一种制作米量级光栅的系统及方法技术方案

本发明专利技术属于信息光学领域，涉及一种宽光束扫描曝光系统与方法，为解决制作米级光栅曝光时间过长引起的时效性差以及环境不确定性导致扫描条纹对比度下降问题，采用干涉条纹扫描技术无缝连续拼接光栅；在扫描曝光过程中，运用多维条纹锁定技术，始终以扫描曝光过的潜像光栅的潜像条纹作为锁定条纹，直至扫描曝光结束；在移动曝光中实现了实时闭环的锁定第一曝光光束与第二曝光光束的相位差，条纹周期、以及第一曝光光束与第二曝光光束夹角，从而在一个扫描周期即可获得高质量的且受环境因素影响小的无缝拼接米级光栅；光束整形压缩柱面系统的使用有效增加了光束的利用率，同时保证光束的波面质量，大大缩短了米量级光栅的制备时间。

【技术实现步骤摘要】
一种制作米量级光栅的系统及方法
本专利技术属于信息光学领域，涉及一种宽光束扫描曝光方法，特别是关于一种制备米量级光栅的扫描曝光方法。
技术介绍
光栅是一种重要的衍射光学元件，广泛应用于各种光谱仪，精密计量(光栅尺)，光通信，天文和强激光系统等高端科技领域。目前米量级光栅制备的主要方法：单次曝光法、子光栅曝光拼接法和扫描曝光法。目前这三种方法均采用单纵模激光器(高质量的高斯光斑)作为记录光源，激光器的功率为1W左右，限制了记录光的光强。制作米量级光栅时需要大口径的光束，此时单位面积上的光通量十分微弱，需要较长的曝光时间，在曝光过程中条纹的锁定起到关键作用。美国尼弗莫尔实验室采用单次曝光法制作米量级光栅，该实验室的准直透镜的口径达到1.09m，目前制作出面积为910mmx450mm的脉冲压缩光栅。单次曝光法的优点：光路简单，技术成熟，工艺可靠；它的缺点：光栅的质量取决于曝光系统的光学质量，更是需要口径达到米量级的非球面准直透镜，目前我国没有能力生产高质量的透射石英材料，另外米量级的非球面透镜加工技术也不具备。子光栅曝光拼接法是在米量级光刻胶光栅基板上通过多次曝光，将多块子光栅等同于一块整光栅。清华大学提出了用潜像法曝光拼接技术，制作了面积为100mmx200mm的光栅，苏州大学提出了用逐区显影曝光拼接技术，制作了面积为1025mmx350mm的脉冲压缩光栅。子光栅曝光拼接法光学系统相对简单，条纹锁定采用自参考，拼接精度高，明显的缺点是两个子光栅中间有拼缝，拼缝处有相位的跃变，影响远场光斑质量。扫描曝光法是利用高质量的细光束在光刻胶光栅基板上曝光，通过移动光刻胶光栅基板，曝完整个基板。在整个扫描过程中，光栅的周期、栅线的方向、光栅的相位要保持一致。美国的PGL公司采用扫描曝光法制备出面积为910mmx420mm的光栅。该方法的光学系统十分复杂，条纹锁定采用外光路干涉控制技术，严重依赖实验室环境，因此对环境提出了十分苛刻的要求。清华大学采用宽光束扫描曝光法，利用10mm-30mm的宽条光束扫描，制作出面积为100mmx200mm的光栅，该方法光学系统相对简单，条纹锁定采用莫尔条纹技术，但是当扫描光束宽度增加后，必然会引入像差，导致整个光栅扫描失败。用该方法制备米量级光栅时，需要大口径的扩束透镜，光束的面积增大到原来的9倍，单位面积上激光能量降为九分之一。为了保证光刻胶的曝光当量一致，可以增加光强和延长曝光时间两种方案，鉴于目前单纵模相干长度长的激光器的光功率只有1W～2W的水平，无法提升光强，只能大大增加曝光时间，这样制备米量级光栅需要的时间长达数十天之久。为了解决制备米量级光栅的时效性问题，本专利技术提出了一种快速制备米量级光栅的新方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是：解决现有技术制作米级光栅曝光时间过长引起的时效性差以及环境不确定性导致扫描条纹对比度下降，导致整个扫描曝光失败。为实现以上技术目的，本专利技术技术方案如下：一种制作米量级光栅的系统，包括激光器、分束棱镜、第一光束转折系统、第二光束转折系统、第一声光调制器、第二声光调制器、安装在三维压电陶瓷平移台上的第一空间滤波器、第二空间滤波器、第一非球面准直透镜、第二非球面准直透镜、第一光束整形压缩柱面系统、第二光束整形压缩柱面系统、第一光闸、第二光闸、楔形衰减板、平行衰减板、第一光电探测器、光刻胶光栅基板、光刻胶边参考光栅基板、可移动曝光平台、自准直角度检测组元；所述的第一光束转折系统以及第二光束转折系统分别由至少一片反射镜组成用于改变光传播方向；所述的第一空间滤波器以及第二空间滤波器分别由会聚透镜和针孔滤波器组成用于将激光束调制成球面波；所述的第一非球面准直透镜以及第二非球面准直透镜通光口径大于等于500mm，用于将球面波扩束准直；所述的自准直角度检测组元为一自准直光路，用于监测光刻胶光栅基板的姿态变化情况；由氦氖激光器、自准直扩束系统、第二光电探测器组成，氦氖激光器发出的光束垂直入射至光刻胶光栅基板上，被光刻胶光栅基板反射的光束入射至第二光电探测器；所述的光刻胶光栅基板为矩形，以光刻胶光栅基板的长边方向为x轴，以光刻胶光栅基板的短边方向为y轴，光刻胶光栅基板的涂有光刻胶一面的外法线方向为z轴正方向；所述的x轴、y轴、z轴构成的坐标系满足右手螺旋；以激光器所在一侧为前端，以远离激光器方向为后端；所述的光刻胶光栅基板与光刻胶边参考光栅基板沿x轴方向拼接并且都固定在可移动曝光平台上；光刻胶边参考光栅基板位于光刻胶光栅基板x轴正方向一侧；激光器发出的光经过分束棱镜分成两束光，透射光做为第一束光经过第一光束转折系统，再经第一声光调制器，进入第一空间滤波器，然后经过第一非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第一光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4；被第一光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第一光闸，另一部分经过楔形衰减板；经过楔形衰减板的光束称为第一监测光束，经过第一光闸的光束称为第一曝光光束，第一监测光束与第一曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；反射光作为第二束光经过第二光束转折系统，进入第二声光调制器，经过第二空间滤波器，然后经过第二非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第二光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4，被第二光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第二光闸，另一部分经过平行衰减板；经过平行衰减板的光束称为第二监测光束，经过第二光闸的光束称为第二曝光光束，第二监测光束与第二曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；第一监测光束投射到光刻胶光栅基板的0级反射光投射到平行衰减板上，折入第一光电探测器；第二监测光束投射到光刻胶光栅基板的-1级反射衍射光沿原路投射到平行衰减板上，最后折入第一光电探测器；所述第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上；第一声光调制器与第二声光调制器分别控制第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差恒定；三维压电陶瓷平移台控制采集到的条纹周期恒定；所述第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，三维压电陶瓷平移台控制第一曝光光束与第二曝光光束夹角保持恒定。基于上述制作米量级光栅的系统的一种制作米量级光栅的方法，用第一曝光光束与第二曝光光束产生的干涉条纹对边光刻胶边参考光栅基板进行曝光，经显影生成光刻胶边参考光栅，将光刻胶边参考光栅复位，光刻胶边参考光栅与第一曝光光束与第二曝光光束产生的干涉条纹重叠产生莫尔条纹；此莫尔条纹信息传输至第一光电探测器，第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器锁定第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定采集到的条纹周期；第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定第一曝光光束与第二曝光光束夹角；沿x轴正方向匀速移动可移动曝光平台，对光刻胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制作米量级光栅的系统，包括激光器、分束棱镜、第一光束转折系统、第二光束转折系统、第一声光调制器、第二声光调制器、安装在三维压电陶瓷平移台上的第一空间滤波器、第二空间滤波器、第一非球面准直透镜、第二非球面准直透镜、第一光束整形压缩柱面系统、第二光束整形压缩柱面系统、第一光闸、第二光闸、楔形衰减板、平行衰减板、第一光电探测器、光刻胶光栅基板、光刻胶边参考光栅基板、可移动曝光平台、自准直角度检测组元；所述的第一光束转折系统以及第二光束转折系统用于改变光传播方向；所述的第一空间滤波器以及第二空间滤波器分别由会聚透镜和针孔滤波器组成用于将激光束调制成球面波；所述的自准直角度检测组元为一自准直光路，用于监测光刻胶光栅基板的姿态变化情况；由氦氖激光器、自准直扩束系统、第二光电探测器组成，氦氖激光器发出的光束垂直入射至光刻胶光栅基板上，被光刻胶光栅基板反射的光束入射至第二光电探测器；所述的光刻胶光栅基板为矩形，以光刻胶光栅基板的长边方向为x轴，以光刻胶光栅基板的短边方向为y轴，光刻胶光栅基板的涂有光刻胶一面的外法线方向为z轴正方向；所述的x轴、y轴、z轴构成的坐标系满足右手螺旋；所述的光刻胶光栅基板与光刻胶边参考光栅基板沿x轴方向拼接并且都固定在可移动曝光平台上；光刻胶边参考光栅基板位于光刻胶光栅基板x轴正方向一侧；激光器发出的光经过分束棱镜分成两束光，透射光做为第一束光经过第一光束转折系统，再经第一声光调制器，进入第一空间滤波器，然后经过第一非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第一光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6‑1/4；被第一光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第一光闸，另一部分经过楔形衰减板；经过楔形衰减板的光束称为第一监测光束，经过第一光闸的光束称为第一曝光光束，第一监测光束与第一曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；反射光作为第二束光经过第二光束转折系统，进入第二声光调制器，经过第二空间滤波器，然后经过第二非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第二光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6‑1/4，被第二光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第二光闸，另一部分经过平行衰减板；经过平行衰减板的光束称为第二监测光束，经过第二光闸的光束称为第二曝光光束，第二监测光束与第二曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；第一监测光束投射到光刻胶光栅基板的0级反射光投射到平行衰减板上，折入第一光电探测器；第二监测光束投射到光刻胶光栅基板的‑1级反射衍射光沿原路投射到平行衰减板上，最后折入第一光电探测器；所述第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上；第一声光调制器与第二声光调制器分别控制第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差恒定；三维压电陶瓷平移台控制采集到的条纹周期恒定；所述第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，三维压电陶瓷平移台控制第一曝光光束与第二曝光光束夹角保持恒定。...

【技术特征摘要】
1.一种制作米量级光栅的系统，包括激光器、分束棱镜、第一光束转折系统、第二光束转折系统、第一声光调制器、第二声光调制器、安装在三维压电陶瓷平移台上的第一空间滤波器、第二空间滤波器、第一非球面准直透镜、第二非球面准直透镜、第一光束整形压缩柱面系统、第二光束整形压缩柱面系统、第一光闸、第二光闸、楔形衰减板、平行衰减板、第一光电探测器、光刻胶光栅基板、光刻胶边参考光栅基板、可移动曝光平台、自准直角度检测组元；所述的第一光束转折系统以及第二光束转折系统用于改变光传播方向；所述的第一空间滤波器以及第二空间滤波器分别由会聚透镜和针孔滤波器组成用于将激光束调制成球面波；所述的自准直角度检测组元为一自准直光路，用于监测光刻胶光栅基板的姿态变化情况；由氦氖激光器、自准直扩束系统、第二光电探测器组成，氦氖激光器发出的光束垂直入射至光刻胶光栅基板上，被光刻胶光栅基板反射的光束入射至第二光电探测器；所述的光刻胶光栅基板为矩形，以光刻胶光栅基板的长边方向为x轴，以光刻胶光栅基板的短边方向为y轴，光刻胶光栅基板的涂有光刻胶一面的外法线方向为z轴正方向；所述的x轴、y轴、z轴构成的坐标系满足右手螺旋；所述的光刻胶光栅基板与光刻胶边参考光栅基板沿x轴方向拼接并且都固定在可移动曝光平台上；光刻胶边参考光栅基板位于光刻胶光栅基板x轴正方向一侧；激光器发出的光经过分束棱镜分成两束光，透射光做为第一束光经过第一光束转折系统，再经第一声光调制器，进入第一空间滤波器，然后经过第一非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第一光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4；被第一光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第一光闸，另一部分经过楔形衰减板；经过楔形衰减板的光束称为第一监测光束，经过第一光闸的光束称为第一曝光光束，第一监测光束与第一曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；反射光作为第二束光经过第二光束转折系统，进入第二声光调制器，经过第二空间滤波器，然后经过第二非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第二光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4，被第二光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第二光闸，另一部分经过平行衰减板；经过平行衰减板的光束称为第二监测光束，经过第二光闸的光束称为第二曝光光束，第二监测光束与第二曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；第一监测光束投射到光刻胶光栅基板的0级反射光投射到平行衰减板上，折入第一光电探测器；第二监测光束投射到光刻胶光栅基板的-1级反射衍射光沿原路投射到平行衰减板上，最后折入第一光电探测器；所述第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上；第一声光调制器与第二声光调制器分别控制第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差恒定；三维压电陶瓷平移台控制采集到的条纹周期恒定；所述第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，三维压电陶瓷平移台控制第一曝光光束与第二曝光光束夹角保持恒定。2.根据权利要求1所述的一种制作米量级光栅的系统，其特征在于：所述的第一非球面准直透镜以及第二非球面准直透镜通光口径大于等于500mm，用于将球面波扩束准直。3.根据权利要求1所述的一种制作米量级光栅的系统，其特征在于：第一光束整形压缩柱面系统由第一凸面柱面镜和第一凹面柱面镜组成，其中第一凸面柱面镜放置在第一非球面准直透镜后端，第一凹面柱面镜的前虚焦点与第一凸面柱面镜的后实焦点重合；第二光束整形压缩柱面系统与第一光束整形压缩柱面系统对结构参数一致。4.使用权利要求1-3之一所述制作米量级光栅的系统的一种制作米量级光栅的方法，用第一曝光光束与第二曝光光束产生的干涉条纹对边光刻胶边参考光栅基板进行曝光，经显影生成光刻胶边参考光栅，将光刻胶边参考光栅复位，光刻胶边参考光栅与第一曝光光束与第二曝光光束产生的干涉条纹重叠产生莫尔条纹；此莫尔条纹信息传输至第一光电探测器，第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器锁定第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定采集到的条纹周期；第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定第一曝光光束与第二曝光光束夹角；沿x轴正方向匀速移动可移动曝光平台，对光刻胶光栅基板扫描曝光，被曝光...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹文龙，李朝明，吴建宏，陈新荣，蔡志坚，刘全，周建康，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32