CN102636968A - 任意槽形光栅结构的全息曝光装置及其曝光方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种任意槽形光栅结构的全息曝光装置及其曝光方法，所述装置包括激光器、主分束镜；激光器发射的光束经过主分束镜分为若干束光路，每束光路均经过一子曝光单元。子曝光单元包括可调光衰减器、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一准直扩束镜、第二准直扩束镜、旋转平台、压电陶瓷及驱动器、显微物镜组、CCD接收器及驱动电路、数据采集卡和计算机。本发明采用傅里叶分解的思想，实现任意槽形光栅的全息法制作。装置中设有CCD，能够实时地反映干涉条纹的振动漂移情况，并以此驱动压电陶瓷，实现干涉条纹的锁定，避免条纹抖动对长时间曝光的影响，同时根据扩束后的干涉条纹信息精确控制各组干涉条纹的位相，实现多组干涉条纹的匹配叠加。

Description

任意槽形光栅结构的全息曝光装置及其曝光方法

技术领域

本发明涉及一种全息曝光装置，尤其涉及一种以傅里叶合成曝光为基础的任意槽形光栅结构的全息曝光装置；同时，本发明还涉及上述任意槽形光栅结构的全息曝光装置的全息曝光方法。

背景技术

衍射光栅是光谱仪器中最常用的分光器件，按照制作方法一般可以分为刻划光栅和全息光栅。刻划光栅是使用金刚石刻刀在镀有铝膜的光栅基坯上通过非切削的方式刻划出一道道槽形，形成光栅，金刚石刻刀的角度决定了刻划光栅的槽形。由光栅刻划机刻划出一块母光栅需要很长的刻划时间，通常要几个昼夜，因此对环境恒温、防振系统要求很高，否则材料的热膨胀和机械的振动都将导致槽形的破坏，降低光栅的质量。目前国内光谱使用的光栅绝大多数是国外光栅母版复制而成的，而母版的制作技术一直为国外几家公司垄断。

全息光栅因制作快速、低成本、对环境要求低等特点得到了广泛应用。然而全息光栅通常采用两束平行光的干涉条纹来对光刻胶进行曝光，因此产生的槽形一般为正弦型。正弦型光栅的衍射效率通常集中在零级衍射和正负一级衍射，没有闪耀效果，使用级次低，不利于光谱仪器的分光应用。因此，使用全息曝光的方法制作出非正弦的闪耀光栅将具有很高的实用价值和创新意义。

中国发明专利CN200610039967.6中提出了一种全息曝光过程中干涉条纹的锁定的装置，然而此装置要使用一块参考光栅，观测干涉条纹与参考光栅之间的莫尔条纹来判断干涉条纹的抖动情况，属于间接测量；另外，放置在实验平台上的干涉光路与参考光栅同时振动，因此莫尔条纹抖动并不明显，不能很好地反映干涉条纹的实际抖动情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种任意槽形光栅结构的全息曝光装置，可利用多光路同时曝光，达到干涉条纹叠加的效果。

此外，本发明还提供上述任意槽形光栅结构的全息曝光装置的全息曝光方法，可利用多光路同时曝光，达到干涉条纹叠加的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种任意槽形光栅结构的全息曝光装置，所述装置包括激光器、主分束镜；激光器发射的光束经过主分束镜分为若干束光路，每束光路均经过一子曝光单元；

所述子曝光单元包括可调光衰减器、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一准直扩束镜、第二准直扩束镜、旋转平台、压电陶瓷及驱动器、显微物镜组、CCD接收器及驱动电路、数据采集卡和计算机；

光束首先经过可调衰减器再经过分束器后分成等强度两束光路d、e，光路d、e光束分别经过固定在旋转平台上的第一反射镜和固定在压电陶瓷上的第二反射镜后形成一定的夹角，然后分别通过第一准直扩束镜、第二准直扩束镜形成宽口径的平行光束，并在光栅基坯表面产生干涉条纹；在光栅基坯表面后面放置显微物镜组，使得光栅基坯表面与显微物镜组的物方焦平面重合，然后将CCD接收器放置显微物镜组的像方焦平面上；CCD接收器将采集到的信号传送给计算机，有计算机分析条纹的周期、位相和强度信息。

作为本发明的一种优选方案，观测CCD接收器上干涉条纹的抖动，通过算法实时监测条纹的漂移量；将条纹的漂移量转换成光程差，即第二反射镜所需的位移，再由计算机将此信号发送给压电陶瓷驱动器，由压电陶瓷驱动器来控制固定在压电陶瓷上的第二反射镜前后位移，用以补偿因实验平台振动造成的干涉条纹抖动。

作为本发明的一种优选方案，根据CCD接收器的显示结果，可得到干涉条纹周期和位相，若得到的某一组干涉条纹与预期的干涉条纹有差距，则可以通过旋转平台调整第一反射镜的角度，从而调节干涉条纹的周期；

调节压电陶瓷的驱动电压来调节两束光的光程差，从而调节干涉条纹的位相；调节可调衰减器，得到需要的干涉条纹强度；分别调整各组干涉条纹后，CCD接收器显示将得到所需的光强分布，将涂有光刻胶的光栅基坯放在光栅基坯表面上进行曝光，曝光后显影、后烘烤，得到所需的非正弦槽形光栅。

一种上述的任意槽形光栅结构的全息曝光装置的全息曝光方法，所述方法包括如下步骤：

(1)根据所需制备的光栅槽形要求，将非正弦周期槽形利用傅里叶级数分解成若干项正弦槽形的叠加；

(2)根据步骤(1)，将激光器的出射光分为若干束光路，每束光路用以产生一组干涉条纹；每路光路中设有可调衰减器，因此干涉条纹的强度分别可调；各路光到达曝光位置的两两光程差均超过激光器的相干长度，因此各路光彼此之间不再干涉，到达光栅基坯表面时仅为光强的叠加，而非振幅叠加；

(3)对各光束分别进行再次分束，将各束光路分成等强度的两束光d、e，用以干涉；

(4)光路d经过固定在旋转平台上的第一反射镜，光路e经过固定在压电陶瓷上的第二反射镜，两路反射光分别经过各自的准直扩束镜后变为两束宽口径的平行光束；

(5)两束平行光束的交汇区域为干涉区域，将高倍显微物镜组放在干涉条纹的后方，确保干涉条纹的曝光面与显微物镜组的物方焦平面重合，将CCD接收器放在显微物镜组的像面上，由CCD接收器监测干涉条纹的周期、位相、强度信息；

(6)根据CCD接收器上的显示信息来调节可调衰减片，以控制干涉条纹的强度；调整反射镜下的旋转平台，以控制干涉条纹的周期；调节压电陶瓷的驱动电压，即调节反射镜的前后位置，以改变两束光的光程差，从而改变干涉条纹的位相；

(7)由于实验平台存在低频振动，因此干涉条纹也会随之抖动，影响曝光结果；因此根据CCD接收器监测到的条纹抖动信息，将条纹抖动信息反馈给压电陶瓷，调节陶瓷的长度，从而锁定干涉条纹，避免条纹抖动的影响；

(8)将各组干涉条纹分别调节到理想状态时，CCD接收器上显示出预期的光强分布；将涂有光刻胶的光栅基坯放在多组干涉条纹的重叠区域，进行曝光，曝光后显影、后烘烤，即可得到所需的非正弦槽形的光栅结构。

本发明的有益效果在于：本发明提出的任意槽形光栅结构的全息曝光装置及其曝光方法，可利用多光路同时曝光，达到干涉条纹叠加的效果。本发明采用了傅里叶分解的思想，实现了任意槽形光栅的全息法制作。装置中采用了多组光路同时曝光，减少制作时间。装置中设有CCD监测系统，能够实时地反映干涉条纹的振动漂移情况，并以此信号驱动压电陶瓷，实现了干涉条纹的锁定，避免了条纹抖动对长时间曝光的影响，同时根据扩束后的干涉条纹信息精确控制了各组干涉条纹的位相，能够实现多组干涉条纹的匹配叠加。整个装置容易实现，有很强的可行性。

附图说明

图1为一种任意槽形光栅结构的全息曝光光路示意图。

图2（a）、图2（b）、图2（c）为三组干涉条纹精确叠加后的光强分布图（以中阶梯光栅槽形为例）。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

本发明揭示了一种合成曝光法制作任意槽形光栅的方法，首先根据傅里叶分解的思想，将要合成的光栅槽形分解成若干正弦槽形的代数和，而每一组正弦槽形都用一组干涉条纹曝光来实现。若取前三项正弦槽形近似，则方案中使用三组干涉条纹来同时曝光，显影后得到所需槽形的全息光栅。

图1为合成曝光法制作任意槽形光栅的一种光路示意图，该图为实现合成曝光法制作任意槽形光栅的光路的一种例证，不限制本发明的权利要求。激光器1出射的光束经过分束器2后分成a、b、c三路光，三路光将在光栅基坯表面9形成三组干涉条纹，并且a、b、c三路光到达光栅基坯表面9的相互光程差都超过了激光器的相干长度，因此相互之间不再干涉，在光栅基坯表面9仅为光强的叠加。

下面以a路光为例，说明其干涉条纹的周期、位相和强度的控制。光束首先经过可调衰减器3再经过分束器4后分成等强度两束光d、e，d、e光束分别经过固定在旋转平台上的反射镜5和固定在压电陶瓷上的反射镜6后形成一定的夹角，然后各自通过准直扩束系统7和8，形成宽口径的平行光束，并在9位置产生干涉条纹。在位置9后面放置显微物镜组11，使得位置9与显微物镜的物方焦平面重合，然后将CCD接收器12放置显微物镜组11的像方焦平面上。CCD接收器12将采集到的信号传送给计算机13，有计算机13分析条纹的周期、位相和强度信息。

以一组干涉条纹为例，观测CCD接收器12上干涉条纹的抖动，通过算法实时监测条纹的漂移量。将条纹的漂移量转换成光程差，即反射镜6所需的位移，再有计算机13将此信号发送给压电陶瓷驱动器10，由压电陶瓷驱动器10来控制固定在压电陶瓷6上的反射镜前后位移，从而补偿因实验平台振动造成的干涉条纹抖动，达到锁定干涉条纹的效果。

根据CCD的显示结果，可以得到干涉条纹周期和位相，若得到的某一组干涉条纹与预期的干涉条纹有差距，则可以通过旋转平台调整反射镜5的角度，从而调节干涉条纹的周期；调节压电陶瓷6的驱动电压来调节两束光的光程差，从而调节干涉条纹的位相；调节可调衰减器3，得到需要的干涉条纹强度。分别调整三组干涉条纹后，CCD显示将得到所需的光强分布，将涂有光刻胶的光栅基坯放在位置9上进行曝光，曝光后显影、后烘烤，得到所需的非正弦槽形光栅。

图2（a）、图2（b）、图2（c）以中阶梯光栅为例，图示其干涉条纹叠加的过程。图中横坐标为CCD像素位置(单位：毫米)，纵坐标为相对光强值。（a）为一组干涉条纹在CCD上的显示结果；（b）为两组干涉条纹匹配叠加后CCD上的显示结果；（c）为三组干涉条纹匹配叠加后CCD上的显示结果。

综上所述，本发明提出的任意槽形光栅结构的全息曝光装置及其曝光方法，采用了傅里叶分解的思想，实现了任意槽形光栅的全息法制作。装置中采用了多组光路同时曝光，减少制作时间。装置中设有CCD监测系统，能够实时地反映干涉条纹的振动漂移情况，并以此信号驱动压电陶瓷，实现了干涉条纹的锁定，避免了条纹抖动对长时间曝光的影响，同时根据扩束后的干涉条纹信息精确控制了各组干涉条纹的位相，能够实现多组干涉条纹的匹配叠加。整个装置容易实现，有很强的可行性。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种任意槽形光栅结构的全息曝光装置，其特征在于，所述装置包括激光器、主分束镜；激光器发射的光束经过主分束镜分为若干束光路，每束光路均经过一子曝光单元；

所述子曝光单元包括可调光衰减器、分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第一准直扩束镜、第二准直扩束镜、旋转平台、压电陶瓷及驱动器、显微物镜组、CCD接收器及驱动电路、数据采集卡和计算机；

光束首先经过可调衰减器再经过分束器后分成等强度两束光路d、e，光路d、e光束分别经过固定在旋转平台上的第一反射镜和固定在压电陶瓷上的第二反射镜后形成一定的夹角，然后分别通过第一准直扩束镜、第二准直扩束镜形成宽口径的平行光束，并在光栅基坯表面产生干涉条纹；在光栅基坯表面后面放置显微物镜组，使得光栅基坯表面与显微物镜组的物方焦平面重合，然后将CCD接收器放置显微物镜组的像方焦平面上；CCD接收器将采集到的信号传送给计算机，有计算机分析条纹的周期、位相和强度信息。

2.根据权利要求1所述的任意槽形光栅结构的全息曝光装置，其特征在于：

观测CCD接收器上干涉条纹的抖动，通过算法实时监测条纹的漂移量；将条纹的漂移量转换成光程差，即第二反射镜所需的位移，再由计算机将此信号发送给压电陶瓷驱动器，由压电陶瓷驱动器来控制固定在压电陶瓷上的第二反射镜前后位移，用以补偿因实验平台振动造成的干涉条纹抖动。

3.根据权利要求2所述的任意槽形光栅结构的全息曝光装置，其特征在于：

根据CCD接收器的显示结果，可得到干涉条纹周期和位相，若得到的某一组干涉条纹与预期的干涉条纹有差距，则可以通过旋转平台调整第一反射镜的角度，从而调节干涉条纹的周期；

调节压电陶瓷的驱动电压来调节两束光的光程差，从而调节干涉条纹的位相；调节可调衰减器，得到需要的干涉条纹强度；分别调整各组干涉条纹后，CCD接收器显示将得到所需的光强分布，将涂有光刻胶的光栅基坯放在光栅基坯表面上进行曝光，曝光后显影、后烘烤，得到所需的非正弦槽形光栅。

4.一种权利要求1至3之一所述的任意槽形光栅结构的全息曝光装置的全息曝光方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)根据所需制备的光栅槽形要求，将非正弦周期槽形利用傅里叶级数分解成若干项正弦槽形的叠加；

(2)根据步骤(1)，将激光器的出射光分为若干束光路，每束光路用以产生一组干涉条纹；每路光路中设有可调衰减器，因此干涉条纹的强度分别可调；各路光到达曝光位置的两两光程差均超过激光器的相干长度，因此各路光彼此之间不再干涉，到达光栅基坯表面时仅为光强的叠加，而非振幅叠加；

(3)对各光束分别进行再次分束，将各束光路分成等强度的两束光d、e，用以干涉；

(4)光路d经过固定在旋转平台上的第一反射镜，光路e经过固定在压电陶瓷上的第二反射镜，两路反射光分别经过各自的准直扩束镜后变为两束宽口径的平行光束；

(5)两束平行光束的交汇区域为干涉区域，将高倍显微物镜组放在干涉条纹的后方，确保干涉条纹的曝光面与显微物镜组的物方焦平面重合，将CCD接收器放在显微物镜组的像面上，由CCD接收器监测干涉条纹的周期、位相、强度信息；

(6)根据CCD接收器上的显示信息来调节可调衰减片，以控制干涉条纹的强度；调整反射镜下的旋转平台，以控制干涉条纹的周期；调节压电陶瓷的驱动电压，即调节反射镜的前后位置，以改变两束光的光程差，从而改变干涉条纹的位相；

(7)由于实验平台存在低频振动，因此干涉条纹也会随之抖动，影响曝光结果；因此根据CCD接收器监测到的条纹抖动信息，将条纹抖动信息反馈给压电陶瓷，调节陶瓷的长度，从而锁定干涉条纹，避免条纹抖动的影响；

(8)将各组干涉条纹分别调节到理想状态时，CCD接收器上显示出预期的光强分布；将涂有光刻胶的光栅基坯放在多组干涉条纹的重叠区域，进行曝 光，曝光后显影、后烘烤，即可得到所需的非正弦槽形的光栅结构。 

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