采用外差式干涉条纹锁定控制的全息光栅曝光方法

摘要

采用外差式干涉条纹锁定控制的全息光栅曝光方法，涉及光谱技术领域，现有技术中采用线阵CCD实现全息光栅曝光方法中存在由于线阵CCD的响应速度较慢，导致对较高频率的条纹抖动抑制效果差的问题，配备一套全息光栅曝光装置；配备一套外差式干涉条纹锁定控制装置；干涉条纹实时锁定并放置光栅基底进行曝光。本发明提出的方法可以保证在全息光栅的曝光过程中，干涉条纹相对光栅基底的相位锁定于某一固定值，由于控制带宽较高，可以较好的抑制高频条纹抖动，保证全息光栅槽型的对比度，提高全息光栅制作工艺水平。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体涉及的采用外差式干涉条纹锁定控制的全 息光栅曝光方法。

背景技术

全息光栅是一种重要的光学元件，全息光栅的曝光过程是全息光栅制作过 程中最为重要的工艺环节之一。现有的全息光栅曝光装置，如图1所示，包括 光源激光器1、第一分光片4、第二平面反射镜5、第三平面反射镜6、第一扩 束镜15、第二扩束镜16、干涉场17。光源激光通过第一分光片4，两束光束经 过第二平面反射镜5和第三平面反射镜6后，变为第一束记录光7和第二束记 录光8，两束光分别经过第一扩束镜15和第二扩束镜16后，交汇区域为干涉场 17；在全息光栅的曝光过程中，由于光具台和光学器件的振动、空气流动、温 度波动等因素会导致干涉条纹相对于光栅基底发生相位移动。特别是在长时间 曝光的情况下，将造成光栅槽型的对比度下降，若相位漂移量过大，光栅基底 将无法记录干涉条纹。外差法是一种干涉测量方法，其测量信号中包含载波和 被测量项，通过信号解调即可获得被测量项，与零差法相比，外差法测量克服 了直流漂移问题，抗干扰能力强，测量精度高。

与本发明专利接近的已有技术是中国专利号为ZL 200610039967.6，发明名 称为《用控制装置稳定全息干涉条纹的方法及装置》，该方法中利用线阵CCD 采集干涉条纹图像信息并传送给控制装置，控制装置计算条纹漂移量，控制与 反射镜连接在一起的压电陶瓷移动进行相位补偿。这种方法直接对干涉条纹进 行检测，可以有效稳定曝光区域的干涉条纹，但由于线阵CCD的响应速度较慢， 对干涉条纹的缓慢漂移抑制效果较好，对较高频率的条纹抖动抑制效果有限。 为提高对高频条纹抖动的抑制效果，提出采用外差式干涉条纹锁定控制的全息 光栅曝光方法。

发明内容

本发明为解决现有技术中采用线阵CCD实现全息光栅曝光方法中存在由于 线阵CCD的响应速度较慢，导致对较高频率的条纹抖动抑制效果差的问题，提 供一种采用外差式干涉条纹锁定控制的全息光栅曝光方法。

步骤一、在全息光栅曝光装置中配置外差式干涉条纹锁定控制装置，光源 激光器发出的激光经第一定频声光调制器后的零级衍射光经第一分光片后形成 第一束记录光和第二束记录光；所述第一束记录光进入声光移频器后的出射光 束为移频干涉光束，所述移频干涉光束经过第二分光片和第四分光片进入第一 相位测量接收器；第二束记录光进入第二定频声光调制器后的出射光束为定频 干涉光束，所述定频干涉光束经过第三分光片和第五分光片进入第二相位测量 接收器；经第一定频声光调制器出射的一级衍射光作为相干光束相位测量的参 考光束，所述一级衍射光经过第一平面反射镜、第四平面反射镜、第六分光片 后，透射光束经第五分光片进入第二相位测量接收器；反射光束经第五平面反 射镜和第四分光片进入第一相位测量接收器；

步骤二、通过人机交互界面设定移频干涉光束和定频干涉光束之间的目标 相位差，所述第一相位测量接收器和第二相位测量接收器分别接收差频光信号 并进行光电信号转换，转换后的电信号传入控制系统，所述控制系统获得移频 干涉光束和定频干涉光束之间的相位差；

步骤三、根据步骤二获得的相位差与设定的目标相位差比较，控制声光移 频器的驱动频率，调整移频干涉光束的频率，实现干涉条纹的闭环锁定，然后 将光栅基底放置在干涉条纹锁定后的干涉场中进行曝光。

本发明工作原理：本发明所述的声光器件可以改变入射光的频率，入射光 经过声光器件即声光移频器9内部后将发生衍射，出射的0级光保持入射光的 频率，出射的1级衍射光将在入射光的频率f₀基础上增加一个频率Δf。设第一 定频声光调制器2出射的一级衍射光频率为f₁，其波动方程为：

第二定频声光调制器10出射的定频干涉光束12的频率为f₂，声光移频器9 后出射的移频干涉光束11的频率为f₃，两束相干光束的波动方程用公式表示为：

第一相位测量接收器23输入的光束强度I_r为：I_r＝(E₁+E₂)²；其中的交流分 量i_r为：第二相位测量接收器24输入的光束强度I_o 为：I_o＝(E₁+E₃)²，其中的交流分量i_o为：

所述A₁、A₂和A₃分别为第一定频声光调制器2的一级衍射光、定频干涉光束12、 移频干涉光束11的波动振幅；和分别为第一定频声光调制器2的一 级衍射光、定频干涉光束、移频干涉光束的初始相位；

所述控制系统中的差频信号测量板卡26采用外差法对i_o和i_r的相减后，提 取相干光束的相位信息：

其中为两束相干光束的相位差，可能会由于外界扰动发生变化，采用 闭环控制通过并行IO板卡28调节声光移频器9的驱动频率，调整移频干涉光 束11的频率f₃，使上述相干光束的相位信息保持恒定值，实现干涉条纹锁定控 制，然后进行全息光栅曝光。

本发明的有益效果：本发明提出的方法可以保证在全息光栅的曝光过程中， 干涉条纹相对光栅基底的相位锁定于某一固定值，与现有技术相比，由于控制 带宽较高，可以较好的抑制高频条纹抖动，保证全息光栅槽型的对比度，提高 全息光栅制作工艺水平，特别是为长曝光时间的光栅制作提供了技术保证。

附图说明

图1为现有技术中的全息曝光装置的光路结构示意图；

图2为本发明所述的外差式干涉条纹锁定控制装置结构示意图；

图3为本发明所述的采用外差式干涉条纹锁定控制的全息光栅曝光方法中 控制系统软件界面。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2至图3说明本实施方式，采用外差式干涉条纹 锁定控制的全息光栅曝光方法，通过外差法测量出干涉条纹相位变化，调节一 束相干光束的频率来锁定干涉条纹相位，完成全息光栅在干涉场中的曝光，该 方法由以下步骤实现：

步骤一、配备一套全息光栅曝光装置，包括光源激光器1、第一分光片4、 第二平面反射镜5、第三平面反射镜6、第一扩束镜15、第二扩束镜16、干涉 场17。光源激光通过第一分光片4，两束光束经过第二平面反射镜5和第三平 面反射镜6后，变为第一束记录光7和第二束记录光8，两束光分别经过第一扩 束镜15和第二扩束镜16后，交汇区域为干涉场17；

步骤二、配备一套外差式干涉条纹锁定控制装置，在步骤一所配备的全息 曝光装置中又加入了第一定频声光调制器2、第一平面反射镜3、声光移频器9、 第二定频声光调制器10、第二分光片13、第三分光片14、第四分光片18、第 五分光片19、第四平面反射镜20、第六分光片21、第五平面反射镜22、第一 相位测量接收器23、第二相位测量接收器24、控制系统25，控制系统25包括 差频信号测量板卡26、核心控制器27、并行IO板卡28、人机交互界面29，构 成外差式干涉条纹锁定控制装置，第一束记录光7进入声光移频器9，出射光束 为移频干涉光束11，通过第二分光片13、第四分光片18进入第一相位测量接 收器23；第二束记录光8进入第二定频声光调制器10，出射光束为定频干涉光 束12，通过第三分光片14、第五分光片19进入第二相位测量接收器24；第一 定频声光调制器2出射1级衍射光经过第一平面反射镜3、第四平面反射镜20、 第六分光片21、第五平面反射镜22、第四分光片18、第五分光片19后，分别 进入第一相位测量接收器23和第二相位测量接收器24。第一相位测量接收器 23连接控制系统25内部差频信号测量板卡26的测量轴，第二相位测量接收器 24连接差频信号测量板卡26的参考轴。

步骤三、干涉条纹实时锁定并放置光栅基底进行曝光。通过人机交互界面 29的控制软件界面，设定移频干涉光束11和定频干涉光束12之间的目标相位 差，控制闭环程序运行，核心控制器27读取差频信号板卡26的参考轴和测量 轴数据，控制算法通过并行IO板卡28控制声光移频器9，进行干涉条纹实时锁 定，然后将光栅基底放置干涉条纹锁定后的干涉场17中进行曝光。

本实施方式所述步骤一中所述的光源激光器1采用Kr⁺激光器，发射波长为 413.1nm；第一分光片4为半反半透镜；第二平面反射镜5、第三平面反射镜6 为玻璃基底镀铝反射镜；第一扩束镜15、第二扩束镜16为40X显微物镜。

本实施方式中步骤二所述的第一平面反射镜3、第四平面反射镜20、第五 平面反射镜22为玻璃基底镀铝反射镜；第二分光片至第六分光片为半反半透镜； 第一定频声光调制器2为法国AA公司的MQ120-A3-UV；声光移频器9为法国 AA光电公司的MQ110-B30A3-UV；第二定频声光调制器10为法国AA光电公 司的MQ118-A3-UV；第一相位测量接收器23、第二相位测量接收器24为美国 Agilent公司的10780C接收器；控制系统25中的差频信号测量板卡26为Agilent 公司10889B、核心控制器为工控机CPU、并行IO板卡28为研华公司的 PCI1751U、人机交互界面29为显示器、键盘、鼠标。

本实施方式中步骤三所述的光栅基底采用K9光学玻璃，K9光学玻璃上涂 敷的光致抗蚀剂为日本Shipley 1805正型光致抗蚀剂。