专利名称：用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电器件技术领域，特别是涉及一种用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法。
背景技术：
中红外波段半导体激光器显示出在痕量气体检测灵敏度方面较近红外波段激光器高2-4个数量级，是用于环保污染源监控、生物医学诊断、化学化工过程监控、痕量有毒生物化学物质监控，是半导体气体吸收光谱仪的理想光源；此外，中红外波段拥有3-5 μ m 和8-14 μ m两个大气窗口，是大气保密通信的理想光源，而且在光电对抗系统中有重要应用。
痕量气体检测要求中红外半导体激光器在单模下工作。由于应用的需要，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的。分布反馈激光器就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光的反馈来实现纵模选择。DFB激光器的光栅制备是获得高耦合效率、低波导损耗高质量分布反馈激光器的关鍵。对同一周期的光栅，不同的深度、占空比以及光栅轮廓都会影响光栅的耦合效率和波导损耗，从而改变激光器的边模抑制比和输出功率。通常可以用掩模技术、电子束曝光以及全息技术制备光栅。这些光栅制备技术虽成功地用于制备1. 3 μ m和1. 5 μ m近红外波段半导体单模分布反馈激光器光栅，并成为光通信系统的核心器件，在推动光纤通信技术发展中起了极其重要的作用。但对于激射波长在中红外波段的半导体单模分布数反馈激光器，由于其光栅参数有很大变化， 因此用于制备近红外波段激光器光栅的系统无法直接用于制备中红外分布反馈量子级联激光器光栅。通常中红外分布反馈激光器光栅周期的波动范围不能超过lOnm，光栅宽度和精度的要求使得普通的光掩模技术难度大。电子束曝光技术可以达到这一要求，但价格昂贵，使用不方便。因此全息曝光技术在中红外分布反馈激光器的研究中有着广泛的应用。
采用全息曝光技术制备光栅，其原理就是利用两平面相干光波在光刻胶上干涉形成明暗相间的等距条纹，从而曝光形成光栅掩膜。全息曝光系统中的参考光和物光均为相干平行光，多采用同一激光光束扩束后分光得到。全息曝光系统较为复杂，其中主要包括用于调整入射光光路的高反镜，用于扩束和滤光的空间滤波器，用于准直的透镜和用于形成相干干涉的置片台。由于光学元件较多，且全息曝光对光路要求较高，要求参考光和物光均为相干平行光，因此全息曝光光路调整步骤较为复杂。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，能够减小中红外单模激光器制备工艺的复杂性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，包括以下步骤
(1)通过两个高反镜调整全息曝光系统的入射激光的光路，使入射激光进入全息曝光系统；(2)通过一个反射镜确定入射激光器在曝光平台另一侧的入射点和入射角度，利用反射镜确定的入射点和入射角度作为参考，调整空间滤波器和准直透镜，得到一束扩束的平行光；(3)调整置片台，通过置片台的安装，使扩束后的平行光分为两束相干、平行的光束，两光束在置片台上通过干涉形成明暗相间的条纹。所述步骤(1)还包括以下子步骤(11)调整第一高反镜的高度，使第一高反镜的中心位置对准激光器的出射点；然后调整第二高反镜的高度以决定全息曝光系统的入射光的高度；(12)调整第一高反镜的角度，使激光器的出射激光经第一高反镜后入射到第二高反镜的中心位置；(13)调整第二高反镜的角度，使经过第二高反镜反射的激光平行于全息曝光平台。所述步骤( 还包括以下子步骤(21)在相对第二高反镜的另一侧放置反射镜，调整反射镜的高度，使入射激光入射到反射镜的中心位置，标记入射点；然后调整反射镜的角度，使反射光的光路和入射光的光路重合，固定反射镜；(22)调整空间滤波器的高度和位置，使入射激光完全进入空间滤波器的透镜中； 然后调整小孔和透镜的距离，使经空间滤波器的出射光成为均勻放大的光斑；在空间滤波器前方，出射光斑的中心位置放一个光阑，使光阑的中心和出射光斑的中心重合，均勻的光束经光阑后形成一较细的光束；调整空间滤波器的水平方向和垂直方向的倾角，使出射光斑经光阑后入射到反射镜上，入射位置和反射镜上标记的入射点重合，且经过反射镜的反射光和入射光光路重合；(23)确定准直透镜的高度，使准直透镜位于出射光斑的中心；调整准直透镜和空间滤波器的距离，使空间滤波器的出射点位于准直透镜的焦点上，使发散的出射光斑经透镜后成为均勻、准直的平行光束；使光阑中心和透镜中心重合，均勻的平行光束经光阑后形成一较细的光束；微调准直透镜，使平行光束经光阑后入射到反射镜上，入射位置和反射镜标记的原系统入射激光的入射点重合，且经过反射镜的反射光和入射光光路重合。所述步骤C3)包括以下子步骤(31)在置片台一侧装有一个第三高反镜，第三高反镜和置片台相互垂直，将置片台旋转90°，使第三高反镜垂直于入射光束；调整置片台的倾斜角度，使经过光阑的光束垂直入射到第三高反镜上，入射光和反射光重合；(32)调整置片台的位置，在垂直于入射光的方向上水平移动，使入射光束一半入射到高反镜上，一半入射到置片台上，调节置片台的旋转角度，使入射到置片台的物光和经高反镜反射到置片台的参考光在置片台上干涉，形成明暗相间的条纹。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明利用一个反射镜确定系统入射激光的位置和方向，然后逐一调整曝光系统的各个光学元件，使入射激光经过光学元件后的入射位置和方向保持不变，从而保证各光学元件在同一个光路上。利用本发明提供的方法，可以快速调整全息曝光系统各个光学元件的位置和角度，使之保持在同个光路上，从而将从激光器出来的单一细小光束变成均勻、单色性好的、有一定覆盖面积的平行光光束。该光束入射到置片台上，被置片台和置片台上的高反镜均勻分成两束光，两束光在置片台上形成干涉，干涉角度由置片台的旋转角度决定。最终，两束相干光束在置片台干涉形成明暗相间的条纹，条纹间距由干涉角度决定。利用本发明，大大简化了全息曝光系统光路的调整，建立了高质量的全息曝光系统，优化了分布反馈激光器光栅的制备工艺。
图1是本发明中固定反射镜，调整空间滤波器使光路与原光路重合的示意图2是本发明中固定反射镜，调整准直透镜使光路与原光路重合的示意图3是本发明中调整置片台上的高反镜，使反射光和入射光重合的示意图4是利用该全息曝光系统制备的光栅掩膜图5是利用本发明制备的激光器的单模激射光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种快速调整用于中红外激光器的全息曝光系统光路的方法，主要发明内容包括(1)通过两个高反镜调整全息曝光系统的入射激光的光路；(2) 通过一个反射镜确定入射激光器的在曝光平台另一侧的入射点和入射角度，利用反射镜确定的入射点和入射角度作为参考，调整空间滤波器和准直透镜，得到一束扩束的平行光； (3)调整置片台，使分束后的参考光和物光在置片台上形成相干干涉。
1.调整全息曝光系统的入射光光路
调整全息曝光系统的入射光路是整个系统光路调整的关键所在，激光入射光路的高度、方向决定了整个系统光路的基础，入射光的光路经过两个高反镜Ml和M2进入全息曝光系统。
(1)调整高反镜Ml的高度，使其中心位置对准激光器的出射点；然后调整高反镜 M2的高度，其中心位置决定入射光的高度，充分考虑空间滤波器、准直透镜和置片台的可调高度范围，合理确定该高反镜的高度。
(2)调整高反镜Ml的角度，使激光器的出射激光经高反镜Ml后入射到高反镜M2 的中心位置。
(3)调整高反镜M2的角度，使经过高反镜M2反射的激光平行于全息曝光平台。
2.调整空间滤波器和准直透镜
在确定系统的入射光路后，通过一个反射镜，可以快速、有效的确定入射光经过空间滤波器和准直透镜的光路。
(1)首先在相对于第二个高反镜的平台另一侧放置反射镜，调整反射镜M3的高度，使入射激光入射到该反射镜的中心位置，标记入射点；然后调整反射镜M3的角度，使反射光的光路和入射光的光路重合，固定反射镜。(2)安置和调整空间滤波器，如图1所示。首先调整空间滤波器的高度和位置，使入射激光完全进入空间滤波去的透镜中；然后调整小孔和透镜的距离，使经空间滤波器的出射光成为均勻放大的光斑；在空间滤波器前方，出射光斑的中心位置放一个光阑，使光阑的中心和出射光斑的中心重合，均勻的光束经光阑后形成一较细的光束；调整空间滤波器的水平方向和垂直方向的倾角，使出射光斑经光阑后入射到反射镜M3上，入射位置和反射镜M3标记的原系统入射激光的入射点重合，且经过反射镜M3的反射光和入射光光路重合。(3)安置和调整准直透镜，如图2所示。首先确定准直透镜的高度，使准直透镜位于出射光斑的中心；调整准直透镜和空间滤波器的距离，使空间滤波器的出射点位于准直透镜的焦点上，使发散的出射光斑经准直透镜后成为均勻、准直的平行光斑；同时使准直透镜中心和光阑中心重合，均勻的光束经光阑后形成一较细的光束；微调准直透镜，使平行光束经光阑后入射到反射镜M3上，入射位置和反射镜M3标记的原系统入射激光的入射点重合，且经过反射镜M3的反射光和入射光光路重合。3.调整置片台，使分束后的参考光和物光在置片台上形成相干干涉经过空间滤波器和准直透镜，单色性好的激光已经成为均勻、平行的激光光束，通过置片台的安装，使该光束分为两束相干、平行的光束，两光束在置片台上通过干涉形成明暗相间的条纹。(1)在置片台一侧装有一个高反镜，该高反镜和置片台严格垂直。首先将置片台旋转90°，使高反镜垂直于入射光束；在高反镜和准直透镜之间放置有一个光阑，光阑中心位置和光束中心位置重合，均勻的光束经光阑后形成一较细的光束；调整置片台的倾斜角度，使经过光阑的光束垂直入射到高反镜上，入射光和反射光重合，如图3所示。(2)调整置片台的位置，在垂直于入射光的方向上水平移动，使入射光束一半入射到高反镜上，另一半入射到置片台上。调节置片台的旋转角度，使入射到置片台的物光和经高反镜反射到置片台的参考光在置片台上干涉，形成明暗相间的条纹。本发明在全息曝光系统外加一块反射镜，首先利用反射镜标记入射光的入射点， 通过标记的入射点，可以确定系统中每个光学元件的入射光路；利用反射镜形成的反射光形成参考光路，调整系统中的光学元件，使反射光和入射光重合，从而保证经过各光学元件的光路保持不变。下面以中红外全息曝光系统光路的调整进一步说明本发明。中红外全息曝光系统主要用于制备中红外分布反馈量子级联激光器的光栅，光栅周期约在1_1.5μπι。全息曝光系统由单色激光光源、高反镜、空间滤波器、准直透镜和置片台组成，系统光路的调整方法如下(1)为了制备优质的全息光栅，对激光光源的谱线宽度、频率和波长的稳定性都提出很高的要求，因此要求全息曝光系统配置的激光光源的相干长度要高。以激射波长8 μ m 的分布反馈量子级联激光器为例，激光器的分布反馈光栅的周期约为1. 3 μ m，对波长为 441. 6nm的氦镉激光器，两束相干光束的夹角约为20°，此时对一个1英寸的光栅基底，最大的光程差Dmax ^ 0. 85cm,因此氦镉激光器的相干长度必须大于8. 5cm。正是基于这样的考虑，采用的He-Cd IK4151RG激光器的相干长度为10cm，可以充分保证制备1英寸的优质
7全息光栅。
(2)调整两面高反镜的高度和角度，使出射激光进入全息曝光系统，出射激光的高度约为20cm。调整高反镜，使出射激光对准两个反射镜的中心位置，出射激光垂直高度上平行于全息曝光平台，水平方向上要考虑后续光学元件的大小，约位于全息曝光平台的中心线。
(3)在全息曝光平台的另一侧放置一个反射镜，使调整后的系统入射激光对准该反射镜的中心位置，且反射光和入射光完全重合。在反射镜上标记激光的入射点，然后固定反射镜。
(4)安装空间滤波器，空间滤波器的作用是均勻扩束。首先调整空间滤波器的高度和水平方向上的位置，使激光对准空间滤波器的入射透镜；然后调整入射透镜和小孔的间距，获得最大面积的均勻光束；在空间滤波器前放一光阑，光阑调至最小，光阑中心与出射光束中心重合，调整空间滤波器，使通过光阑的出射光束对准平台一侧反射镜的标记位置， 且入射光路和反射光路重合。
(5)安装准直透镜，准直透镜的作用就是将从空间滤波器出来的发散的光束汇聚成平行光束。首先调整透镜的高度和水平位置，使透镜中心位置和光束中心位置重合；调整透镜和空间滤波器的距离，使空间滤波器的出射小孔位于透镜的焦点，透镜将光束汇聚成平行光光束；再将光阑放于透镜前方，光阑中心和透镜中心重合，调整透镜，是通过光阑的光束对准平台一侧反射镜的标记位置，且入射光路和反射光路重合。
(6)拆除平台一侧的反射镜，安装置片台，置片台的作用就是将一束平行光束分成两束相干光束，并使两束相干光在器件表面的光刻胶上通过干涉形成明暗相间的条纹，进行全息曝光。首先调整置片台高度，是光束对准置片台高反镜的中心位置；调整置片台旋转角度和倾斜角度，使入射光垂直入射到高反镜上，入射光路和反射光路重合；旋转置片台， 并调整置片台的水平位置，使入射光束平均分成两部分，一部分入射到高反镜上，并通过高反镜反射到置片台上形成参考光，另一部分入射到置片台上形成物光，参考光和物光在置片台上干涉形成明暗相间条纹，对置片台上的器件进行全息曝光。
利用本发明方法，对全息曝光系统的光路进行了快速的调整。利用该全息曝光系统进行了光栅掩膜的制备，见图4。从图中可以看到，全息曝光形成的光栅掩膜形貌较好，边缘陡直，这也说明利用本发明的方法可以快速、有效的调整全息曝光系统的光路。利用该光栅掩膜在7. 6 μ m量子级联激光器表面制备了分布反馈光栅，图5是该分布反馈激光器的激射光谱图，单模特性较好。
不难发现，本发明利用一个反射镜确定系统入射激光的位置和方向，然后逐一调整曝光系统的各个光学元件，使入射激光经过光学元件后的入射位置和方向保持不变，从而保证各光学元件在同一个光路上。利用本发明提供的方法，可以快速调整全息曝光系统各个光学元件的位置和角度，使之保持在同个光路上，从而将从激光器出来的单一细小光束变成均勻、单色性好的、有一定覆盖面积的平行光光束。该光束入射到置片台上，被置片台和置片台上的高反镜均勻分成两束光，两束光在置片台上形成干涉，干涉角度由置片台的旋转角度决定。最终，两束相干光束在置片台干涉形成明暗相间的条纹，条纹间距由干涉角度决定。利用本发明，大大简化了全息曝光系统光路的调整，建立了高质量的全息曝光系统，优化了分布反馈激光器光栅的制备工艺。
权利要求
1.一种用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，其特征在于，包括以下步骤(1)通过两个高反镜调整全息曝光系统的入射激光的光路，使入射激光进入全息曝光系统；(2)通过一个反射镜确定入射激光器在曝光平台另一侧的入射点和入射角度，利用反射镜确定的入射点和入射角度作为参考，调整空间滤波器和准直透镜，得到一束扩束的平行光；(3)调整置片台，通过置片台的安装，使扩束后的平行光分为两束相干、平行的光束，两光束在置片台上通过干涉形成明暗相间的条纹。
2.根据权利要求1所述的用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括以下子步骤(11)调整第一高反镜的高度，使第一高反镜的中心位置对准激光器的出射点；然后调整第二高反镜的高度以决定全息曝光系统的入射光的高度；(12)调整第一高反镜的角度，使激光器的出射激光经第一高反镜后入射到第二高反镜的中心位置；(13)调整第二高反镜的角度，使经过第二高反镜反射的激光平行于全息曝光平台。
3.根据权利要求1所述的用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，其特征在于，所述步骤( 还包括以下子步骤(21)在相对第二高反镜的另一侧放置反射镜，调整反射镜的高度，使入射激光入射到反射镜的中心位置，标记入射点；然后调整反射镜的角度，使反射光的光路和入射光的光路重合，固定反射镜；(22)调整空间滤波器的高度和位置，使入射激光完全进入空间滤波器的透镜中；然后调整小孔和透镜的距离，使经空间滤波器的出射光成为均勻放大的光斑；在空间滤波器前方，出射光斑的中心位置放一个光阑，使光阑的中心和出射光斑的中心重合，均勻的光束经光阑后形成一较细的光束；调整空间滤波器的水平方向和垂直方向的倾角，使出射光斑经光阑后入射到反射镜上，入射位置和反射镜上标记的入射点重合，且经过反射镜的反射光和入射光光路重合；(23)确定准直透镜的高度，使准直透镜位于出射光斑的中心；调整准直透镜和空间滤波器的距离，使空间滤波器的出射点位于准直透镜的焦点上，使发散的出射光斑经透镜后成为均勻、准直的平行光束；使光阑中心和透镜中心重合，均勻的平行光束经光阑后形成一较细的光束；微调准直透镜，使平行光束经光阑后入射到反射镜上，入射位置和反射镜标记的原系统入射激光的入射点重合，且经过反射镜的反射光和入射光光路重合。
4.根据权利要求1所述的用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，其特征在于，所述步骤C3)包括以下子步骤(31)在置片台一侧装有一个第三高反镜，第三高反镜和置片台相互垂直，将置片台旋转90°，使第三高反镜垂直于入射光束；调整置片台的倾斜角度，使经过光阑的光束垂直入射到第三高反镜上，入射光和反射光重合；(32)调整置片台的位置，在垂直于入射光的方向上水平移动，使入射光束一半入射到高反镜上，一半入射到置片台上，调节置片台的旋转角度，使入射到置片台的物光和经高反镜反射到置片台的参考光在置片台上干涉，形成明暗相间的条纹。
全文摘要
本发明涉及一种用于中红外分布反馈光栅制备的全息曝光光路调整方法，包括以下步骤通过两个高反镜调整全息曝光系统的入射激光的光路，使入射激光进入全息曝光系统；通过一个反射镜确定入射激光器在曝光平台另一侧的入射点和入射角度，利用反射镜确定的入射点和入射角度作为参考，调整空间滤波器和准直透镜，得到一束扩束的平行光；调整置片台，通过置片台的安装，使扩束后的平行光分为两束相干、平行的光束，两光束在置片台上通过干涉形成明暗相间的条纹。本发明能够减小中红外单模激光器制备工艺的复杂性。
文档编号G02B27/09GK102540475SQ201210049218
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者丁惠凤, 张永刚, 曹远迎, 李好斯白音, 李爱珍, 李耀耀 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所