全息光栅周期高精度在线测量与调节装置的制作方法

本发明涉及一种全息光栅周期的测量装置，特别是一种通过参考光栅同轴干涉和扫描探测，实现全息干涉光栅场的高精度在线测量与调节的装置。

背景技术：

光栅是一种基础光学元件，由于光栅优越的色散特性以及分光能力，在高能激光、精密测量、三维显示、人脸识别、生物医疗检测以及天文观测等领域发挥着重要的作用。随着工业制造水平的提升，以及科学研究的发展，跨尺度光栅的需求更加迫切，光栅加工的尺寸越来越大，光栅密度也越来越高。例如，在拍瓦超高功率激光系统中，为了实现更高能量的脉冲激光输出，需要米级以上的大尺寸脉冲压缩光栅作为支撑；另一方面，在x射线的许多应用场合中光栅密度要求在数千甚至上万线每毫米，这些新的要求对光栅制造和检测技术提出了严峻的挑战。

周期是光栅最重要的参数之一，如何制造出与设定周期高度一致的光栅决定了其应用性能，目前在许多光栅应用领域对光栅周期的精度要求达到了亚纳米甚至皮米量级。以光栅尺为例，无论是基于莫尔条纹的低密度光栅，还是基于分束干涉的高密度光栅，都是以光栅周期作为测量基准。光栅周期的不确定性会导致较大的测量误差，即使可以通过与激光干涉仪比对消除周期偏离的线性误差，由于光栅周期的不均匀性导致的非线性误差也很难完全校正。特别是在高端光刻机中，高精度二维光栅尺作为位移控制的重要手段，其误差通常优于1nm，这对光栅周期的精确标定提出了非常苛刻的要求。另外，光栅周期的高精度测量在光纤光栅等应用领域也很重要，为了实现光谱的精确匹配，一般光纤光栅位相版的周期精度在0.01nm量级，同时啁啾光栅的啁啾量意味着光栅周期的缓慢变化，通常也需要达到亚纳米每毫米的控制水平。

为了实现光栅周期的高精度测量，最直接的方法是将一束激光垂直入射到光栅表面，根据光栅方程p＝mλ/sinθ，激光将被衍射到不同的级次上，利用几何方法，测量衍射角就可以推算出光栅周期的值。当测量距离足够长，可以实现光栅周期的亚纳米标定。但是该方法需要先将光栅加工出来才能测量，如果和设定周期不一致，则要重新调整加工参数，并重复加工-测量-调整的流程，成本很高，效率却极低。

在先技术【c.g.chen,etc.“imagemetrologyandsystemcontrolsforscanningbeaminterferencelithography,”journalofvacuumscience&technologyb19,2335-2341(2001).】中，根据扫描干涉光刻技术(scanningbeaminterferencelithography，sbil)的特点，mit科研人员dr.carlchen等人提出了基于分束棱镜的在线光栅周期测量方法。扫描干涉光刻技术是一种激光直写光栅技术，利用两束小光斑干涉产生的光栅场，通过重叠扫描的方法实现大面积光栅的加工。在该技术中，通过引入一块分束棱镜，将两干涉光束组合成一束光并导入光电探测器中，当移动分束棱镜时，合成光束的光强会发生周期性的变化，对应的移动距离就是光栅场的周期。该技术通过测量几千次光强周期变化(对应几个毫米的光斑)，使得测量误差降低了几千倍，因此实现了皮米量级的光栅周期在线测量。

在文献【xiansongxiang,etc.“precisionfringeperiodmetrologyusinglsqsinefitalgorithm,”appliedoptics57，4777-4784(2018).】中，xiansongxiang等人对mit方法进行了改进，通过设计新型的干涉棱镜，简化了信号的导出和采集系统，同时利用最小二乘法拟合光栅周期，同样实现了皮米量级的光栅周期测量。

除了激光直写加工光栅技术以外，全息干涉也是加工光栅的重要手段。然而上述这种光栅在线测量方法不能应用于全息光栅加工系统中，最主要的问题是全息曝光系统中光栅场非常大，通常由几百毫米，如果利用分束棱镜进行合束，只能得到很小范围内的光强变化，无法得到整个光栅场的周期分布。在先技术【李文昊等，“莫尔条纹法精确控制全息光栅光栅常数的研究”，仪器仪表学报，34，2867-2873(2013)。】中，李文昊等人提出了基于参考光栅的周期标定方法，通过在曝光区域放置参考光栅，由全息光栅场与参考光栅产生莫尔条纹，条纹密度可以显示出全息光栅场与参考光栅周期的偏差，条纹越稀疏，周期偏差越小，当莫尔条纹消失，只有全明或全暗的光强分布时，说明全息光栅周期与参考光栅一致。该技术理论上可以达到亚纳米的标定精度，并且可以测量全息光栅场的波面差，但仍然存在诸多问题。首先，参考光栅的不同姿态会影响莫尔条纹的密度和方向，也就是说莫尔条纹并不能直接反应光栅周期的偏差，极有可能是参考光栅三维姿态调整的误差，因此测量的精度会大打折扣；其次，参考光栅作为测量标准，各项指标要求非常高，包括其周期值、光栅波面以及基片平面度等；另外，大面积测量需要同样尺度的高质量参考光栅，这对于大尺寸光栅测量是很大的挑战。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种全息光栅周期高精度在线测量与调节装置。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种全息光栅周期高精度在线测量与调节装置，所述的装置包括：

双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场，调节干涉场的光栅周期和波面，并能够实现精密的周期调节；

参考光栅9，用于将两束光的某个衍射级次重合，产生同轴干涉，从而形成稳定的干涉场；

光电探测器11，用于接收干涉场的光强信息；

激光干涉仪13和反射镜14，用于高精度测量移动平台的位移；

高精度一维移动平台12，用于实现参考光栅9与光电探测器11以及激光干涉仪13和反射镜14的移动；

同步控制、数据采集与处理系统，用于控制光电探测器11采集强度信息，高精度一维移动平台12的一维运动以及激光干涉仪13的位移测量始终保持同步，并通过数字处理计算光栅周期，在高精度一维移动平台12运动过程中，光电探测器11记录的信息为周期性变化的光强，光强明暗变化次数为n，激光干涉仪13测量得到的位移为l，则计算得到全息光栅周期为p＝l/n。

进一步地，所述的双光束全息干涉光路包括：全息激光器1、分束镜2、两套对称放置的第一反射镜3和第二发射镜4、第一滤波物镜5和第二滤波物镜6、第一准直透镜7和第二准直透镜8，以及位于光栅条纹场中的基片装调架，所述的基片装调架上固定有参考光栅9，其中，全息激光器1输出稳定相干的紫外光束，通过分束镜2均匀分成两束，并利用第一反射镜3和第二反射镜4分别引入到对称放置的第一滤波物镜5和第二滤波物镜6中，经过扩束的两束光最后分别通过第一准直透镜7和第二准直透镜8成为平行光，相交于参考光栅9上，形成高密度的全息光栅条纹场。

进一步地，所述的第一准直透镜7和第二准直透镜8固定在二维精密平移台基座上，通过调节准直透镜的横向位置，实现连续调节准直光束的出射方向，从而使得两束光干涉的角度发生连续的变化，于是光栅周期也随之连续变化，通过调节准直透镜的轴向位置，实现不同程度的离焦量，使得出射光束由平行光变成具有轻微发散或汇聚的球面波，从而改变两束光干涉周期的空间分布。

进一步地，所述的参考光栅9和光电探测器11之间的光路上设置有小孔光阑10，通过小孔光阑10的约束，光电探测器11所采集信息为同轴干涉光场的一小部分，小于干涉条纹周期的二分之一。

进一步地，所述的光电探测器11是光电倍增管或者ccd电荷耦合器件。

进一步地，所述的参考光栅9为透射式或反射式，其密度与全息干涉光场周期一致，或者与全息干涉光场周期成倍数关系。

进一步地，所述的激光干涉仪13、反射镜14和所述的参考光栅9、光电探测器11同时固定在高精度一维移动平台12上，并且，所述的反射镜14与参考光栅9位于同一水平面，同时所述的激光干涉仪13出射的激光与高精度一维移动平台12运动方向一致，并与参考光栅9处于同一平面内。

进一步地，所述的同步控制、数据采集和处理系统通过工控机15实现，并经过板卡、控制器和数据线将光电探测器11、激光干涉仪13以及高精度一维移动平台12连接，并利用计算机指令实现对不同设备的同步控制。

进一步地，所述的全息激光器1采用紫外激光器，所述的分束镜2采用半透半反镜。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明提出了基于参考光栅合束干涉，同时利用高精度位移平台和激光干涉仪扫描光栅场，实现全息光栅周期的高精度在线测量。与现有技术中的参考光栅不同，所用的参考光栅并没有严格的质量要求，其光栅周期与全息光栅场的差别，以及波面差、平面度等均不影响最终的测量结果。参考光栅的作用是将两束全息相干光组合成一束，形成同轴干涉，通过对全息光栅场的扫描，产生周期性的强度变化，进而精确推算出全息光栅周期。同时，该装置通过二维高精度移动准直透镜，能够实现全息光栅场的周期精细调节。作为既可以测量又能够调节的在线光栅周期高精度标定技术，其显著提高了光栅加工的精度，同时也提高的加工效率，因此该发明在制造高精度全息光栅，如二维平面光栅尺、光纤光栅位相板、啁啾光栅以及凹面光栅中将有可能取得重要应用。

附图说明

图1是本发明中全息光栅周期高精度在线测量与调节装置的结构示意图；

图2(a)是利用准直透镜的横向移动调节光栅周期示意图；

图2(b)是利用准直透镜的轴向移动调节光栅波面示意图；

图3(a)是同周期透射式参考光栅的测量结构示意图；

图3(b)是倍周期透射式参考光栅的测量结构示意图；

图3(c)是倍周期反射式参考光栅的测量结构示意图；

图4是本发明中具体实施范例周期测量示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开一种全息光栅周期高精度在线测量与调节装置，包括：双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场，并能够实现精密的周期调节；参考光栅和光电探测器，参考光栅用于将两束光的某个衍射级次重合，产生同轴干涉，从而形成稳定的干涉场，光电探测器用于接收干涉场的光强信息；高精度一维移动平台及激光干涉仪系统，高精度一维移动平台用于实现光栅与光电探测器的移动，激光干涉仪用于高精度测量移动台位移；同步控制、数据采集与处理系统，控制光电探测器采集强度信息，移动平台的一维运动以及激光干涉仪系统的位移测量始终保持同步，并通过数字处理计算光栅周期。该装置可以满足全息光栅周期的高精度在线测量需求，同时还可以高精度在线调节光栅周期，因此将在高精度光栅加工中具有重要的应用价值。

该装置主要包括全息干涉系统，同轴干涉记录系统，高精度一维移动和位移测量系统，以及同步控制、数据采集和处理系统。如图1所示，全息光栅周期高精度测量及调节装置主要由全息激光器1、分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第一滤波物镜5、第二滤波物镜6、第一准直透镜7、第二准直透镜8、参考光栅9、小孔光阑10、光电探测器11、高精度一维移动平台12、激光干涉仪13、反射镜14和工控机15等组成。

全息干涉系统为双光束全息干涉光路，用于产生高密度的光栅条纹场，并可以精细调节光栅场周期和波面。具体包括：全息激光器1、分束镜2、两套对称放置的第一反射镜3和第二发射镜4、第一滤波物镜5和第二滤波物镜6、第一准直透镜7和第二准直透镜8，以及位于光栅条纹场中的光刻基片装调架(图中放置了参考光栅9)。其中，全息激光器1输出稳定相干的紫外光束，通过分束镜2均匀分成两束，并利用第一反射镜3和第二反射镜4分别引入到对称放置的第一扩束装置5和第二扩束装置6中，经过扩束的两束光最后分别通过第一准直透镜7和第二准直透镜8成为平行光，相交于光刻基片装调架上，形成高密度的全息光栅条纹场，所述的第一准直透镜7和第二准直透镜8安装在二维精密平移台基座上。

该全息干涉系统同时能够实现高精度的光栅周期调节，方法是通过二维移动第一准直透镜7和第二准直透镜8，可以改变出射光束的方向或者波面，从而改变干涉场的周期。以其中一束光为例，如图2所示，第一准直透镜7固定在二维精密平移台基座上，第一扩束装置5固定不动，通过调节第一准直透镜7的横向位置(图2(a))，实现连续调节准直光束的出射方向，从而使得两束光干涉的角度发生连续的变化，于是光栅周期也随之连续变化。通过调节第一准直透镜7的轴向位置(图2(b))，可以实现不同程度的离焦量，使得出射光束由平行光变成具有轻微发散或汇聚的球面波，从而改变两束光干涉周期的空间分布。利用该方法能够精密调节光栅周期，并可以实现变周期的光栅场，用于啁啾光栅等特殊光栅的加工。

同轴干涉记录系统是本发明的核心部分，包括参考光栅9、小孔光阑10和光电探测器11。参考光栅9放置于干涉光场的基片调整架上，目的是为了使全息光路中两束光的某个衍射级次重合，实现同轴干涉。通过调节参考光栅姿态，可以使干涉条纹变得非常稀疏，然后通过光电探测器11采集干涉场强度信息。光电探测器11可以是光电倍增管，也可以是ccd等光敏器件。通过小孔光阑10的约束，光电探测器11所采集信息为同轴干涉光场的一小部分，小于干涉条纹周期的二分之一。

参考光栅9为透射式或反射式，其密度与全息干涉光场周期一致，或者与全息干涉光场周期成倍数关系。如图3所示，根据不同的参考光栅种类，需要采用不同的测量结构，图3(a)中参考光栅9为透射式，光栅密度与全息光栅一致，图3(b)中参考光栅9为透射式，光栅密度为全息光栅的一半，图3(c)中参考光栅9为反射式，光栅密度为全息光栅的一半，本发明技术方案包括但不限于图3所示的几种测量结构。该参考光栅的加工方法很多，可以利用机械刻划、电子束直写、激光直写等技术得到，也可以在待测全息系统中曝光直接形成，其周期与全息干涉光场的周期轻微差别不影响最终的测量结果。

高精度一维移动和位移测量系统实现对全息光栅场的扫描测量，包括高精度一维移动台12、激光干涉仪13和反射镜14。高精度一维移动台12具有良好的运动性能，直线性通常优于1微米，其运动方向与全息干涉光栅的条纹方向垂直。高精度一维移动平台12承载参考光栅9、小孔光阑10和光电探测器11一起运动，实现对全息干涉光场的扫描探测。

高精度一维移动平台12上同时固定激光干涉仪13的反射镜14，用于测量移动平台的运动距离，激光干涉仪13的激光器和参考镜固定在与全息干涉系统同一平台上。激光干涉仪13和反射镜14应与参考光栅9位于同一水平面，同时激光干涉仪13出射的激光与高精度一维移动平台12运动方向一致，并与参考光栅9处于同一平面内，避免阿贝误差的影响。在高精度一维移动平台12运动过程中，光电探测器11记录的信息为周期性变化的光强，对应于激光干涉仪13测量的位置，包含了全息光栅场的周期信息。

同步控制、数据采集和处理系统通过工控机15实现，并经过板卡、控制器和数据线等将光电探测器11，激光干涉仪13以及高精度一维移动平台12连接，并利用计算机指令实现对不同设备的同步控制。高精度一维移动平台12开始运动的同一时刻，光电探测器11和激光干涉仪13开始记录数据，高精度一维移动平台12停止运动的同一时刻，光电探测器11和激光干涉仪13停止记录数据。工控机15在完成数据采集后，将通过算法实现对数据的处理，计算得到全息干涉光栅的周期。

通过高精度一维移动平台12的扫描，光电探测器11记录了同轴干涉光强的时间变化序列，光强变化次数为n，同时激光干涉仪测量得到的位移为l，则可以计算得到全息光栅周期为p＝l/n，位移测量的精度和光强变化次数的计算误差，决定了光栅周期的精度，通过记录几千上万次的光强变化，能够大幅度降低测量误差，实现皮米量级的光栅周期标定。

实施例二

本发明公开了一种全息光栅周期高精度在线测量与调节装置，根据全息光栅周期和器件选择的不同，可以有多种实施方法。

在本实施例中，拟测量并调节的全息光栅周期为833.333nm(1200线/毫米)，全息光束的夹角为30.6864度。采用的全息光源是氦镉激光器(kimmon，型号为ik4171i-g)，波长为441纳米，激光输出功率为180mw。通过半透半反镜将入射光以1：1的能量比分成两束，然后照射在两片镀银反射镜上，调节反射镜的角度，使光束光对称相交，同时夹角接近30.7度。在两光束中对称放置滤波物镜以及准直透镜装置，通过剪切干涉仪判断出射的光束为平行光。其中准直透镜安装在高精度二维移动平台上，透镜焦距1.5米，二维移动平台调节精度0.01mm，根据几何光学的简单推算，可以得到全息光栅周期的最小变化约为0.01nm，从而实现了高精度的光栅周期调节。

将pi高精度一维移动平台水平放置于全息干涉光场中，移动平台上固定基片调整架，以及激光干涉仪(angilent，型号为5530，双频干涉仪)的反射镜，反射镜和基片调整架处于同样竖直平面内。调节反射镜和激光干涉仪的入射激光，使测量方向与移动平台运动方向一致。本实施例中将采用密度与全息光场相同的参考光栅进行测量，参考光栅通过直接曝光得到。把经过匀胶处理的待曝光基片放置于基片调整架上，并调节基片使其曝光面与移动方向一致，基片匀胶厚度280nm，曝光时间40秒。经过显影和后烘干，完成了参考光栅的制作。

如图4所示，将参考光栅重新放置于基片调整架上，调节参考光栅姿态，使左边光束的零级与右边光束的负一级方向一致。两束光将发生同轴干涉，形成较稀疏的干涉条纹，微调基片调整架，使干涉条纹数最少，通常条纹周期约10mm以上。将光电探测器固定在图4所示的位置，调整小孔光阑大小，使小于半个条纹周期的能量进入光电探测器。

将激光干涉仪、光电探测器以及高精度一维移动平台通过控制器和板卡连接工控机。通过计算机指令控制高精度一维移动平台匀速运动，同时激光干涉仪和光电探测器开始采集数据。激光干涉仪采集的是随时间变化的位移信息，光电探测器采集的是随时间变化的光强信息，两者通过时钟信号对应，从而得到随位移变化的光强信息。该信息具有周期性变化的特点，理想情况下为正弦形曲线，由于测量误差和环境震动的影响，该曲线会发生变形，通过大量数据的采集处理可以精确测量得到周期变化的次数n，同时对应的激光干涉仪测量位移为l，则可以推算出全息光栅的周期为p＝l/n。另外，也可以对信号曲线进行正弦拟合，同样能够得到高精度光栅周期。本实施例中位移选择100mm，首次测量得到的光栅周期为838nm，与设定光栅周期相差较大，通过横向调节准直透镜，逼近全息光栅周期至设定值附近。最终本实施例20次测量结果平均为833.334nm，最大值833.351nm，最小值833.323nm，均方差为5.6pm。

本实施例表明，全息光栅周期高精度在线测量与调节技术是可行的，测量和调节精度达到了皮米量级，测量和调节方法简单高效，用于现有的全息光栅加工系统，能够显著提高光栅性能，满足周期高精度可控的光栅加工和应用需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。