光柵高速直寫裝置的製作方法

2023-05-02 23:38:31 1

專利名稱：光柵高速直寫裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光柵，特別是一種光柵高速直寫裝置。
背景技術：
光柵是一種重要的光學元件，可在光譜分析、物理學、天文學、化學、生物醫學、光通訊等諸多領域發揮重要作用。近些年來，隨著光學理論和微納加工技術的發展，各種非簡單周期結構的光柵逐漸被設計出來，並獲得了廣泛應用，如達曼光柵、閃耀光柵、復周期光柵等，這些光柵不同於一般的正弦或1 1矩形光柵，其周期內的結構較為複雜，而有些甚至不是周期性結構。而傳統的光柵加工方式是全息曝光或機械刻劃，前者只能加工周期性光柵，對非周期的複雜光柵無能為力，後者加工精度低、加工速度慢，無法滿足實際應用需要。在先技術中，發明專利「用雷射直寫裝置製造光柵的方法」(公開號CN14M594A)提出了一種用雷射直寫裝置來刻寫光柵的方法，該方法解決了複雜非周期光柵的刻寫問題，並簡化了製造光柵的硬體工序，具有一定的實用性，然而並未解決光柵刻寫速度過慢的問題， 以光柵密度為1000線/mm，直寫裝置刻劃速度為0. 5線/s計，加工單片IOOmmX IOOmm的光柵消耗的時間將高達55. 6小時，這是難以忍受的，過長的加工時間不僅導致加工成本劇增，而且帶來熱漂移、雷射器壽命等諸多技術問題，所以這種方法僅適合加工低密度、小範圍的光柵。

發明內容
本發明旨在克服上述現有技術的不足，提供了一種光柵高速直寫裝置，該裝置能高速刻寫具有複雜一維結構分布的光柵，同時具備科研和生產兩方面的用途，具有較高的實用價值。本發明的技術解決方案如下一種光柵高速直寫裝置，特點徵在於其構成包括刻寫光源、光束偏轉器、f θ透鏡組、離焦檢測模塊、光譜分光鏡、調焦位移器、物鏡、待刻樣品、二維樣品臺和總控制器，上述元部件的位置關係如下所述的刻寫光源發出的刻寫光束被光束偏轉器反射後，經所述的f θ透鏡組被所述的光譜分光鏡反射，最後經所述的物鏡會聚在位於二維樣品臺上的待刻樣品的表面；所述的離焦檢測模塊發出的調焦光束透過所述的光譜分光鏡，經所述的物鏡會聚在待刻樣品表面，其反射光由原路返回，所述的總控制器分別與所述的刻寫光源、光束偏轉器、離焦檢測模塊、調焦執行器、二維樣品臺相連；所述的光譜分光鏡與所述的刻寫光束的主軸及所述的調焦光束的主軸均成45° 夾角；所述的調焦位移器與所述的物鏡相連，所述的離焦檢測模塊根據調焦光束的返回光計算所述的物鏡離焦量並輸入所述的總控制器，該總控制器根據所述的離焦檢測模塊輸入的離焦量向所述的調焦位移器輸出相應的反饋信號控制所述的調焦位移器的運動，使待刻樣品表面始終位於所述的物鏡的焦深範圍；
所述的光束偏轉器由反射鏡和旋轉驅動器組成，其旋轉軸與反射鏡的反射面平行，該反射面與所述的刻寫光束所在的平面垂直，所述的光束偏轉器的轉軸與二維樣品臺的Y軸平行而垂直於X軸；所述的總控制器根據待刻的光柵結構向所述的光束偏轉器的旋轉驅動器發出偏轉驅動信號，在旋轉驅動器的驅動下所述的反射面繞旋轉驅動器的轉軸作往復的偏轉運動；所述的f θ透鏡組與刻寫光束共光軸；所述的二維樣品臺具有沿其X軸和Y軸的運動機構，在所述的總控制器的控制下該二維樣品臺帶動位於其上的待刻樣品沿X、Y方向高精度運動。所述的刻寫光源為直接內調製的半導體雷射器，或氣體雷射器和外部光強調製器件構成的光源，或固體雷射器和外部光強調製部件構成的光源，所述的外部光強調製部件為聲光調製器、或電光調製器。所述的離焦檢測模塊是象散法離焦檢測、刀口法離焦檢測、或二象限離焦檢測模塊。所述的所述二維位移平臺是直線電機、步進電機、直流電機、或交流變頻電機所驅動的二維直線平臺。所述的光束偏轉器為高速光束偏轉器，該高速光束偏轉器的旋轉驅動器為振鏡電機、音圈電機或、壓電陶瓷驅動器。刻寫光源發出的平行刻寫雷射束，經光束偏轉器反射後，進入f θ透鏡組，被光譜分光鏡反射後進入物鏡，並最終會聚在樣品表面對樣品進行刻寫。離焦檢測模塊位於光譜分光鏡的另一側，其發出的光束透過光譜分光鏡，並進入物鏡，到達待刻樣品表面後被反射，反射光沿原路返回，離焦檢測模塊接收該信號並據其計算離焦量。調焦位移器連接在物鏡上，可驅動物鏡沿Z方向微動進行調焦；待刻樣品位於二維樣品臺上。總控制器分別與離焦檢測模塊、調焦位移器、光源模塊、光束偏轉器、二維樣品臺相連，主要完成兩方面任務一是根據離焦檢測模塊得到的離焦信息，反饋控制調焦位移器的伸長量，使得在刻寫過程中樣品表面始終位於物鏡的焦深範圍以內；二是在刻寫過程中，向光源模塊和光束偏轉器同步發送調製信號和偏轉信號，並控制二維樣品臺勻速運動，在樣品表面刻寫下所需預期圖形。在實際刻寫光柵過程中，主控制器向光束偏轉器發送高速偏轉信號，並同步向刻寫光源發送雷射脈衝調製信號，這樣光束偏轉器每偏轉一次，雷射束即在樣品的X方向上刻寫出一排按照預先設定分布的小點； 與此同時，二維樣品臺帶動待刻樣品在Y方向上低速移動，於是一排小點就如一把梳子划過樣品，在樣品上刻寫出多條線條，形成大範圍分布的光柵結構。本發明的有益效果如下；與現有技術相比，本發明採用了高速光束偏轉器控制光束的偏轉，使得在二維樣品臺一次位移過程中，系統不再僅僅在樣品上刻寫一條線條，而是刻寫下了一排線條，這樣極大地加快了刻寫速度，提高了裝置的實用性；與此同時，通過調整總控制器發送給刻寫光源的光脈衝調製信號的形狀，可以非常方便地調節需要刻寫的光柵的形貌，繼而刻寫出各種特殊分布和非周期分布的光柵。實驗表明，本發明具有刻寫速度快、面積大、可控性好的特點，能直接刻寫出變佔空比、變強度分布的一維光柵，具有廣泛的用途。


圖1為本發明的總體結構示意圖。圖2為本發明刻寫佔空比為2 3的光柵的信號示意圖。圖3為本發明刻寫閃耀光柵的信號示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明。先請參閱圖1，圖1為本發明的總體結構示意圖。由圖可見，本發明光柵高速直寫裝置的構成包括刻寫光源1、光束偏轉器2、f θ透鏡組3、離焦檢測模塊4、光譜分光鏡5、 調焦位移器6、物鏡7、待刻樣品8、二維樣品臺9和總控制器10，上述元部件的位置關係如下所述的刻寫光源1發出的刻寫光束被光束偏轉器2反射後，經所述的f θ透鏡組 3被所述的光譜分光鏡5反射，最後經所述的物鏡7會聚在位於二維樣品臺9上的待刻樣品8的表面；所述的離焦檢測模塊4發出的調焦光束透過所述的光譜分光鏡5，經所述的物鏡7會聚在待刻樣品8表面，其反射光由原路返回，所述的總控制器10分別與所述的刻寫光源1、光束偏轉器2、離焦檢測模塊4、調焦執行器6、二維樣品臺9相連；所述的光譜分光鏡5與所述的刻寫光束的主軸及所述的調焦光束的主軸均成 45°夾角；所述的調焦位移器6與所述的物鏡7相連，所述的離焦檢測模塊4根據調焦光束的返同光計算所述的物鏡7離焦量並輸入所述的總控制器10，該總控制器10根據所述的離焦檢測模塊4輸入的離焦量向所述的調焦位移器6輸出相應的反饋信號控制所述的調焦位移器6的運動，使待刻樣品8表面始終位於所述的物鏡7的焦深範圍；所述的光束偏轉器2由反射鏡和旋轉驅動器組成，其旋轉軸與反射鏡的反射面平行，該反射面與所述的刻寫光束所在的平面垂直，所述的光束偏轉器2的轉軸與二維樣品臺9的Y軸平行而垂直於X軸；所述的總控制器10根據待刻的光柵結構向所述的光束偏轉器2的旋轉驅動器發出偏轉驅動信號，在旋轉驅動器的驅動下所述的反射面繞旋轉驅動器的轉軸作往復的偏轉運動；所述的f θ透鏡組3與刻寫光束共光軸；所述的二維樣品臺9具有沿其X軸和Y軸的運動機構，在所述的總控制器10的控制下該二維樣品臺9帶動位於其上的待刻樣品8沿X、Y方向高精度運動。刻寫光源1發出的刻寫光束被光束偏轉器2反射後進入f θ透鏡組3，之後被光譜分光鏡5反射，最後經物鏡7會聚在樣品表面對樣品8進行刻寫；離焦檢測模塊4發出的調焦光束透過光譜分光鏡5，經物鏡7會聚在待刻樣品8表面，反射光由原路返回，離焦檢測模塊4根據返回光計算離焦量；待刻樣品8放置在二維樣品臺9上，可沿X、Y方向高精度運動；總控制器10與離焦檢測模塊4、調焦執行器6、刻寫光源1、光束偏轉器2、二維樣品臺9 相連，同時完成自動聚焦控制和刻寫過程同步控制兩方面任務。光束偏轉器2由反射鏡和旋轉驅動器組成，其旋轉軸與反射面平行，與刻寫雷射束所在平面垂直；f θ透鏡組3光軸與刻寫光束主軸平行；光譜分光鏡5與刻寫光束主軸和調焦光束主軸均成45度夾角；光束偏轉器2的轉軸與二維樣品位移臺Y軸平行、X軸垂直。本發明的工作過程如下第一步，反饋調焦在樣品裝夾到二維移動平臺9上後，總控制器10根據離焦檢測模塊4探測到的離焦信號，反饋控制調焦位移器6，使待刻樣品8的表面一直處位於物鏡7的焦深範圍以內。 此過程中刻寫光束並不打開，但在刻寫過程中自動離焦檢測模塊4 一直工作，保證刻寫光束對待刻樣品8的表面準確聚焦。第二步，刻寫一幀光柵如圖2和圖3所示，主控模塊10分別向刻寫光源1發出光脈衝調製信號、向光束偏轉器2發出角度偏轉信號，向二維樣品臺9發出Y方向勻速位移信號，此三信號同步發出。其中光脈衝調製信號與待刻寫光柵形貌相關(此問題將稍後描述)，角度偏轉信號為周期性鋸齒信號。在光束偏轉器2的每個偏轉周期內，刻寫光束都會在樣品8表面X方向上刻寫下一排小點，由於樣品位移臺9在Y方向上勻速位移，所以這一排小點將會在Y方向上連成線，形成光柵。由於每次刻寫的一排小點的最大寬度僅為物鏡的一個視場，尺寸相對較小，所以這樣刻寫出的光柵寬度也相對較小，需要進行下一步操作才能實際應用。第三步，拼接刻寫大範圍光柵在完成第二步刻寫一幀光柵後，主控制器10控制二維樣品臺9在X方向移動一幀光柵的寬度的距離，之後控制二維樣品臺在Y方向反向勻速運動，重複第二步過程，直至完成整片光柵的刻寫。主控制器10發給刻寫光源1的光脈衝調製信號與待刻的光柵的形貌相關，舉例來講，如需要刻寫佔空比為2 3的光柵(如圖2所示)，則光脈衝調製信號的佔空比為2 3 的電信號，這樣在光束偏轉器2的每次偏轉過程中，都會在待刻樣品8上刻寫下一排佔空比為2 3的小點，隨著二維樣品臺9在Y方向的緩慢移動，這些小點連成線，即刻寫出佔空比為2 3的光柵。同樣，若需要刻寫閃耀光柵(如圖3所示)，僅需將光脈衝調製信號更換為鋸齒信號即可，非常方便。
權利要求
1.一種光柵高速直寫裝置，特徵在於其構成包括刻寫光源(1)、光束偏轉器0)、 ·θ透鏡細(3)、離焦檢測模塊(4)、光譜分光鏡(5)、調焦位移器(6)、物鏡(7)、待刻樣品(8)、二維樣品臺(9)和總控制器(10)，上述元部件的位置關係如下所述的刻寫光源(1)發出的刻寫光束被光束偏轉器( 反射後，經所述的f θ透鏡組 (3)被所述的光譜分光鏡( 反射，最後經所述的物鏡(7)會聚在位於二維樣品臺(9)上的待刻樣品(8)的表面；所述的離焦檢測模塊(4)發出的調焦光束透過所述的光譜分光鏡 (5)，經所述的物鏡(7)會聚在待刻樣品(8)表面，其反射光由原路返回，所述的總控制器 (10)分別與所述的刻寫光源(1)、光束偏轉器( 、離焦檢測模塊(4)、調焦執行器(6)、二維樣品臺(9)相連；所述的光譜分光鏡( 與所述的刻寫光束的主軸及所述的調焦光束的主軸均成45° 夾角；所述的調焦位移器(6)與所述的物鏡(7)相連，所述的離焦檢測模塊⑷根據調焦光束的返回光計算所述的物鏡(7)離焦量並輸入所述的總控制器(10)，該總控制器(10)根據所述的離焦檢測模塊(4)輸入的離焦量向所述的調焦位移器(6)輸出相應的反饋信號控制所述的調焦位移器(6)的運動，使待刻樣品⑶表面始終位於所述的物鏡(7)的焦深範圍；所述的光束偏轉器O)由反射鏡和旋轉驅動器組成，其旋轉軸與反射鏡的反射面平行，該反射面與所述的刻寫光束所在的平面垂直，所述的光束偏轉器O)的轉軸與二維樣品臺(9)的Y軸平行而垂直於X軸；所述的總控制器(10)根據待刻的光柵結構向所述的光束偏轉器O)的旋轉驅動器發出偏轉驅動信號，在旋轉驅動器的驅動下所述的反射面繞旋轉驅動器的轉軸作往復的偏轉運動；所述的f θ透鏡組( 與刻寫光束共光軸；所述的二維樣品臺(9)具有沿其X軸和Y軸的運動機構，在所述的總控制器(10)的控制下該二維樣品臺(9)帶動位於其其上的待刻樣品(8)沿X、Y方向高精度運動。
2.根據權利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特徵在於所述的刻寫光源(1)為直接內調製的半導體雷射器，或氣體雷射器和外部光強調製器件構成的光源，或固體雷射器和外部光強調製部件構成的光源，所述的外部光強調製部件為聲光調製器、或電光調製器。
3.根據權利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特徵在於所述的離焦檢測模塊(4)是象散法離焦檢測、刀口法離焦檢測、或二象限離焦檢測模塊。
4.根據權利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特徵在於所述的所述二維位移平臺 (9)是直線電機、步進電機、直流電機、或交流變頻電機所驅動的二維直線平臺。
5.根據權利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特徵在於所述的光束偏轉器(2)為高速光束偏轉器，該高速光束偏轉器的旋轉驅動器為振鏡電機、音圈電機或、壓電陶瓷驅動
全文摘要
一種光柵高速直寫裝置，其構成包括刻寫光源、光束偏轉器、fθ透鏡組、離焦檢測模塊、光譜分光鏡、調焦位移器、物鏡、待刻樣品、二維樣品臺和總控制器。本發明具有刻寫速度快、面積大、可控性好的特點，能直接刻寫出變佔空比、變強度分布的一維光柵，具有廣泛的用途。
文檔編號B23K26/08GK102248284SQ20111014847
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者徐文東, 範永濤, 郝春寧 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所