一种多次曝光拼接制作大面积全息光栅的方法

摘要

本发明公开了一种多次曝光拼接制作大面积全息光栅的方法，基于莫尔条纹检测原理，在干涉记录光路中加入光楔进行光场位相调制，准确检测第一次曝光制作光栅与干涉记录光场之间的姿态和位相信息，最终实现第二次全息记录的光栅和第一次全息记录的光栅精确对准。为制作大面积全息光栅提供了一种有效的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件的制备方法，具体涉及一种大面积的全息衍射光栅的制备方法。

背景技术

大面积等间距一维衍射光栅是许多大型高科技工程项目的关键元件，对光栅线条的等距和平直性精度要求极高。全息技术是制造大口径衍射光栅的十分重要的技术手段，而衍射光栅的口径受限于全息记录光学系统的口径。为了制造出超大口径的全息光栅，考虑采用多块光栅拼接的方式来的制作大面积全息光栅。

现有技术中，对于大面积全息光栅的拼接一般有两种方法：全息曝光拼接和机械拼接。采用机械拼接方法时，由于单个全息光栅的面积较小，为了保证栅线间的平行精度和相位关系，需要设计特殊的微动定位机构，同时，机构结构很难保证光栅拼接后长时间内稳定，需要增加实时反馈控制系统才能实现准确拼接，控制系统代价高，并占用一定空间，影响工程应用。

采用全息多次曝光拼接可以实现大面积的光栅制作，获得的光栅稳定性好。但是拼接过程难度较大，在拼接过程中需要解决条纹的对准问题，即第二块光栅的条纹与第一块光栅的条纹之间必须平行，并且它们之间的间隔必须是光栅周期的整数倍。光栅的周期越小，要求的绝对对准精度越高。例如光栅的周期为0.3微米，如对准误差要求小于1/10周期，则对准精度要达到0.03微米。如何通过拼接方法来实现大面积全息光栅的制备，是值得人们研究的重要技术。

发明内容

本发明目的是提供一种大面积全息光栅的制备方法，通过多次曝光拼接，实现在全息曝光方法制备衍射光栅过程中相邻区域的拼接，保证平行精度和相位关系。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种多次曝光拼接制作大面积全息光栅的方法，在涂有感光材料的全息干板上制备全息光栅，制备过程包括下列步骤：

(1)将涂有感光材料的全息干板放置于全息光栅记录光路中，所述全息干板分为两个曝光区域，分别为全息干板1区和全息干板2区；

(2)遮挡全息干板2区，对全息干板1区进行曝光，并对其显影，获得全息光栅1区；

(3)将显影后的全息干板放回原光路中，遮挡全息干板2区，并将全息干板2区移入曝光区域位置；在照射全息干板1区的记录光路中插入光楔，使透过光楔的干涉光场与全息光栅1区产生莫尔条纹；用摄像系统记录下第一莫尔条纹信息；

(4) 撤除全息干板2区的遮挡，对全息干板2区曝光，在曝光过程中，通过控制压电陶瓷驱动全息光栅记录光路中的反射镜沿镜面法向前后运动, 进行干涉光场位相锁定，以始终保持步骤(3)中所述的第一莫尔条纹信息不变；曝光完成后，对全息干板2区进行显影，获得全息光栅2区；

(5)将全息干板放回至记录光场后，平移全息干板，使通过光楔半边的光束入射到全息光栅1区，通过光楔另一个半边的光束入射到全息光栅2区；调节记录光路使记录光场透过光楔1与全息光栅1区形成的干涉条纹与步骤(3)中已记录的第一莫尔条纹信息一致，然后用摄像系统记录下经过光楔的干涉光场与全息光栅1区和2区产生的第二莫尔条纹信息，其中，和2区产生的条纹信息记为右半边条纹b；

(6)将另一块涂布感光材料的全息干板放置于记录光路中；

(7)遮挡全息干板2区；对全息干板1区进行曝光，并对其显影；

(8)将全息干板原位放置于记录光场中，并将全息干板2区平移入曝光区域位置，调节全息干板姿态, 使得全息干板1区的光栅与记录干涉光场形成莫尔条纹为零；在照射全息干板1区的记录光路中插入光楔，调节记录光路，使通过光楔的干涉光场与全息干板1区光栅之间形成的莫尔条纹信息与步骤(5)中记录的第二莫尔条纹信息的右半边条纹b一致；

(9)撤去全息干板2区遮挡，对2区进行曝光，在曝光过程中，实时调节压电陶瓷驱动记录光路中的反射镜，使通过光楔的干涉光场与全息干板1区光栅之间形成的莫尔条纹信息与步骤(5)中记录的第二莫尔条纹信息的右半边条纹b始终一致；完成曝光后对全息干板2区显影，获得两次曝光拼接的光栅。

步骤(5)和步骤(8)中，调节记录光路的方法是，调节全息干板支架空间姿态、调节扩束器的位置、或者调节压电陶瓷驱动反射镜前后运动。所述使得全息干板1区的光栅与记录干涉光场形成莫尔条纹为零，是指几乎为零，即从调节和观察精度上可以认为是零。

上述技术方案中，记录光路中的第一记录光束和第二记录光束均为平行光。

上述技术方案中，所述光楔的设置使透射光产生几个到几十个波长的光程差。

本发明中，光栅拼接的基本原理是，利用莫尔条纹的性质，即如果两个光栅之一移动，则等差条纹发生移动，当光栅移动一个条纹的间距时，等差条纹就移动一个条纹间距。莫尔条纹的疏密（条纹间距）与两光栅之间的夹角相对应。

光楔可使透射光（记录光）产生几个到几十波长的光程差。当干涉记录光场和已记录的光栅位相严格对准时，莫尔条纹为零，插入光楔将产生位相调制，从而能观察到数个莫尔条纹，有利于莫尔条纹信息记录。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过两个区域的分别曝光，结合光楔的使用，获得了可观察的莫尔条纹，从而在制备大面积全息光栅时，可以方便地实现两次曝光时全息光栅的对准。

附图说明

图1是本发明实施例的制备方法使用的记录光路示意图；

图2是在图1的光路中插入光楔后的记录光路结构示意图；

图3是记录第二莫尔条纹信息时的光路示意图；

图4是实施例中全息光栅分区结构示意图；

图5是莫尔条纹原理示意图；

图6是光楔结构示意图；

图7是实施例中两次曝光拼接光栅的干涉检测图像。

其中：1、全息干板；2、记录光束；3、扩束器；4、反射镜；5、压电陶瓷；6、莫尔条纹；7、光楔；8、第一莫尔条纹信息；9、第二莫尔条纹信息。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：在口径为100mm×200mm的全息记录基片上，采用两次曝光拼接方法制备空频为1740lp/mm的光栅。

制备方法包括下列步骤：

(1)将涂有感光材料的全息干板1放置于全息光栅记录光路中，全息光栅记录光路如附图1所示，入射光经分束器分为两束记录光束2，两束光分别由两个反射镜反射，经扩束器3扩束、凸透镜聚焦成平行光束后，在记录区域形成干涉条纹，其中，在一个反射镜4上设置有压电陶瓷5以控制反射镜的运动，设置有控制器用于控制反射镜和扩束器的位置。所述全息干板1分为两个曝光区域，分别为全息干板1区和全息干板2区；

(2)遮挡全息干板2区，对全息干板1区进行曝光，并对其显影，获得全息光栅1区；

(3)将显影后的全息干板放回原光路中，遮挡全息干板2区，并将全息干板2区移入曝光区域位置；如附图2所示，在照射全息干板1区的记录光路中插入光楔7，使透过光楔的干涉光场与全息光栅1区产生莫尔条纹6；用摄像系统记录下第一莫尔条纹信息8；

(4) 撤除全息干板2区的遮挡，对全息干板2区曝光，在曝光过程中，通过控制压电陶瓷驱动全息光栅记录光路中的反射镜沿镜面法向前后运动, 进行干涉光场位相锁定，以始终保持步骤(3)中所述的第一莫尔条纹信息不变；曝光完成后，对全息干板2区进行显影，获得全息光栅2区；

(5)如附图3所示，将全息干板放回至记录光场后，平移全息干板，使通过光楔半边的光束入射到全息光栅1区，通过光楔另一个半边的光束入射到全息光栅2区；调节记录光路使记录光场透过光楔1与全息光栅1区形成的干涉条纹与步骤(3)中已记录的第一莫尔条纹信息8的位相和周期一致，然后用摄像系统记录下经过光楔的干涉光场与全息光栅1区和2区产生的第二莫尔条纹信息9，其中，和2区产生的条纹信息记为右半边条纹b；

(6)将另一块涂布感光材料的全息干板放置于记录光路中；

(7)遮挡全息干板2区；对全息干板1区进行曝光，并对其显影；

(8)将全息干板原位放置于记录光场中，并将全息干板2区平移入曝光区域位置，调节全息干板姿态, 使得全息干板1区的光栅与记录干涉光场形成莫尔条纹几乎为零；在照射全息干板1区的记录光路中插入光楔，调节记录光路，使通过光楔的干涉光场与全息干板1区光栅之间形成的莫尔条纹信息与步骤(5)中记录的第二莫尔条纹信息的右半边条纹b一致；

(9)撤去全息干板2区遮挡，对2区进行曝光，在曝光过程中，实时调节压电陶瓷驱动记录光路中的反射镜，使通过光楔的干涉光场与全息干板1区光栅之间形成的莫尔条纹信息与步骤(5)中记录的第二莫尔条纹信息的右半边条纹b始终一致；完全曝光后对全息干板2区显影，获得两次曝光拼接的光栅，如图4所示。

莫尔条纹的性质如图5所示，如果两个光栅之一移动，则等差条纹发生移动，当光栅移动一个条纹的间距时，等差条纹就移动一个条纹间距。莫尔条纹的疏密（条纹间距d）与两光栅之间的夹角θ相对应。

使用的光楔如图6所示。

获得的拼接的光栅采用zygo干涉仪检测，拼接后光栅的一级衍射干涉条纹分布如图7所示。从干涉图中可以判断出，光栅的左半边栅线与右半边的栅线位相连续性很好，拼接对准精度优于光栅1/25周期,即23nm。实验结果表明，上述的全息曝光拼接方法切实可行，可以达到非常高的拼接精度。