基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置和方法

摘要

一种基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置和方法。该装置包括激光刻写光路、自聚焦模块和电子控制模块；该装置充分利用达曼光栅分束的特点，实现了并行直写光栅；通过旋转一维达曼光栅，来实现变周期刻写光栅；通过旋转二维达曼光栅，能上千倍地提高刻写速度，从而实现更高效更快速的刻写。本装置适用于刻写大面积高密度的光栅。

权利要求

1.一种基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置，其特征在于该装置包括激光刻写光路、自聚焦模块和电子控制模块；

所述的激光刻写光路依次包括405nm蓝光激光器(1)、小孔光阑(2)、扩束透镜组(3)、装有达曼光栅的精密转台(4)、扩束透镜(5)、渐变折射滤波片(6)、扩束透镜(7)、反射镜(8)、光谱分光镜(9)、显微物镜(11)，光束经过显微物镜(11)后聚焦在水平调平台(13)上的待刻写的光栅模板(12)上；

所述的自聚焦模块包括红光光纤激光器(15)、偏振分光棱镜(16)、四分之一波片(17)、光谱分光镜(9)、滤光片(18)、透镜(19)、柱面透镜(20)和四象限探测器(21)，所述的红光光纤激光器(15)输出的激光经偏振分光棱镜(16)反射后经四分之一波片(17)由线偏振光变成圆偏振光，经过光谱分光镜(9)、显微物镜(11)后照射在水平调平台(13)上的待刻写光栅模板(12)上，被待刻写光栅模板(12)反射后的信号光沿原光路返回，经所述的四分之一波片(17)变成与原光束偏振方向垂直的线偏振光，后透过所述的偏振分光棱镜(16)、滤光片(18)、透镜(19)、柱面透镜(20)由所述的四象限探测器(21)采集信号；

所述的电子控制模块包括计算机(22)及计算机(22)控制的压电陶瓷(10)、精密移动平台(14)，所述的水平调平台(13)置于所述的精密移动平台(14)上，所述的计算机(22)的输入端与所述的四象限探测器(21)的输出端相连。

2.利用权利要求1所述的基于旋转达曼光栅多路并行激光直写装置进行光栅直写的方法，其特征在于包括以下步骤：①根据要刻写的光栅的周期和面积大小，计算出达曼光栅旋转的角度，并用装有达曼光栅的精密转台(4)将达曼光栅旋转到所述的达曼光栅旋转的角度；

②在计算机软件上设置好相应的参数：精密移动平台(14)移动的速度、自聚焦模块的目标离焦误差信号值；

③在蓝光激光器的光束被挡住的情况下，在水平调平台上放置待刻写的光栅模板，并通过自聚焦模块锁定焦点；

④让刻写光路保持通畅，并同时开启所述的精密移动平台(14)，开始刻写光栅；

⑤待刻写完毕，经过显影、去铬、刻蚀来得到光栅成品。

说明书

基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光直写装置，特别是一种基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置和方法。

背景技术

[0002] 现代社会进入了纳米微加工时代。微纳米加工技术对于光电子产业发展的巨大推动作用，成为各国政府、科学界以及企业界高度重视的领域，目前已经在全世界范围内形成了一个微纳米光学的研究高潮。

[0003] 光栅作为微纳光学器件的典型代表，已广泛应用于国防、科研和国民经济的许多领域。随着大功率激光器在宇宙探测，精密加工和军事航天上面的逐渐应用，作为其必须关键器件的大面积衍射光栅成为制约高功率激光装置广泛应用的关键技术之一。应用于实验研究和工业生产中，但国内的激光直写技术和工艺水平与国外相差巨大，远不能满足国家高技术领域的实际需求，急需开展激光直写光刻系统和相关材料、原理和工艺的研究。微纳米加工技术在微电子、集成光学(DOEs)、微机电系统(MEMs)、光磁存储器、生物芯片传感器、纳米电子学、能量转换与储存器件、光子晶体、光通讯都有广泛的应用。目前，国外的激光直写技术发展迅速，甚至有部分已经投入产品生产中；但是在国内，激光直写技术的研究才刚刚起步，虽然国内某些研究所已经研究出了一些激光直写装置，但是无论从刻写速度还是刻写面积来看都不尽如人意。

[0004] 针对制作大尺寸光栅，在先前的专利“用激光直写装置制造光栅的方法”(公开号CN1424594A)提出了用一种激光直写系统来刻写光栅，解决了非周期光栅刻写的问题，但未解决光栅刻写速度慢的缺点；此后范永涛的“激光直写装置”(申请号201110042855.7)“光栅高速直写装置”(申请号201110148471.3)一定程度上加快了直写的速度，但是单点刻写的速度仍然无法完全满足大光栅制造的速度要求；然后曹武刚等人的“多光束激光并行直写光栅的装置以及光栅直写的方法”(申请号201110188988.5)以及朱锋的“多光束并行激光直写装置及其直写方法”(201210112339.1)通过达曼光栅分束实现了并行直写，刻写速度上有重大的突破。然而仅仅利用一维达曼光栅进行分束，并没有充分利用达曼光栅进行极大的提速，为了刻写大面积光栅，我们需要在刻写速度上进一步改进。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置和方法，该装置充分利用达曼光栅分束的特点，可实现并行直写光栅；通过旋转一维达曼光栅，来实现变周期刻写光栅；通过旋转二维达曼光栅，能上千倍地提高刻写速度，从而实现更高效更快速的刻写。本装置适用于刻写大面积高密度的光栅。

[0006] 本发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置，特点在于该装置包括激光刻写光路、自聚焦模块和电子控制模块；

[0008] 所述的激光刻写光路依次包括405nm蓝光激光器、小孔光阑、扩束透镜组、装有达曼光栅的精密转台、扩束透镜、渐变折射滤波片、扩束透镜、反射镜、光谱分光镜、显微物镜，光束经过显微物镜后聚焦在水平调平台上的待刻写的光栅模板上；

[0009] 所述的自聚焦模块包括红光光纤激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、光谱分光镜、滤光片、透镜、柱面透镜和四象限探测器，所述的红光光纤激光器输出的激光经偏振分光棱镜反射后经四分之一波片由线偏振光变成圆偏振光，经过光谱分光镜、显微物镜后照射在水平调平台上的待刻写光栅模板上，被待刻写光栅模板反射后的信号光沿原光路返回，经所述的四分之一波片变成与原光束偏振方向垂直的线偏振光，后透过所述的偏振分光棱镜、滤光片、透镜、柱面透镜由所述的四象限探测器采集信号；

[0010] 所述的电子控制模块包括计算机及计算机控制的压电陶瓷、精密移动平台，所述的水调平台置于所述的精密移动平台上，所述的计算机的输入端与所述的四象限探测器的输出端相连。

[0011] 利用所述的旋转达曼光栅多路并行激光直写装置进行光栅直写的方法，包括以下步骤：

[0012] ①根据要刻写的光栅的周期和面积大小，计算出达曼光栅旋转的角度，并用装有达曼光栅的精密转台将达曼光栅旋转到所述的达曼光栅旋转的角度；

[0013] ②在计算机软件上设置好相应的参数：精密移动平台移动的速度、自聚焦模块的目标离焦误差信号值；

[0014] ③在蓝光激光器的光束被挡住的情况下，在水调平台上放置待刻写的光栅模板，并通过自聚焦模块锁定焦点；

[0015] ④让刻写光路保持通畅，并同时开启所述的精密移动平台，开始刻写光栅；

[0016] ⑤待刻写完毕，经过显影、去铬、刻蚀来得到光栅成品。主要包括激光刻写光路，自聚焦模块和电子控制模块。

[0017] 本发明的技术效果：

[0018] 本发明充分利用达曼光栅分束的特点，实现了并行直写光栅；通过旋转一维达曼光栅，来实现变周期刻写光栅；通过旋转二维达曼光栅，能上千倍地提高刻写速度，从而实现更高效更快速的刻写。本发明适用于刻写大面积高密度的光栅。

附图说明

[0019] 图1是本发明基于旋转达曼光栅的并行激光直写装置的结构图。

[0020] 图2是旋转二维达曼光栅来加速刻写的原理图。

[0021] 图3是旋转一维达曼光栅来进行变周期刻写的原理图。

具体实施方式

[0022] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0023] 先参阅图1，图1是本发明基于旋转达曼光栅的并行激光直写装置的结构图。由图可见，本发明基于旋转达曼光栅的多路并行激光直写装置，该装置包括激光刻写光路、自聚焦模块和电子控制模块：

[0024] 所述的激光刻写光路依次包括405nm蓝光激光器1、小孔光阑2、扩束透镜组3、装有达曼光栅的精密转台4、扩束透镜5、渐变折射滤波片6、扩束透镜7、反射镜8、光谱分光镜9、显微物镜11，光束经过显微物镜11后聚焦在水平调平台13上的待刻写的光栅模板12上；

[0025] 所述的自聚焦模块包括红光光纤激光器15、偏振分光棱镜16、四分之一波片17、光谱分光镜9、滤光片18、透镜19、柱面透镜20和四象限探测器21，所述的红光光纤激光器15输出的激光经偏振分光棱镜16反射后经四分之一波片17由线偏振光变成圆偏振光，经过光谱分光镜9、显微物镜11后照射在水平调平台13上的待刻写光栅模板12上，被待刻写光栅模板12反射后的信号光沿原光路返回，经所述的四分之一波片17变成与原光束偏振方向垂直的线偏振光，后透过所述的偏振分光棱镜16、滤光片18、透镜19、柱面透镜20由所述的四象限探测器21采集信号；

[0026] 所述的电子控制模块包括计算机22及计算机22控制的压电陶瓷10、精密移动平台14，所述的水平调平台13置于所述的精密移动平台14上，所述的计算机22的输入端与所述的四象限探测器21的输出端相连。

[0027] 利用所述的旋转达曼光栅多路并行激光直写装置进行光栅直写的方法，其特征在于包括以下步骤：

[0028] ①根据要刻写的光栅的周期和面积大小，计算出达曼光栅旋转的角度，并用装有达曼光栅的精密转台4将达曼光栅旋转到所述的达曼光栅旋转的角度；

[0029] ②在计算机软件上设置好相应的参数：精密移动平台14移动的速度、自聚焦模块的目标离焦误差信号值；

[0030] ③在蓝光激光器的光束被挡住的情况下，在水平调平台上放置待刻写的光栅模板，并通过自聚焦模块锁定焦点；

[0031] ④让刻写光路保持通畅，并同时开启所述的精密移动平台14，开始刻写光栅；

[0032] ⑤待刻写完毕，经过显影、去铬、刻蚀来得到光栅成品。

[0033] 计算机连接控制高精密移动平台14的部分，可以控制高精密移动平台14的位移距离和位移速度，通过控制位移可以控制刻写光栅的周期，通过控制位移速度以及405nm蓝光激光器1可以控制刻写光栅的线宽，从而达到所需求的一定的占空比。

[0034] 本发明通过旋转达曼光栅可以达到两个目的：加快刻写速度和变周期。

[0035] 首先要通过待刻写光栅的参数要求来确定。

[0036] 从加快刻写速度的方式来考虑，使用旋转二维达曼光栅，如图2所示，对于一个N*N的二维达曼光栅，需要旋转的角度θ＝arctan(1/(N+1))，从而达到刻写光栅提速比为N*N，相对于一维达曼光栅，极大地提升了刻写光栅的速度。

[0037] 从变周期的方式来考虑，使用旋转一维达曼光栅，如图3所示，可以通过控制旋转达曼光栅的角度来控制周期，则旋转后刻写光栅的周期是旋转前的cosθ倍。在刻写光栅的过程中，可以通过旋转装有达曼光栅的精密转台，从而精确控制刻写周期，达到变周期的效果。

[0038] 通过分辨率计算公式σ＝λ/NA，λ为蓝光波长，也就是405nm，而NA为显微物镜的数值孔径，也就意味着旋转的角度是有限制的，也就是光栅周期达到了分辨率的极限，则无法变的更小。

[0039] 计算出需要旋转的角度后，用装有达曼光栅的精密转台使达曼光栅旋转到计算出的角度，选择合适的精密平台运动参数，自聚焦模块的参数，放上待刻写的光栅模板，使蓝光保持畅通，开始刻写。刻写过程中，如果要刻写变周期光栅，可在刻写过程中旋转达曼光栅的精密转台到计算出的角度，从而达到变周期效果。

[0040] 刻写好的光栅模板经过显影、去铬、刻蚀等步骤。

[0041] 达曼光栅的意义：达曼光栅是一种可以将入射单色光在傅里叶变换的远场处高效率地生成均匀光强点阵的位相光栅，达曼光栅近几十年来得到了广泛的开发和应用，通过达曼光栅的变换，能够高效并均匀地实现并行激光直写，同时能够减小误差，作为一种相对简单的功能器件，对科学的发展产生了深远的影响。