一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法转让专利
申请号 : CN200810155639.1
文献号 : CN101382611B
文献日 : 2010-06-30
发明人 : 李朝明 , 吴建宏 , 陈新荣
申请人 : 苏州大学
摘要 :
本发明公开了一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，在主全息干板上制备衍射光栅，包括下列步骤：(1)固定参考全息干板；(2)遮挡主全息干板，用全息光栅记录光场制备参考光栅；(3)使参考光栅与记录光场形成较疏的莫尔条纹，莫尔条纹的方向与参考光栅的线条方向垂直，记录该莫尔条纹信息；(4)对主全息干板的第一部分曝光、显影；(5)同步移动主全息干板和参考全息干板，调节参考光栅和记录光场的相对位置，使再现的莫尔条纹信息与步骤(3)中一致；(6)对主全息干板的第二部分曝光、显影，完成全息曝光拼接光栅的制作。本发明实现了衍射光栅制备过程中相邻区域的拼接，保证了光栅条纹的平行精度和相位关系，可用于制备大面积的衍射光栅。
权利要求 :
1.一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，在涂有感光材料的主全息干板上制备衍射光栅，其特征在于，制备过程包括下列步骤：(1)将一涂有感光材料的参考全息干板固定在主全息干板待拼接的两个部分之间；
(2)遮挡主全息干板的右半部和参考全息干板的右半部，将主全息干板的左半部和参考全息干板的左半部放置到全息光栅记录光场中，系统稳定后进行曝光；
(3)将主全息干板的右半部和参考全息干板的右半部放置于记录光场中，遮挡主全息干板的右半部，使参考全息干板的右半部曝光；
(4)显影后的参考全息干板放置于原位，在透射光场中观察到参考光栅与记录光场间形成的莫尔条纹，分别记录对应于参考全息干板左半部和右半部的莫尔条纹信息，经处理得出两次曝光的相位差；
(5)改变记录光场的条纹相位分布及干涉条纹的疏密，使参考全息干板右半部形成的莫尔条纹信息与调整前参考全息干板左半部形成的莫尔条纹信息一致；
(6)取消主全息干板右半部的遮挡，对主全息干板的右半部曝光，经显影，完成全息曝光拼接光栅的制作。
2.根据权利要求1所述的基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，改变记录光场的条纹相位分布的方法是，对形成记录光场的两路光束中的一路的反射镜进行位置调节以改变相位。
3.根据权利要求1所述的基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，调整记录光场的干涉条纹的疏密的方法是，微调形成记录光场的两路光束中的一路的物光的星点的位置，或者微动曝光支架的前后位置。
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。目前，在激光约束核聚变系统中，对一维衍射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技术手段，而衍射光栅的口径受限于全息记录光学系统口径。为了制造出超大口径的全息光栅，人们希望采用多块光栅拼接的方式来的制作大面积全息光栅。大面积全息光栅拼接可分为全息曝光拼接和机械拼接两个方向。机械拼接方法中，为了保证栅线间的平行精度和相位关系，设计了特殊的微动定位机构，然而，这种机构结构很难保证光栅拼接后长时间内稳定，工程实用性受限。全息曝光拼接可以实现大面积的光栅制作，由此获得的光栅稳定性很好，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。因而，如何通过拼接方法来实现大面积全息光栅的制备，是目前人们研究的一个重点。
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，通过对参考光栅的二次曝光，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。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，在涂有感光材料的主全息干板上制备衍射光栅，制备过程包括下列步骤：
(1)将一涂有感光材料的参考全息干板固定在主全息干板待拼接的两个部分之间；
(2)遮挡主全息干板的右半部和参考全息干板的右半部，将主全息干板的左半部和参考全息干板的左半部放置到全息光栅记录光场中，系统稳定后进行曝光；
(3)将主全息干板的右半部和参考全息干板的右半部放置于记录光场中，遮挡主全息干板的右半部，使参考全息干板的右半部曝光；
(4)显影后的参考全息干板放置于原位，在透射光场中观察到参考光栅与记录光场间形成的莫尔条纹，分别记录对应于参考全息干板左半部和右半部的莫尔条纹信息，经处理得出两次曝光的相位差；
(5)改变记录光场的条纹相位分布及干涉条纹的疏密，使参考全息干板右半部形成的莫尔条纹信息与调整前参考全息干板左半部形成的莫尔条纹信息一致；
(6)取消主全息干板右半部的遮挡，对主全息干板的右半部曝光，经显影，完成全息曝光拼接光栅的制作。
上文中，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d)与两光栅之间的夹角θ相对应，如附图1所示。
上述技术方案中，所述步骤(5)中，改变记录光场的条纹相位分布的方法是，对形成记录光场的两路光束中的一路的反射镜进行位置调节以改变相位。
所述步骤(5)中，调整记录光场的干涉条纹的疏密的方法是，微调形成记录光场的两路光束中的一路的物光的星点的位置，或者微动曝光支架的前后位置。
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：
1.本发明利用与主全息干板相对固定的参考全息干板，先进行一次曝光，在移动全息干板后，对参考全息干板的另一半进行曝光，通过莫尔条纹观测前后两次曝光中位相和条纹疏密的变化，以此得出调节位相和疏密的依据，实现了衍射光栅制备过程中相邻区域的拼接，保证了光栅条纹的平行精度和相位关系，从而可以用于制备大面积的衍射光栅；
2.由于采用参考光栅的二次曝光和莫尔条纹观测，只需要调整反射镜的位置、星点的位置及记录支架的位置，即可实现光栅条纹平行度和相位的调节，因而制备方法简单易行。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，在涂有感光材料的主全息干板上制备衍射光栅，制备过程包括下列步骤：
(1)将一涂有感光材料的参考全息干板固定在主全息干板待拼接的两个部分之间；
(2)遮挡主全息干板的右半部和参考全息干板的右半部，将主全息干板的左半部和参考全息干板的左半部放置到全息光栅记录光场中，系统稳定后进行曝光；
(3)将主全息干板的右半部和参考全息干板的右半部放置于记录光场中，遮挡主全息干板的右半部，使参考全息干板的右半部曝光；
(4)显影后的参考全息干板放置于原位，在透射光场中观察到参考光栅与记录光场间形成的莫尔条纹，分别记录对应于参考全息干板左半部和右半部的莫尔条纹信息，经处理得出两次曝光的相位差；
(5)改变记录光场的条纹相位分布及干涉条纹的疏密，使参考全息干板右半部形成的莫尔条纹信息与调整前参考全息干板左半部形成的莫尔条纹信息一致；
(6)取消主全息干板右半部的遮挡，对主全息干板的右半部曝光，经显影，完成全息曝光拼接光栅的制作。
上文中，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d)与两光栅之间的夹角θ相对应，如附图1所示。
上述技术方案中，所述步骤(5)中，改变记录光场的条纹相位分布的方法是，对形成记录光场的两路光束中的一路的反射镜进行位置调节以改变相位。
所述步骤(5)中，调整记录光场的干涉条纹的疏密的方法是，微调形成记录光场的两路光束中的一路的物光的星点的位置，或者微动曝光支架的前后位置。
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：
1.本发明利用与主全息干板相对固定的参考全息干板，先进行一次曝光，在移动全息干板后，对参考全息干板的另一半进行曝光，通过莫尔条纹观测前后两次曝光中位相和条纹疏密的变化，以此得出调节位相和疏密的依据，实现了衍射光栅制备过程中相邻区域的拼接，保证了光栅条纹的平行精度和相位关系，从而可以用于制备大面积的衍射光栅；
2.由于采用参考光栅的二次曝光和莫尔条纹观测，只需要调整反射镜的位置、星点的位置及记录支架的位置，即可实现光栅条纹平行度和相位的调节，因而制备方法简单易行。
附图说明
图1是莫尔条纹示意图；
图2是本发明实施例一中全息曝光拼接示意图；
图3是实施例一中主光栅和参考光栅第一次曝光示意图；
图4是实施例一中参考光栅第二次曝光示意图；
图5是实施例一中参考光栅再现示意图；
图6是实施例一中初始参考光栅再现条纹示意图；
图7是实施例一中调整后的参考光栅再现条纹示意图；
图8是全息光栅基底变动情况示意图。
图2是本发明实施例一中全息曝光拼接示意图；
图3是实施例一中主光栅和参考光栅第一次曝光示意图；
图4是实施例一中参考光栅第二次曝光示意图；
图5是实施例一中参考光栅再现示意图；
图6是实施例一中初始参考光栅再现条纹示意图；
图7是实施例一中调整后的参考光栅再现条纹示意图；
图8是全息光栅基底变动情况示意图。
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：
实施例一：参见附图2至附图7所示，一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，在涂有感光材料的主全息干板上制备衍射光栅，利用参考光栅的光学特性来控制主光栅两次曝光实现准确拼接，其过程如下：
1、将涂有感光材料的参考全息干板放置在主全息干板(待拼接光栅)的前方和中部并相对固定在曝光支架上，确保参考全息干板与主全息干板在运动过程中保持相对静止。如附图2所示。
2、将主全息干板和参考全息干板左半部放置到全息记录光路中如图3所示，系统稳定后曝光。
3、将主全息干板连同参考全息干板一起向左移动主干板的一半距离。这时主全息干板和参考全息干板的右半边被移动到干涉光场中，将主全息干板的右半边光场挡住，仅让参考干板的右半边曝光。如附图4所示。
4、对参考干板进行显影，原位放置于干涉光场中，如附图5所示。此时在透射光场中可观察到参考光栅与干涉光场之间形成的莫尔条纹；参考光栅经过两次曝光后，左右两套莫尔条纹疏密和位相存在一定的差别；用摄像系统记录此时两套干涉条纹的信息，此信息包括左右两个部分条纹的位置和疏密，并对信息进行一定的处理，得出两次曝光的相位差。
5、利用条纹锁定系统控制干涉光场的条纹相位分布(反射镜1前后运动改变光程差)，微调物光的星点1的位置或微动曝光支架改变条纹的疏密，使参考光栅的右半部分的再现条纹信息与调整前左半部分条纹信息一致。完成上述调节过程，可实现当前干涉光场条纹与主全息干板左半部分已记录的条纹对齐的目的。如附图6和附图7所示。
6、将主全息干板右半部分挡光板撤去，并曝光，经显影后，完成全息曝光拼接光栅掩膜制作过程。
本实施例中光栅拼接误差分析：
在上述全息光栅曝光拼接过程中，需要平移全息光栅的基底。移动全息光栅的基底会发生平动、水平旋转、垂直旋转、俯仰变化。这些运动会导致两次曝光的光栅条纹水平对准误差，条纹倾斜，条纹密度相对误差，以及记录条纹的像差等。以下分析这些误差对拼接精度的影响以及解决办法。
设将记录光栅的空间频率为1480lp/mm，每次曝光的长度为400mm，宽度为300mm。
如附图8所示，当光栅基片绕Y轴旋转将使记录光的入射角发生变化，记录的光栅空频发生变化。这里假设基片绕Y轴转动量被控制为1秒。通过仪器的校准，1秒的旋转精度在光栅的移动过程中是可以确保。由光栅方程，可以计算出光栅的空频变化为1.739e-8lp/mm，若每次曝光的长度为400mm，由于空频变化将引起光栅线条的增加量为6.9573e-6lp，即光栅的波象差增加6.9573e-6波长。这是一个小量可以忽略。
当光栅基片绕X轴旋转时，在平行光光路中，光栅的空频不发生变化，因此不影响光栅的波象差。
当光栅基片绕Z轴旋转时，第二次主光栅记录的条纹与第一次主光栅记录的条纹有一定的角度。假设基片绕Z轴转动量被控制为1秒。曝光的宽度为300mm，光栅的转动量为1.5um，光栅的条纹间距为0.675um，产生的波像差为2.22波长。这是一个比较大的量，需要矫正。将经二次记录的参考光栅放置到记录光路中，利用记录光与参考光栅之间形成的干涉条纹，可以探测到参考光栅左半部分与右半部分干涉条纹数量有差异，理论上差异为2.22周期。此时利用前述光路调节步骤5进行调节，使当前曝光光场条纹信息将与主光栅左侧以记录的条纹信息保持一致，实现曝光拼接。
实施例一：参见附图2至附图7所示，一种基于参考光栅二次曝光的大面积全息光栅制备方法，在涂有感光材料的主全息干板上制备衍射光栅，利用参考光栅的光学特性来控制主光栅两次曝光实现准确拼接，其过程如下：
1、将涂有感光材料的参考全息干板放置在主全息干板(待拼接光栅)的前方和中部并相对固定在曝光支架上，确保参考全息干板与主全息干板在运动过程中保持相对静止。如附图2所示。
2、将主全息干板和参考全息干板左半部放置到全息记录光路中如图3所示，系统稳定后曝光。
3、将主全息干板连同参考全息干板一起向左移动主干板的一半距离。这时主全息干板和参考全息干板的右半边被移动到干涉光场中，将主全息干板的右半边光场挡住，仅让参考干板的右半边曝光。如附图4所示。
4、对参考干板进行显影，原位放置于干涉光场中，如附图5所示。此时在透射光场中可观察到参考光栅与干涉光场之间形成的莫尔条纹；参考光栅经过两次曝光后，左右两套莫尔条纹疏密和位相存在一定的差别；用摄像系统记录此时两套干涉条纹的信息，此信息包括左右两个部分条纹的位置和疏密，并对信息进行一定的处理，得出两次曝光的相位差。
5、利用条纹锁定系统控制干涉光场的条纹相位分布(反射镜1前后运动改变光程差)，微调物光的星点1的位置或微动曝光支架改变条纹的疏密，使参考光栅的右半部分的再现条纹信息与调整前左半部分条纹信息一致。完成上述调节过程，可实现当前干涉光场条纹与主全息干板左半部分已记录的条纹对齐的目的。如附图6和附图7所示。
6、将主全息干板右半部分挡光板撤去，并曝光，经显影后，完成全息曝光拼接光栅掩膜制作过程。
本实施例中光栅拼接误差分析：
在上述全息光栅曝光拼接过程中，需要平移全息光栅的基底。移动全息光栅的基底会发生平动、水平旋转、垂直旋转、俯仰变化。这些运动会导致两次曝光的光栅条纹水平对准误差，条纹倾斜，条纹密度相对误差，以及记录条纹的像差等。以下分析这些误差对拼接精度的影响以及解决办法。
设将记录光栅的空间频率为1480lp/mm，每次曝光的长度为400mm，宽度为300mm。
如附图8所示，当光栅基片绕Y轴旋转将使记录光的入射角发生变化，记录的光栅空频发生变化。这里假设基片绕Y轴转动量被控制为1秒。通过仪器的校准，1秒的旋转精度在光栅的移动过程中是可以确保。由光栅方程，可以计算出光栅的空频变化为1.739e-8lp/mm，若每次曝光的长度为400mm，由于空频变化将引起光栅线条的增加量为6.9573e-6lp，即光栅的波象差增加6.9573e-6波长。这是一个小量可以忽略。
当光栅基片绕X轴旋转时，在平行光光路中，光栅的空频不发生变化，因此不影响光栅的波象差。
当光栅基片绕Z轴旋转时，第二次主光栅记录的条纹与第一次主光栅记录的条纹有一定的角度。假设基片绕Z轴转动量被控制为1秒。曝光的宽度为300mm，光栅的转动量为1.5um，光栅的条纹间距为0.675um，产生的波像差为2.22波长。这是一个比较大的量，需要矫正。将经二次记录的参考光栅放置到记录光路中，利用记录光与参考光栅之间形成的干涉条纹，可以探测到参考光栅左半部分与右半部分干涉条纹数量有差异，理论上差异为2.22周期。此时利用前述光路调节步骤5进行调节，使当前曝光光场条纹信息将与主光栅左侧以记录的条纹信息保持一致，实现曝光拼接。