位相、強(qiáng)度信息； (6)根據(jù)CCD接收器上的顯示信息來調(diào)節(jié)可調(diào)衰減片，以控制干涉條紋的強(qiáng)度；調(diào)整反射鏡下的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以控制干涉條紋的周期；調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓，即調(diào)節(jié)反射鏡的前后位置，以改變兩束光的光程差，從而改變干涉條紋的位相； (7)由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在低頻振動(dòng)，因此干涉條紋也會(huì)隨之抖動(dòng)，影響曝光結(jié)果；因此根據(jù)CCD接收器監(jiān)測到的條紋抖動(dòng)信息，將條紋抖動(dòng)信息反饋給壓電陶瓷，調(diào)節(jié)陶瓷的長度，從而鎖定干涉條紋，避免條紋抖動(dòng)的影響； (8)將各組干涉條紋分別調(diào)節(jié)到理想狀態(tài)時(shí)，CCD接收器上顯示出預(yù)期的光強(qiáng)分布；將涂有光刻膠的光柵基坯放在多組干涉條紋的重疊區(qū)域，進(jìn)行曝光，曝光后顯影、后烘烤，即可得到所需的非正弦槽形的光柵結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種任意槽形光柵結(jié)構(gòu)的全息曝光裝置及其曝光方法，所述裝置包括激光器、主分束鏡；激光器發(fā)射的光束經(jīng)過主分束鏡分為若干束光路，每束光路均經(jīng)過一子曝光單元。子曝光單元包括可調(diào)光衰減器、分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第二準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、壓電陶瓷及驅(qū)動(dòng)器、顯微物鏡組、CCD接收器及驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明采用傅里葉分解的思想，實(shí)現(xiàn)任意槽形光柵的全息法制作。裝置中設(shè)有CCD，能夠?qū)崟r(shí)地反映干涉條紋的振動(dòng)漂移情況，并以此驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)干涉條紋的鎖定，避免條紋抖動(dòng)對長時(shí)間曝光的影響，同時(shí)根據(jù)擴(kuò)束后的干涉條紋信息精確控制各組干涉條紋的位相，實(shí)現(xiàn)多組干涉條紋的匹配疊加。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102636968SQ20121013980
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者凌進(jìn)中, 莊松林, 張大偉, 王振云, 王 琦, 裴梓任, 韓朝霞, 黃元申 申請人:上海理工大學(xué)