一种条纹锁定式全息干涉光刻系统及条纹锁定方法与流程

本发明属于信息光学技术领域，涉及一种全息干涉光刻系统。

背景技术：

在拍摄大尺寸的全息光栅时，由于拍摄光强较弱，需要长时间的曝光。但是外界的振动，空气的流动，温度的波动等因素都会使物光和参考光的相对相位发生变化，它们形成的干涉条纹会发生随机漂移，从而使记录条纹的对比度下降。目前的全息光刻系统均无法解决在长时间内干涉条纹漂移问题，因此对于长时间的曝光情况，还需要采取主动隔振的方法来控制干涉条纹的漂移。目前现有的条纹锁定方法：专利号为2006100399676的发明专利公开了线阵ccd拟合条纹锁定法，该方法采用线阵ccd采集参考莫尔条纹，通过拟合法找条纹的波谷，通过控制压电陶瓷，锁定条纹的相位，锁定带宽仅为2~3hz；专利号为2013106933281的发明专利公开了外差法条纹锁定法，利用分光片导出两个子光束，分别用相位接收器接收信号，通过人机交互界面，软件控制变频声光调制器的频率，实时锁定干涉条纹，该方法响应速度比线阵ccd法提高，但是需要软件计算条纹信息，实时性受限于软件与硬件的匹配。特别是在拍摄低噪声全息光栅时，在拍摄过程中需要低速移动曝光记录版，在移动过程中，导轨的振动会造成干涉条纹的抖动快速变化，上述的方法无法在高频的抖动环境下工作，需要快速实时的条纹锁定系统。

技术实现要素：

为解决长时间移动曝光时干涉条纹随机漂移导致记录条纹对比度下降的技术问题，本发明提出一种条纹锁定式全息干涉光刻系统，包括激光器，光束取样光栅，半波片，分束棱镜，第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜，第一声光调制器、第一超声波发生器、第二声光调制器，第二超声波发生器，第一空间滤波器、第二空间滤波器，第一准直透镜、第二准直透镜，待曝光的光栅基板、参考光栅、第一高速光电探测器、第二高速光电探测器、pid控制器、单片机；所述的参考光栅设置在待曝光的光栅基板上，且参考光栅表面与待曝光的光栅基板表面在同一平面内；激光器发出的光经过光束取样光栅，其0级透射衍射光进入分束棱镜分成透射光束和反射光束，其中透射光束经过半波片，再经第一平面反射镜、第二平面反射镜，进入第一声光调制器，第一声光调制器的-1级衍射光进入第一空间滤波器，然后经过第一准直透镜，扩束成平行光，最后投射到待曝光的光栅基板和参考光栅上；反射光束经过第三平面反射镜，进入第二声光调制器，第二声光调制器的-1级衍射光进入第二空间滤波器，然后经过第二准直透镜，扩束成平行光，最后投射到待曝光的光栅基板和参考光栅上；透射光束和反射光束在待曝光的光栅基板表面上干涉，同时透射光束和反射光束的干涉光场在参考光栅上形成一幅虚拟光栅，该虚拟光栅与参考光栅的栅线方向差一个微小的角度，形成莫尔条纹；所述的单片机上设置有第一输入端、第二输入端、参考输入端、输出端；所述的pid控制器上设置有修正信号输入端、输入端、pid信号输出端；第一超声波发生器上设置有频率调制输入端、输出端；第二超声波发生器上设置有输出端；第一声光调制器和第二声光调制器上均设置有输入端；上述的莫尔条纹投射到第一高速光电探测器上，其光强信号同时传输到单片机的第一输入端和pid控制器的传感器信号输入端；激光器发出的光经过光束取样光栅，其1级反射衍射光进入第二高速光电探测器，其光强信号传输到单片机的第二输入端，pid控制器的信号输出端传输至第一超声波发生器的频率调制输入端；第一超声波发生器的输出端与第一声光调制器输入端连接，第二超声波发生器的输出端与第二声光调制器输入端连接，当传送至pid控制器中第一高速光电探测器探测的光强信号变化时，pid控制器输出反馈信号给第一超声波发生器，第一超声波发生器频率相应的改变，第一声光调制器的-1级衍射光的相位发生变化，从而锁定莫尔条纹的相位。单片机上的参考输入端输入采集的莫尔条纹的目标光强，单片机的输出端与pid控制器的修正信号输入端连接；当传送至pid控制器中第一高速光电探测器探测的光强信号变化时，pid控制器输出反馈信号给第一超声波发生器，使第一超声波发生器频率发生改变，使得莫尔条纹向相反方向移动，从而锁定莫尔条纹的相位，即锁定全息干涉条纹相位不变。

上述一种条纹锁定式全息干涉光刻系统的工作原理：在同一个光场中，莫尔条纹的相位信息反应了实时的干涉条纹的相位信息，对上述莫尔条纹相位的锁定，即可锁定干涉条纹的相位。设上述装置中第二超声波发生器的频率为f2，即第二声光调制器的输入频率为固定值f2，第一超声波发生器的频率f1可调，并处于外置信号调频工作状态，即第一声光调制器的输入频率f1随外置信号的变化发生变化，通过改变第一超声波发生器的频率，可以使莫尔条纹发生移动，即干涉条纹的相位发生连续变化。上述的莫尔条纹投射到第一高速光电探测器上，其光强信号同时传输到单片机的第一输入端和pid控制器的传感器信号输入端，通过微调第一超声波发生器的频率f1，使得莫尔条纹发生移动，单片机获得第一高速光电探测器的光强信号的变化范围vrmin~vrmax，取该光强信号的中间值1/2(vrmin+vrmax)作为pid控制器的参考信号，pid控制器高速比较参考信号与第一高速光电探测器实时探测的光强信号，如果两者不相同，pid控制器输出反馈信号给第一超声波发生器改变输出频率，从而改变莫尔条纹的相位，使得第一高速光电探测器检测的莫尔条纹的位置发生变化，即探测的光强信号发生变化，该光强信号又输入到pid控制器中，重复比较pid控制器高速比较参考信号与第一高速光电探测器实时探测的光强信号，pid输出反馈量，直到参考信号与第一高速光电探测器实时探测的光强信号一致，此时莫尔条纹锁定，即干涉条纹锁定。

一种条纹锁定式全息干涉光刻系统条纹锁定方法，包含以下步骤，

步骤一，制作参考光栅：在调节好全息干涉光刻系统曝光光路后，在参考光栅的位置放置待制备的参考光栅基板，设置第一超声波发生器的频率为f1（105mhz~115mhz），设置第二超声波发生器的频率为f2（105mhz~115mhz），保证f1=f2，短时间内对待制备的参考光栅基板进行曝光，显影，将显影后的参考光栅置于原位，调出莫尔条纹，条纹周期间隔为1cm~2cm，将该莫尔条纹投射到第一高速光电探测器中，调节第一高速光电探测器的位置，使得其光敏面位于莫尔条纹暗条纹与亮条纹的中间位置；

步骤二，初始参考信号的设定：设置第一超声波发生器的频率为f1（105mhz~115mhz），设置第二超声波发生器的频率为f2（105mhz~115mhz），保证f1-f2=±10hz，莫尔条纹以10hz的频率平移，第一高速光电探测器的光强信号传输到单片机的第一输入端，单片机记录相应的信号变化范围vrmin~vrmax，同时第二高速光电探测器的信号传输到单片机的第二输入端，单片机记录相应的信号vs0，第二高速光电探测器通过对光束取样光栅的1级反射衍射光能量的监控实现对激光器的输出光功率的监控；因为该部分光的能量与0级透射衍射光的能量之比由光束取样光栅的1级反射衍射光的衍射效率决定，只要光束取样光栅不变，那么第二高速光电探测器的信号就能实时反应出激光器的输出光功率，pid控制器的修正信号输入端的初始参考信号设置为vr0=(vrmin+vrmax)/2，vs0实时监控激光器的光功率变化量，在1s内激光器的光功率变化量可以忽略，那么vr0/vs0是一个常量；

步骤三，pid控制器控制干涉条纹锁定：设置第一超声波发生器的中心频率为f1（105mhz~115mhz），设置第二超声波发生器的频率为f2（105mhz~115mhz）；将第一超声波发生器工作模式设置成外信号调频模式，调制频率为5khz，外信号的输入范围-5v~5v，相应的超声波信号的频率变为f1-5khz~f1+5khz；将第一高速光电探测器的光强信号vs传输到pid控制器的传感器信号端，保持第二高速光电探测器的信号传输到单片机的第二输入端，设置单片机的初始参考输入端为vr0；单片机执行除法与乘法运算，计算出修正的参考信号值vr：vr=（vr0/vs0）*vs，将vr信号传输到pid控制器的参考信号输入端；pid控制器实时比较vs与vr的值，pid控制器的输出信号传输到第一超声波发生器的频率调制输入端，改变超声波频率，第一声光调制器相应的频率发生改变，实时控制全息干涉条纹的相位。

长时间的曝光，激光器的输出光功率会波动，如果pid控制器的参考信号不及时修正，pid控制器会误发出信号，驱动声光调制器，这样会影响条纹锁定的稳定性。由于本技术方案的使用，通过实时修正pid控制器的参考信号，实现了干涉条纹锁定，降低了对环减震条件，装置结构减震条件的苛刻要求，提高了条纹质量。

附图说明

图1为条纹锁定式全息干涉光刻系统示意图；

图2为pid控制器控制干涉条纹锁定流程图；

图3为开环闭环误差电压；

图4为开环闭环误差电压的功率谱密度

其中：1-激光器，2-光束取样光栅，3-半波片，4-分束棱镜，5-第一平面反射镜，6-第二平面反射镜，7-第三平面反射镜，8-第一声光调制器，9-第二声光调制器，10-第一空间滤波器，11-第二空间滤波器，12-第一准直透镜，13-第二准直透镜，14-待曝光的光栅基板，15-参考光栅，16-莫尔条纹，17-第一高速光电探测器，18-第二高速光电探测器，19-单片机，20-pid控制器，21-第一超声波发生器，22-第二超声波发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

实施例一：

一种条纹锁定式全息干涉光刻系统，如图1所示，包括激光器1，光束取样光栅2，半波片3，分束棱镜4，第一平面反射镜5、第二平面反射镜6、第三平面反射镜7，第一声光调制器8、第一超声波发生器21、第二声光调制器9，第二超声波发生器22，第一空间滤波器10、第二空间滤波器11，第一准直透镜12、第二准直透镜13，待曝光的光栅基板14、参考光栅15、第一高速光电探测器17、第二高速光电探测器18、pid控制器20、单片机19；所述的参考光栅设置在待曝光的光栅基板上，且参考光栅表面与待曝光的光栅基板表面在同一平面内；激光器发出的光经过光束取样光栅，其0级透射衍射光进入分束棱镜分成透射光束和反射光束，其中透射光束经过半波片，再经第一平面反射镜、第二平面反射镜，进入第一声光调制器，第一声光调制器的-1级衍射光进入第一空间滤波器，然后经过第一准直透镜，扩束成平行光，最后投射到待曝光的光栅基板和参考光栅上；反射光束经过第三平面反射镜，进入第二声光调制器，第二声光调制器的-1级衍射光进入第二空间滤波器，然后经过第二准直透镜，扩束成平行光，最后投射到待曝光的光栅基板和参考光栅上；透射光束和反射光束在待曝光的光栅基板表面上干涉，同时透射光束和反射光束的干涉光场在参考光栅上形成一幅虚拟光栅，该虚拟光栅与参考光栅形成莫尔条纹16；上述的莫尔条纹投射到第一高速光电探测器上，其光强信号同时传输到单片机的第一输入端和pid控制器的传感器信号输入端；激光器发出的光经过光束取样光栅，其1级反射衍射光进入第二高速光电探测器，其光强信号传输到单片机的第二输入端，pid控制器的信号输出端传输至第一超声波发生器的频率调制输入端；第一超声波发生器的输出端与第一声光调制器输入端连接，第二超声波发生器的输出端与第二声光调制器输入端连接，当传送至pid控制器中第一高速光电探测器探测的光强信号变化时，pid控制器输出反馈信号给第一超声波发生器，第一超声波发生器频率相应的改变，第一声光调制器的-1级衍射光的相位发生变化，从而锁定莫尔条纹的相位，即锁定全息干涉条纹相位不变。

实施例二：

一种条纹锁定式全息干涉光刻系统条纹锁定方法，包含以下步骤，

步骤一，制作参考光栅：在调节好全息干涉光刻系统光路后，在参考光栅的位置放置待制备的参考光栅基板，设置第一超声波发生器的频率为f1（105mhz~115mhz），设置第二超声波发生器的频率为f2（105mhz~115mhz），保证f1=f2，对待制备的参考光栅基板进行曝光，显影，将显影后的参考光栅置于原位，调出莫尔条纹，条纹周期间隔为1cm~2cm，将该莫尔条纹投射到第一高速光电探测器中，调节第一高速光电探测器的位置，使得其光敏面位于莫尔条纹暗条纹与亮条纹的中间位置。

步骤二，初始参考信号的设定：设置第一超声波发生器的频率f1为105mhz~115mhz，设置第二超声波发生器的频率f2为105mhz~115mhz，f1-f2=±10hz，莫尔条纹以10hz的频率平移，第一高速光电探测器的光强信号传输到单片机的第一输入端，单片机记录相应的信号变化范围vrmin~vrmax，同时第二高速光电探测器的信号传输到单片机的第二输入端，单片机记录相应的信号vs0，pid控制器的初始参考信号设置为vr0=(vrmin+vrmax)/2。第二高速光电探测器通过对光束取样光栅的1级反射衍射光能量的监控实现对激光器的输出光功率的监控；因为该部分光的能量与0级透射衍射光的能量之比由光束取样光栅的1级反射衍射光的衍射效率决定，只要光束取样光栅不变，那么第二高速光电探测器的信号就能实时反应出激光器的输出光功率，vs0实时监控激光器的光功率变化量，在1s内激光器的光功率变化量可以忽略，那么vr0/vs0是一个常量。

步骤三，pid控制器控制干涉条纹锁定：工作流程如图2所示，设置第一超声波发生器的中心频率f1为105mhz~115mhz，设置第二超声波发生器的频率f2为105mhz~115mhz；将第一超声波发生器工作模式设置成外信号调频模式，调制频率为5khz，外信号的输入范围-5v~5v，相应的超声波信号的频率变为f1-5khz~f1+5khz；将第一高速光电探测器的光强信号vs传输到pid控制器的传感器信号端，保持第二高速光电探测器的信号传输到单片机的第二输入端，设置单片机的初始参考信号端为vr0；单片机执行除法与乘法运算，计算出修正的参考信号值vr：vr=（vr0/vs0）*vs，将vr信号传输到pid控制器的参考信号输入端；pid控制器实时比较vs与vr的值，pid控制器的输出信号传输到第一超声波发生器的频率调制输入端，改变超声波频率，第一声光调制器相应的频率发生改变，实时控制全息干涉条纹的相位。当第一高速光电探测器探测的光强信号变化时，pid控制器通过比较实时的光强信号与参考光强信号，判断出莫尔条纹移动的方向，此时输出一个反馈信号给第一超声波发生器，使其频率发生改变，使得莫尔条纹向相反方向移动，如此不断的比较与输出反馈信号，使得第一高速光电探测器探测的光强信号保持不变，实现闭环控制。

开环与闭环锁定时第一高速光电探测器输出电压与参考信号的误差电压情况时域和频域如附图3和4所示。在移动曝光时，开环时干涉条纹随机漂移和振动很严重，在这个移动式的曝光环境下，干涉条纹在各个频率的振动都比较大，而在闭环锁定时，干涉条纹稳稳地锁定。

本发明提出了基于pid控制声光调制器的频率信号，自适应的实时条纹锁定方法。采用高速光电探测器探测参考莫尔条纹的中间点的光强信号，另一高速光电探测器实时检测激光器发出光的起伏，实时修正pid的参考信号，无需依赖软件，锁定系统全程由硬件保证，响应速度快，锁定精度高。