一種全息光柵曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

撖芃芃

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

一種全息光柵曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

撖芃芃

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長春 130033)

采用雙透鏡組的結(jié)構(gòu)引入補(bǔ)償鏡,使工作波長和裝調(diào)波長共像面。采用有限元分析方法對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果表明，該曝光系統(tǒng)具有較高的波前質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

全息光柵； 波前質(zhì)量； 模態(tài)分析； 穩(wěn)定性

0 引 言

全息光柵曝光系統(tǒng)是制作全息光柵的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性決定了全息光柵的質(zhì)量，具有重要的意義。

全息光柵的制作是利用光的干涉原理，在干涉場內(nèi)完成的，因此，干涉場的優(yōu)劣直接決定了全息光柵的質(zhì)量[1-3]。用于產(chǎn)生干涉的光學(xué)系統(tǒng)一般稱為曝光光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在全息光柵制作過程中的作用十分明顯，尤其是制作大口徑全息光柵。制作大口徑全息光柵的曝光光學(xué)系統(tǒng)具有口徑較大、系統(tǒng)焦距較長、曝光光路較為復(fù)雜等特點(diǎn)，這就需要在曝光過程中提供一個(gè)較為穩(wěn)定的干涉波前，同時(shí)要滿足曝光光學(xué)系統(tǒng)波前質(zhì)量的優(yōu)異，只有滿足這兩個(gè)要求，才能制作出合格的掩模光柵。可以說全息光柵曝光光學(xué)系統(tǒng)直接影響到高質(zhì)量全息光柵的制作，在全息光柵制作過程中起著十分關(guān)鍵的作用[4-6]。

文中介紹了制作全息光柵的幾種光學(xué)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了一種用于分振幅型全息光柵曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用雙透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)提高了單光路的波前質(zhì)量，采用補(bǔ)償鏡的方法解決了工作波長和裝調(diào)波長不共面的問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用有限元分析方法對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)分析。這些方法的采用對于制作高質(zhì)量的全息光柵有著重要的作用和意義。

1 全息平面光柵制作原理

平面全息光柵制作過程原理如圖1所示。

圖1 全息光柵制作原理

按照干涉場電磁波原理，兩束入射的相干平行光束I和II以一定的夾角2θ進(jìn)入到光柵基底表面位置處時(shí)，形成具有一定規(guī)律的干涉條紋，其條紋具有明暗相間并且平行的特點(diǎn)，其干涉條紋間距為

式中:λ----入射光;

n----空間折射率,在空氣中時(shí)n=1;

θ----兩束相干光夾角的半角值。

從公式中可以看出，干涉條紋的變化是隨著波長、夾角和折射率的變化而變化的。

兩相干入射光束的夾角半角與干涉條紋間距關(guān)系如圖2所示。

圖2 兩相干光束夾角之半θ與光柵常數(shù)d之間的關(guān)系圖

由圖2可以看出，光束夾角值與干涉條紋的間距呈現(xiàn)反比關(guān)系，隨著入射角的增加,全息光柵的光柵常數(shù)隨之減小[7-9]。

當(dāng)將光柵基底和涂覆在其上的光刻膠膠層都考慮為理想平面的情況下，平面全息光柵的衍射波前質(zhì)量與其干涉場干涉條紋質(zhì)量有關(guān)，而干涉場干涉條紋的好壞與產(chǎn)生相干光的曝光光學(xué)系統(tǒng)的精度有關(guān)[10-12]。

2 全息平面光柵曝光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前制作平面全息光柵的曝光方法大致為兩種：一種為分振幅法，該類方法是利用分束鏡，使同一光源出射光分為兩束；另一種為分波前法，該類方法是將同一入射波面一分為二。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

(a) 分振幅法結(jié)構(gòu)

(b) 分波前法結(jié)構(gòu)

擬研制的全息光柵曝光光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

全息光柵的尺寸：不大于Φ250mm；

全息光柵的衍射波前：優(yōu)于1/4λ，λ為制作光柵使用的激光器波長。

選擇分振幅法作為曝光光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，原因是分波前法不適合制作大尺寸的平面全息光柵，如果應(yīng)用分波前法就會(huì)造成在制作高刻線密度的平面全息光柵時(shí)調(diào)整反射鏡尺寸過大，造成加工的難度。相比較而言，采用分振幅法更適合制作大尺寸、高刻線密度的平面光柵。

平面全息光柵曝光光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用雙分離透鏡組的形式，雙分離透鏡組是曝光系統(tǒng)的關(guān)鍵光學(xué)元件，它的波前質(zhì)量的好壞直接決定全息光柵的質(zhì)量。平面全息光柵衍射光波像差要求為λ/4，這樣要求雙分離透鏡組所產(chǎn)生的波像差為λ/8。全息光柵曝光光學(xué)系統(tǒng)中由于有針孔(5μm)的存在使得系統(tǒng)在光路調(diào)整中難度較大，為了實(shí)現(xiàn)裝調(diào)方便，在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)考慮增加系統(tǒng)的視場角的方式提高高波前質(zhì)量的范圍，這樣就可以使得針孔放置的要求進(jìn)一步降低。曝光光學(xué)系統(tǒng)使用Kr+離子激光器作為光源，激光波長為λ=413.1nm，在該光路中加入了補(bǔ)償鏡系統(tǒng)，加入補(bǔ)償鏡系統(tǒng)的目的是將λ=632.8nm干涉儀產(chǎn)生的光與λ=413.1nm共像面，實(shí)現(xiàn)共像面就能對整體光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，在制作平面全息光柵時(shí)將該補(bǔ)償鏡系統(tǒng)退出。曝光光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正是根據(jù)上述思想進(jìn)行。

采用兩種阿貝差較大的光學(xué)玻璃材料作為雙分離透鏡組中的透鏡材料，選用的是石英玻璃和ZF7玻璃，光學(xué)系統(tǒng)的像高為1mm，也就是說在Φ1mm范圍內(nèi)曝光光學(xué)系統(tǒng)均可以產(chǎn)生理想波前。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)系統(tǒng)的像差曲線如圖5所示。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)像差曲線

光學(xué)系統(tǒng)波像差曲線如圖6所示。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)波像差曲線

系統(tǒng)的波像差設(shè)計(jì)值為PV=0.032λ(λ=413.1 nm)，滿足曝光光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，優(yōu)于1/8λ。

加入補(bǔ)償鏡系統(tǒng)后的光學(xué)系統(tǒng)如圖7所示，補(bǔ)償鏡系統(tǒng)采用石英玻璃，光學(xué)系統(tǒng)波相差曲線如圖8所示。

圖7 加入補(bǔ)償鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)

加入補(bǔ)償鏡系統(tǒng)后的波像差設(shè)計(jì)值為PV=0.012λ(λ=632.8 nm)。從結(jié)果可以看出,加入補(bǔ)償鏡系統(tǒng)后曝光光學(xué)系統(tǒng)的整體長度沒有發(fā)生變化，但在實(shí)際裝調(diào)過程中十分方便，可以對波前質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)用激光干涉儀(波長為632.8 nm)檢測得到曝光光學(xué)系統(tǒng)波前質(zhì)量很好時(shí)，去掉補(bǔ)償鏡系統(tǒng)，那么在413.1 nm的使用波長下仍能得到較好的波前質(zhì)量，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。

3 全息平面光柵曝光機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曝光光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)要保證曝光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的空間位置關(guān)系及公差要求，在保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，做到結(jié)構(gòu)簡化、重量較輕。曝光光學(xué)系統(tǒng)單束平行光的雙分離準(zhǔn)直鏡組結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 加入補(bǔ)償鏡的光學(xué)系統(tǒng)圖

圖9 單束平行光的準(zhǔn)直鏡組結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡組是全息光柵曝光光學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到所生產(chǎn)光柵的質(zhì)量，因此要求準(zhǔn)直鏡組具有足夠的強(qiáng)度、剛度，同時(shí)還要具有非常高的生產(chǎn)和裝配精度。準(zhǔn)直鏡組由以下幾部分組成：

1)前透鏡組；

2)連接筒；

3)針孔、物鏡部分；

4)底臺(tái)部分。

準(zhǔn)直鏡組結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 準(zhǔn)直鏡組結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)準(zhǔn)直鏡組系統(tǒng)由兩塊透鏡組成，其中光學(xué)系統(tǒng)元件為圓對稱回轉(zhuǎn)體，透鏡組采用固定環(huán)的方式，配合組件采用透鏡外圓與固定環(huán)內(nèi)孔配作方式，這種方式能夠保證系統(tǒng)間隙在0.005～0.007 mm。同時(shí)外圍周圈有8個(gè)直徑4 mm注膠孔實(shí)現(xiàn)固定作用。系統(tǒng)的軸向固定采用壓圈方式。

系統(tǒng)透鏡組中的固定環(huán)與外鏡筒在徑向方向單邊間隙為0.5 mm，用4個(gè)螺釘進(jìn)行徑向位置調(diào)整，在外筒周圈設(shè)計(jì)了8個(gè)注膠孔用以實(shí)現(xiàn)透鏡組系統(tǒng)的固定。為了保證透鏡組系統(tǒng)中各個(gè)透鏡之間的同軸度不大于0.01 mm，軸向方向采用的是隔圈固定方式，通過研磨實(shí)現(xiàn)軸向位置要求，能夠保證軸向間隔誤差小于0.2 mm，角度偏差小于20″，透鏡組系統(tǒng)固定環(huán)通過壓圈螺紋處涂膠固定在外筒內(nèi)部。

為了保證光學(xué)系統(tǒng)在整個(gè)平面全息光柵制作曝光周期內(nèi)的穩(wěn)定性，需要對準(zhǔn)直鏡組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)分析，分析主要看其一階和二階諧振頻率及最大重力變形情況。模態(tài)分析的目的是考察其剛度能否滿足使用要求，同時(shí)考察系統(tǒng)在重力變形下是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。分析結(jié)果如圖11～圖14所示。

圖11 系統(tǒng)的有限元?jiǎng)澐?/p>

圖12 系統(tǒng)的一階振型

圖13 系統(tǒng)的二階振型

圖14 系統(tǒng)重力變形情況

模態(tài)分析結(jié)果如下：

系統(tǒng)一階振動(dòng)頻率：231.22 Hz；

系統(tǒng)二階振動(dòng)頻率：285.91 Hz；

系統(tǒng)重力變形：3.02 μm。

從分析結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的一階和二階振動(dòng)頻率較高，這意味著外來振動(dòng)不會(huì)對其造成較大影響，系統(tǒng)的重力方向變形為3.02 μm，其值相對于1 mm的光學(xué)可調(diào)范圍相比較數(shù)值較小，表面重力變形不會(huì)對曝光系統(tǒng)光束的波前質(zhì)量產(chǎn)生影響，從上述的分析可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠保證曝光光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)高精度平面全息光柵的制作，設(shè)計(jì)了一種分振幅形式的曝光光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用雙透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)提高了單光路的波前質(zhì)量，采用補(bǔ)償鏡的方法解決了工作波長和裝調(diào)波長不共面的問題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用有限元分析方法對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模態(tài)分析。這些方法的采用對于制作高質(zhì)量的全息光柵有著重要的作用和意義。

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A holographic grating exposure system structure

HAN Peng-peng

(Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033， China)

Pair lens are applied in the optical system and the compensate lens are introduced to make the operation wavelength match the assemble wavelength. With finite element analysis, we design the mechanical structure and analyze the modes. The results show that holographic grating exposure system is with high quality wave-front and stability.

holographic grating； quality of wave-front； mode analysis； stability.

2014-08-28

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20126012); 吉林省科技廳青年科研基金項(xiàng)目(20100127)

撖芃芃(1977-)，女，漢族，山西永濟(jì)人，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所副研究員,碩士，主要從事光電儀器總體設(shè)計(jì)、精密儀器設(shè)計(jì)等方向研究,E-mail:12695038@qq.com.

O 438.1

A

1674-1374(2014)06-0639-06