技术领域
[0001] 本实用新型属于信息光学领域，涉及一种宽光束扫描干涉曝光装置，特别是关于一种制备米量级光栅的扫描曝光装置。
背景技术
[0002] 光栅是一种重要的衍射光学元件，广泛应用于各种
光谱仪，精密计量(光栅尺)，光通信，天文和强激光系统等高端科技领域。目前米量级光栅制备的主要方法：单次曝光法、子光栅曝光拼接法和扫描曝光法。目前这三种方法均采用单纵模
激光器(高
质量的高斯光斑)作为记录
光源，激光器的功率为1W左右，限制了记录光的光强。制作米量级光栅时需要大口径的光束，此时单位面积上的光通量十分微弱，需要较长的曝光时间，在曝光过程中条纹的
锁定起到关键作用。
[0003] 美国尼弗莫尔实验室采用单次曝光法制作米量级光栅，该实验室的
准直透镜的口径达到1.09m，目前制作出面积为910mmx450mm的
脉冲压缩光栅。单次曝光法的优点：光路简单，技术成熟，工艺可靠；它的缺点：光栅的质量取决于曝光系统的光学质量，更是需要口径达到米量级的非球面
准直透镜，目前我国没有能
力生产高质量的透射
石英材料，另外米量级的非球面透镜加工技术也不具备。
[0004] 子光栅曝光拼接法是在米量级
光刻胶光栅
基板上通过多次曝光，将多
块子光栅等同于一块整光栅。清华大学提出了用潜像法曝光拼接技术，制作了面积为100mmx200mm的光栅，苏州大学提出了用逐区显影曝光拼接技术，制作了面积为1025mmx350mm的脉冲压缩光栅。子光栅曝光拼接法光学系统相对简单，条纹锁定采用自参考，拼接
精度高，明显的缺点是两个子光栅中间有拼缝，拼缝处有
相位的跃变，影响远场光斑质量。
[0005] 扫描曝光法是利用高质量的细光束在光刻胶光栅基板上曝光，通过移动光刻胶光栅基板，曝完整个基板。在整个扫描过程中，光栅的周期、
栅线的方向、光栅的相位要保持一致。美国的PGL公司采用扫描曝光法制备出面积为910mmx420mm的光栅。该方法的光学系统十分复杂，条纹锁定采用外光路干涉控制技术，严重依赖实验室环境，因此对环境提出了十分苛刻的要求。清华大学采用宽光束扫描曝光法，利用10mm-30mm的宽条光束扫描，制作出面积为100mmx200mm的光栅，该方法光学系统相对简单，条纹锁定采用莫尔条纹技术，但是当扫描光束宽度增加后，必然会引入像差，导致整个光栅扫描失败。用该方法制备米量级光栅时，需要大口径的扩束透镜，光束的面积增大到原来的9倍，单位面积上激光
能量降为九分之一。为了保证光刻胶的曝光当量一致，可以增加光强和延长曝光时间两种方案，鉴于目前单纵模相干长度长的激光器的光功率只有1W～2W的
水平，无法提升光强，只能大大增加曝光时间，这样制备米量级光栅需要的时间长达数十天之久。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的在于解决现有装置制作米级光栅曝光时间过长引起的时效性差以及环境不确定性导致扫描条纹
对比度下降，导致整个扫描曝光失败；为实现以上技术目的，技术方案如下：
[0007] .一种制备米量级光栅的扫描曝光装置，包括激光器、半波片、分束棱镜、第一光束转折系统、第二光束转折系统、第一声光
调制器、第二声光调制器、安装在三维压电陶瓷平移台上的第一空间
滤波器、第二空间滤波器、第一非球面准直透镜、第二非球面准直透镜、第一光束整形压缩柱面系统、第二光束整形压缩柱面系统、第一光闸、第二光闸、楔形衰减板、平行衰减板、第一光电探测器、光刻胶光栅基板、光刻胶边参考光栅基板、可移动曝光平台、自准直
角度检测组元；
[0008] 所述的第一光束转折系统以及第二光束转折系统分别由至少一片反射镜组成用于改变光传播方向；
[0009] 所述的第一空间滤波器以及第二空间滤波器分别由会聚透镜和针孔
滤波器组成用于将
激光束调制成球面波；
[0010] 所述的自准直角度检测组元为一自准直光路，用于监测光刻胶光栅基板的
姿态变化情况；由氦氖激光器、自准直扩束系统、第二光电探测器组成，氦氖激光器发出的光束垂直入射至光刻胶光栅基板上，被光刻胶光栅基板反射的光束入射至第二光电探测器；
[0011] 所述的光刻胶光栅基板为矩形，以光刻胶光栅基板的长边方向为x轴，以光刻胶光栅基板的短边方向为y轴，光刻胶光栅基板的涂有光刻胶一面的外法线方向为z轴正方向；所述的x轴、y轴、z轴构成的
坐标系满足右手螺旋；
[0012] 所述的光刻胶光栅基板与光刻胶边参考光栅基板沿x轴方向拼接并且都固定在可移动曝光平台上；光刻胶边参考光栅基板位于光刻胶光栅基板x轴正方向一侧；
[0013] 激光器发出的光经过分束棱镜分成两束光，
透射光做为第一束光经过半波片、第一光束转折系统，再经第一声光调制器，进入第一空间滤波器，然后经过第一非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第一光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿 x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4；被第一光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第一光闸，另一部分经过楔形衰减板；经过楔形衰减板的光束称为第一监测光束，经过第一光闸的光束称为第一曝光光束，第一监测光束与第一曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；
[0014] 反射光作为第二束光经过第二光束转折系统，进入第二声光调制器，经过第二空间滤波器，然后经过第二非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第二光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4，被第二光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第二光闸，另一部分经过平行衰减板；经过平行衰减板的光束称为第二监测光束，经过第二光闸的光束称为第二曝光光束，第二监测光束与第二曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；
[0015] 第一监测光束投射到光刻胶光栅基板的0级反射光投射到平行衰减板上，折入第一光电探测器；第二监测光束投射到光刻胶光栅基板的-1级反射衍射光沿原路投射到平行衰减板上，最后折入第一光电探测器；
[0016] 所述第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上；第一声光调制器与第二声光调制器分别控制第一曝光光束与第二曝光光束使其
相位差恒定；三维压电陶瓷平移台控制采集到的条纹周期恒定；
[0017] 所述第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，三维压电陶瓷平移台控制第一曝光光束与第二曝光光束夹角保持恒定。
[0018] 优选方案：所述的第一非球面准直透镜以及第二非球面准直透镜通光口径大于等于 500mm，用于将球面波扩束准直。
[0019] 第一光束整形压缩柱面系统由第一凸面柱面镜和第一凹面柱面镜组成，其中第一凸面柱面镜放置在第一非球面准直透镜后端，第一凹面柱面镜的前虚焦点与第一凸面柱面镜的后实焦点重合；第二光束整形压缩柱面系统与第一光束整形压缩柱面系统对结构参数一致。
[0020] 使用上述装置制作米量级光栅时，用第一曝光光束与第二曝光光束产生的干涉条纹对边光刻胶边参考光栅基板进行曝光，经显影生成光刻胶边参考光栅，将光刻胶边参考光栅复位，光刻胶边参考光栅与第一曝光光束与第二曝光光束产生的干涉条纹重叠产生莫尔条纹；此莫尔条纹信息传输至第一光电探测器，第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器锁定第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定采集到的条纹周期；第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定第一曝光光束与第二曝光光束夹角；
[0021] 沿x轴正方向匀速移动可移动曝光平台，对光刻胶光栅基板扫描曝光，被曝光的光刻胶光栅基板上形成潜像条纹，第一光监测光束的0级反射光与第二光束监测光束-1级反射衍射产生的干涉条纹与光刻胶光栅基板上被曝光产生的潜像条纹重叠产生莫尔条纹，此莫尔条纹信息传输至第一光电探测器，第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器锁定第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定采集到的条纹周期；第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，锁定第一曝光光束与第二曝光光束夹角。
[0022] 在匀速扫描曝光过程中，始终以刚曝光产生的潜像条纹与第一光监测光束的0级反射光与第二光束监测光束-1级反射衍射产生的干涉条纹重叠生的莫尔条纹为判断标准，扫面过程中若环境状态发生变化，可迅速由第一光电探测器以及第二光电探测器将环境状态变化信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器、三维压电陶瓷平移台，通过姿态矫正迅速补偿环境状态引起的干涉条纹变化；实现了实时闭环的锁定第一曝光光束与第二曝光光束的相位差，条纹周期、以及第一曝光光束与第二曝光光束夹角，从而在一个扫描周期即可获得高质量的且受环境因素影响小的无缝拼接米级光栅。
[0023] 由于上述方案中第一光束整形压缩柱面系统、第二光束整形压缩柱面系统使得在x方向上光束尺寸被压缩，有效提升了光强，并且压缩后尺寸变小也降低了对第一曝光光束与第二曝光光束像差要求。
附图说明
[0024] 图1为全息光束扫描曝光装置示意图；
[0025] 图2为光束整形柱面压缩系统柱面透镜的分布示意；
[0026] 图3莫尔条纹，左侧条纹为基准的莫尔条纹，右侧条纹为实时采集的莫尔条纹；
[0027] 其中1:激光器，2:分束棱镜，3:半波片，4:第一反射镜，5:第二反射镜，6:第三反射镜7:第一声光调制器，8:第二声光调制器，9:第一空间滤波器，10:第二空间滤波器， 11:第一非球面准直透镜，12:第二非球面准直透镜，13:第一光束整形柱面压缩系统，14:第二光束整形柱面压缩系统，15:第一光闸，16:第二光闸，17:楔形衰减板，18:平行衰减板，19:第一光电探测器，20:光刻胶光栅基板，21:边光刻胶边参考光栅基板，22:可移动曝光平台，23:氦氖激光器，24:自准直扩束系统，25:第四反射镜，26:第二光电探测器。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图及
实施例对本新型作进一步描述：
[0029] 一种制作米量级光栅的系统，如附图1所示：包括激光器1，分束棱镜2，半波片3，第一至第三反射镜4-6，第一至第二声光调制器7-8，安装在三维压电陶瓷平移台上的第一空间滤波器9，第二空间滤波器10，第一至第二非球面准直透镜11-12，第一至第二光束整形压缩柱面系统13-14，第一至第二光闸15-16，楔形衰减板17，平行衰减板18，第一光电探测器19，光刻胶光栅基板20，光刻胶边参考光栅基板21，可移动曝光平台上22，氦氖激光器 23，自准直扩束系统24，第四反射镜25，第二光电探测器26；
[0030] 所述的第一空间滤波器以及第二空间滤波器分别由会聚透镜和针孔滤波器组成用于将激光束调制成球面波；
[0031] 所述的第一非球面准直透镜以及第二非球面准直透镜通光口径大于等于500mm，用于将球面波扩束准直；
[0032] 所述的自准直角度检测组元为一自准直光路，用于监测光刻胶光栅基板的姿态变化情况；由氦氖激光器、自准直扩束系统、第四反射镜、第二光电探测器组成，氦氖激光器发出的光经过自准直扩束系统后，变成平行光垂直投射到待制备的光刻胶光栅基板上，反射光沿原光路返回，边缘的光束经过光束偏转系统取样后投射到第二光电探测器上；
[0033] 所述的光刻胶光栅基板为矩形，以光刻胶光栅基板的长边方向为x轴，以光刻胶光栅基板的短边方向为y轴，光刻胶光栅基板的涂有光刻胶一面的外法线方向为z轴正方向；所述的x轴、y轴、z轴构成的坐标系满足右手螺旋；
[0034] 所述的光刻胶光栅基板与光刻胶边参考光栅基板沿x轴方向拼接并且都固定在可移动曝光平台上；光刻胶边参考光栅基板位于光刻胶光栅基板x轴正方向一侧；
[0035] 激光器发出的光经过分束棱镜分成两束光，透射光做为第一束光经过第一声光调制器，进入第一空间滤波器，然后经过第一非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第一光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的 1/6-1/4；被第一光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第一光闸，另一部分经过楔形衰减板；经过楔形衰减板的光束称为第一监测光束，经过第一光闸的光束称为第一曝光光束，第一监测光束与第一曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；
[0036] 反射光作为第二束光经过入第二声光调制器，经过第二空间滤波器，然后经过第二非球面准直透镜，扩束成全口径平行光，经过第二光束整形柱面压缩系统，沿y轴方向的光束尺寸保持不变，沿x轴方向的光束尺寸压缩至原来的1/6-1/4，被第二光束整形柱面压缩系统压缩后的光一部分经过第二光闸，另一部分经过平行衰减板；经过平行衰减板的光束称为第二监测光束，经过第二光闸的光束称为第二曝光光束，第二监测光束与第二曝光光束的截面宽度一致，最后都投射到光刻胶光栅基板上；
[0037] 第一监测光束投射到光刻胶光栅基板的0级反射光投射到平行衰减板上，折入第一光电探测器；第二监测光束投射到光刻胶光栅基板的-1级反射衍射光沿原路投射到平行衰减板上，最后折入第一光电探测器；
[0038] 所述第一光电探测器采集到的条纹中的相位信息反馈至第一声光调制器、第二声光调制器；第一光电探测器采集到的条纹中的周期信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上；第一声光调制器与第二声光调制器分别控制第一曝光光束与第二曝光光束使其相位差恒定；三维压电陶瓷平移台控制采集到的条纹周期恒定；
[0039] 所述第二光电探测器采集到的光斑信息反馈至安装有第一空间滤波器的三维压电陶瓷平移台上，三维压电陶瓷平移台控制第一曝光光束与第二曝光光束夹角保持恒定。
[0040] 上述方案中：第一光束整形压缩柱面系统由第一凸面柱面镜和第一凹面柱面镜组成，其中第一凸面柱面镜放置在第一520mm口径非球面准直透镜后方，第一凹面柱面镜的前虚焦点与第一凸面柱面镜的后实焦点重合(两者的焦距比控制在4:1-6:1)，第一光束整形柱面系统的光学镜片的结构如附图2所示，镜片参数与
位置zemax优化结果如表1所示；第二光束整形压缩柱面系统与第一光束整形压缩柱面系统对结构参数一致。光束整形系统的核心作用：在不影响扫描光束的像差的前提下，将沿x轴方向的宽光束压缩成细光束，提高了光束的能量利用率。
[0041] 表1光束整形压缩系统zamax优化结构参数
[0042]
[0043] 第一光闸放置在第一光束整形柱面系统的后方，并将其安装在速度可控的移动
导轨上，始终保持光闸在移动过程中光闸与光束垂直；第二光闸放置在第二光束整形柱面系统的后方，并安装在导轨上，并将其安装在速度可控的移动导轨上，始终保持光闸在移动过程中光闸与光束垂直。
[0044] 使用上述装置进行米级光栅制作时，包括以下步骤。步骤一，制作光刻胶边参考光栅：如附图1所示位置，用一块遮光板将光刻胶光栅基板遮挡，移动可移动曝光平台，使第一曝光光束与第二曝光光束形成的干涉条纹位于光刻胶边参考光栅基板上，静台片刻，开始对光刻胶边参考光栅基板曝光，取下光刻胶边参考光栅基板，进行显影，清洗与干燥，形成光刻胶边参考光栅；在原光路中复位，第一曝光光束与第二曝光光束形成的实时干涉条纹与光刻胶边参考光栅(显影后的感光材料的条纹)重叠，产生莫尔条纹，调节移动可移动曝光平台的姿态，使得莫尔条纹呈水平状态，条纹间隔2cm～3cm；
[0045] 步骤二制作静止曝光区：撤去遮光板，开始静止曝光，保持可移动曝光平台静止不动，曝光宽度设置为Bstatic＝50mm-60mm，将光刻胶边参考光栅的莫尔条纹作为条纹锁定的基准，曝光启动后第一光电探测器实时采集光刻胶边参考光栅的条纹，如果发现实时条纹发生漂移，实时控制第一声光调制器和第二声光调制器，在曝光时间Tstatic期间相位保持不变；曝光结束后在被曝光的区域形成潜像条纹；
[0046] 步骤三制作过渡曝光区：在静止曝光期间，同时让第一至第二光闸匀速缓慢地沿x轴负方向移动，保持移动速度v＝Bstatic/Tstatic，完成后撤出整个光路；过渡曝光区的紧靠静止曝光区的部分将获得的曝光当量从正常的曝光当量缓慢减小至0；静止曝光结束后，此时将光楔衰减板和平行衰减板插进光路，如附图1所示，第一光束中监测光束投射到潜像条纹上，潜像条纹的0级反射光投射到平行衰减板上，折入第一光电探测器；第二光束中的监测光束板投射到潜像条纹上，潜像条纹的-1级反射衍射光沿原路投射到平行衰减板上，最后折入第一光电探测器，这两束光形成干涉条纹，该干涉条纹被第一光电探测器记录；用该潜像莫尔条纹作为锁定条纹，扫描曝光后续未曝光区；启动扫描曝光，当可移动曝光平台上开始移动进行扫描曝光时，过渡曝光区域部分将获得的曝光当量从0开始缓慢增加到正常的曝光当量；过渡曝光区域通过两次曝光的组合，曝光当量几乎和正常曝光当量一致。在静止曝光过程中，如果在静止曝光过程中没有第一至第二光闸的匀速移动，直接开始可移动曝光平台上扫描曝光的话，过渡曝光区域部分将获得的曝光当量从0开始缓慢增加到正常的曝光当量，这样会导致整个光栅中有部分曝光两不足，会引起显影不充分，导致光栅的衍射效率不均匀；
[0047] 步骤四，制作正常扫描曝光区：
[0048] 1)基准莫尔条纹采集过程：待过渡曝光区域完成曝光后如附图3所示的左侧部分，缓慢地沿x轴正方向移动光栅基片，保持移动速度v＝Bstatic/Tstatic。
[0049] 2)栅线周期锁定过程：即测角系统实时测量光栅基板的绕y轴旋转的偏转角；打开氦氖激光器监测光源，经过自准直扩束系统后正入射在光栅基板上，反射光斑沿原光路折回，经光束偏转系统并被第二光电探测器取样，在基片移动前采集反射光斑的位置，作为基准点，基片开始缓慢移动后，实时采集光斑的位置并与基准点实时比较，如果分析出光斑发生漂移则给出反馈
信号，控制三维纳米压电陶瓷平移台沿x方向水平移动，带动第一空间滤波器沿 x方向水平移动，补偿光栅基板绕y轴旋转的偏转角，始终两束相干光的夹角与光栅基板相对静止。
[0050] 3)相位与栅线方向锁定过程：首先进行相位锁定，如附图3所示，左侧是初始采集的基准参考条纹(静态条纹)，右侧是采集的实时的潜像条纹，在基准条纹的某一条条纹上取一个基准点，将基准点的光强和实时的莫尔条纹相同的位置点的光强进行比较，如果光强发生变化，则说明条纹的相位发生漂移，立即给出反馈信号，控制第一声光调制器和第二声光调制器，将相位补偿，始终保持相位锁定；相位锁定后，进行栅线方向锁定，计算出基准莫尔条纹的平均周期，再实时的莫尔条纹的平均周期，分析出平均周期发生变化时，给出反馈信号，控制三维纳米压电陶瓷平移台沿y轴竖直方向移动，带动第一空间滤波器沿y轴竖直方向移动，实时补偿光栅基板绕z轴旋转的偏向角，始终保持栅线方向一致；
[0051] 控制光栅基板的移动速度v＝Bstatic/Tstatic，始终以刚扫描曝光过的潜像条纹的莫尔条纹来锁定曝光即将扫描的区域，锁定过程中始终保持扫描曝光过的潜像条纹的莫尔条纹与初始的基准参考条纹一致，直至光栅基板全部曝光完成。
[0052] 本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
