[发明专利]基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置

说明书

技术领域

本发明涉及高密度光栅制备技术，特别是一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置。

技术背景

光栅器件作为一种非常基础的光学元件，在光谱分析、光纤通信、光学测量、空间科学、激光演示等领域有广泛的应用，特别是大尺寸的高密度光栅，在国家大工程如激光核聚变中有非常重要的用途。随着科学技术的发展，其应用的范围也将进一步扩大，同时对光栅尺寸和光栅性能的要求也会进一步提高。

目前国际上主要采用的光栅制作方法是传统的全息干涉曝光技术，如法国HORIBA Jobin Yvon公司商业生产的光栅，基本是通过两束平行光干涉形成高密度光栅条纹，然后进行光刻。我国也有几家研究机构利用全息法制作光栅，包括苏州大学，中科院上海光学精密机械研究所等。这种方法可以制作密度很高的光栅，同时周期性也能得到保证，但是它也面临一些严重的问题。随着光栅尺寸的不断增大（如米级光栅），需要的光束也随之增大，而要实现大尺寸均匀的平行光束，需要有高质量大尺寸的透镜，这种透镜的加工成本是极其昂贵的，同时对现有的透镜加工工艺也是一个极大的挑战。

由于传统的光学全息干涉曝光技术受到透镜尺寸的限制，开始出现一些其他的直写光栅制备技术，如通过直接刻划的方式进行大面积光栅制作的技术，中科院长春光机所国家光栅工程中心主要采用金刚石刀具进行精密刻划实现大尺寸高密度光栅制作。这种光栅刻划技术最大的缺陷在于它的加工效率，由于一次只能刻划一条线，要实现米级光栅的制备，需要很长的时间。这对加工平台以及环境的长期稳定性提出了非常苛刻的要求，同时由于金刚石刀具会在刻划过程中不断磨损，需要更换刀头，这必然会对制备的光栅的性能产生一定影响。

一种比较好的光栅直写制备技术是利用激光进行并行光刻，这不仅可以提高加工效率缩短时间，同时激光器性能在光刻过程中也不会发生改变，因此可以保证并行光刻的一致性。目前最具代表性的是美国MIT开发的一种称为SBIL（Scanning Beam Interference Lithography）的并行直写光栅技术（参见“Nanometer-accurate grating fabrication with scanning beam interference lithography”SPIE, 4936, 126-134（2002）），该技术在传统的全息干涉光路的基础上，增加了精密扫描和控制模块，利用全息干涉形成的光栅进行扫描光刻，可以几万倍甚至几十万倍的提高加工效率。同时这种方法的可扩展性也很好，依靠高精度的扫描平台，目前该技术可以制作900mm大小的高密度光栅。但是，这种技术的不足之处在于，采用的光束的光斑是高斯型的，因此需要在拼接的时候有一定程度的光斑叠加，而在光斑叠加时不仅要满足激光能量的匹配，而且光栅条纹也要严格对准，同时光栅场要保持高度的稳定性，这就对光刻工艺和控制技术提出了很高的要求。另外该技术通常还需要精密的旋转装置，用于转动扫描平台，使扫描平台的移动方向与光栅条纹方向保持一致，因此也会增加装置的复杂程度。

发明内容

本发明针对美国MIT的SBIL技术进行了改进，提出一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，该装置形成一排高密度的光束点阵对扫描基片进行并行扫描光刻，提高了并行扫描光刻的稳定性，并降低了光栅拼接的难度；可以保证扫描基片的扫描平面和柱面镜的焦面始终保持一致；同时，通过改进传统的双光束干涉光路，可以连续改变光栅条纹的方向，因此能够方便的实现光栅条纹方向与扫描平台方向一致；装置可以实现高密度光栅的并行光刻，装置具有稳定性好、并行度高、光栅加工速度快等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于柱面镜聚焦的全息扫描高密度光栅的制备装置，其特点在于：该装置包括双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场；柱面镜，可以将二维光栅场聚焦成一维高密度点阵；扫描平台，用于置放扫描基片并实现扫描基片的精确定位和扫描移动；自聚焦系统，控制扫描平面与柱面镜焦面始终保持一致；由紫外激光器、第一半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、第一扩束准直装置、第二扩束准直装置、柱面镜、扫描平台、红光激光器、第二半透半反镜、像散透镜、四象限探测器组成，其位置关系如下：