一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统

1.本发明涉及激光干涉直写光学头设计领域，具体涉及一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统。


背景技术：

2.在技术飞速发展的今天，激光干涉光刻(lil)已经成为一种新兴的微纳米级结构制备技术，它是一种利用双光束或多光束激光干涉曝光或直写产生周期性微纳结构，这种技术在医疗研究、生物研究、超材料学和仿生学等多方面被广泛应用。激光干涉光刻是在相位差恒定的情况下，频率和振动方向相同的双光束或者多光束发生干涉后产生周期性结构的微纳加工技术。相比于传统掩膜光刻，激光直写技术拥有无需掩膜、精度高、制作效率快、没有污染且成本较低、加工灵活、对基底表面平整度要求较低的优势，有利于制作大面积、高精度的微光学器件。目前，激光直写技术主要应用于集成电路制造，材料表面处理与刻蚀，衍射光学元件加工，微纳原型器件制作等领域。
3.传统的激光干涉加工过程可以通过调节干涉光源的光束数目、光束的夹角、以及光束的能量等参数，实现微米尺度和纳米尺度的多样化周期结构加工。然而，激光干涉加工方法的局限性在于仅能产生固定周期和光场强度分布的干涉场，加工的纳米或微米结构的形貌单一，可调谐性差，难以制备出周期可变的周期性结构。直接激光干涉图案化是一种新兴技术，能够在多种材料上产生微结构和纳米结构的表面。尽管该方法已显示出能够一步一步生产功能化表面的能力，但只有开发出紧凑的系统和解决方案，它才会对实际应用产生影响。中国专利，申请号：201310234223.x，涉及一种分束器件、多光束干涉光路系统，该系统提出一种用在多光束干涉光路系统中的分束器件以及通过该分束器件设计的多光束干涉光路系统。该分束器件上设有多个分束透镜，通过该多个分束透镜实现光束的分束，该光路系统利用分束器件实现多光束干涉，通过分束器件中各个分束器件中各个分束透镜之间的距离调节，可以实现多光束干涉图形的调制
1.。此装置虽然分束效果可调，产生的分束光路不需要采用多个支路进行调整，可以制备具有可控周期的周期性微纳米复合结构，但是无法实现周期的连续动态可调，如果需要制备不同周期的结构，需要更换系统的分束器件才能实现，所搭建的三光束激光干涉系统通过更换分束器件改变周期，不能进行实时调控，加工方法局限在于仅能干涉固定周期的微纳结构，本发明提供的一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统，实现了连续动态可调，在整个加工过程周期连续变化、可在加工的同时实时调节周期，避免了四光束干涉光刻变周期重新搭建光路过程，配合位移台和自动化控制，可实现在位移台行程内大面积多周期微纳图案自动化加工。本系统采用棱镜分光，解决了传统光栅分光在高峰值功率激光光源加工过程中不耐久的问题。
4.参考文献：
5.[1]袁晓峰,陈林森,浦东林.分束器件、多光束干涉光路系统.申请号：
201310234223.x.申请日期：2013-06-13.


技术实现要素：

[0006]
本发明的技术解决问题：克服了现有纳米或微米结构加工的形貌单一、可调谐性差、难以制备出周期可变的周期性结构的不足，提供一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统，实现了周期的连续动态可调，以及加工同时实时调节的特点，避免了复杂变周期加工过程，降低了成本，操纵起来更加灵活多变。
[0007]
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统，包括：激光器(1)，扩束准直镜(2)，可变光阑(3)，反射镜(4)，扩束透镜(5)，准直透镜(6)，分光元件(7)，反射镜(8)，位移台(9)，计算机(10)，汇聚透镜(11)，记录材料(12)和工作台(13)。激光器(1)发出的激光光束经过扩束准直镜(2)准直成一平行光束，入射平行光经可变光阑(3)调节光束强度，光束通过反射镜(4)反射到扩束透镜(5)处进行扩束，再通过准直透镜(6)准直后在分光元件(7)处进行分光，将一束光分成四光束，分光光束交汇后将通过固定在四个位移台(9)上的反射镜(8)分别进行反射，反射成竖直并垂直于透镜的平行光，四束平行光在通过汇聚透镜(11)汇聚，光束汇聚在记录材料(12)上并在相交区域进行干涉，得到干涉图案；可以通过计算机(10)实时控制汇聚棱镜(7)的位置来改变光束的入射角从而改变干涉图案的周期；加工期间保证工作台(13)稳定不动。
[0008]
所述分光系统，分光元件(7)用棱镜分光时，可避免光栅的谱级重叠，消除干扰，通过不同的折射率将平行光分成四束光束，分出的四束光应当保持光程一致，而且在光路中保证光是以平面波的方式传播。
[0009]
所述的位移控制系统，固定在位移台(9)上的四个反射镜(8)，每一个都对应一个位移台，四个位移台连接同一个计算机(10)进行同步控制，通过调节位移台(9)的位置，可以改变光束在汇聚透镜(11)的折射位置，实时改变光束的入射角，光束入射角越小，干涉出的图案结构周期越大；反之，入射角越大，干涉结构的周期越小。
[0010]
所述位移台沿入射光线方向在范围-2.5cm～2.5cm运动，保证光束可以汇聚发生干涉，干涉周期范围0.4μm～15μm。位移台沿入射光线方向运动时，要保证反射镜角度不变，只改变反射镜的位置。
[0011]
所述分光元件用棱镜分光时，可避免光栅的谱级重叠，消除干扰，通过不同的折射率将平行光分成四束光束，分出的四束光应当保持光程一致，而且在光路中保证光是以平面波的方式传播。
[0012]
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：本发明提供了一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统，将激光干涉技术与位移平台相结合制备周期性微纳结构，加工过程采用对位移台的实时调控来控制棱镜的位置，激光打在棱镜的位置不同，干涉的入射角也不同，进而实现对周期的连续动态可调，实现在加工的同时实时调节周期，避免了四光束干涉光刻变周期重新搭建光路过程，配合位移台和自动化控制，可实现在位移台行程内大面积多周期微纳图案自动化加工。本系统采用棱镜分光，解决了传统光栅分光在高峰值功率激光光源加工过程中不耐久的问题。
附图说明
[0013]
图1为本发明激光直写系统结构示意图；
[0014]
图2为本发明激光直写系统反射镜运动示意图；
[0015]
图3为四光束干涉光学头的不同入射角对比结构示意图；
[0016]
图4为四光束干涉点阵图案实验结果图；
[0017]
图5为四光束激光干涉模拟系统与二维光栅强度分布图。
具体实施方式
[0018]
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0019]
如图1所示，一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统，激光器1发出的激光光束经过扩束准直镜2准直成一平行光束，入射平行光经可变光阑3调节光束强度，光束通过反射镜4反射到扩束透镜5处进行扩束，再通过准直透镜6准直后在分光元件7处进行分光，将一束光分成四束光；分光光束交汇后将通过固定在四个位移台9上的反射镜8分别进行反射，反射成竖直并垂直于透镜的平行光，四束平行光在通过汇聚透镜11汇聚，光束汇聚在记录材料12上并在相交区域进行干涉，得到干涉图案；可以通过计算机10实时控制汇聚棱镜7的位置来改变光束的入射角从而改变干涉图案的周期；加工期间保证工作台13稳定不动。在进行加工的同时调节棱镜的位置，实时改变周期，达到周期连续可调的目的。
[0020]
需要指出的是位移台可以实时改变反射镜的位置，位移台控制反射镜的运动方向俯视图如图2所示，可以依据干涉角度的需求进行调节，反射镜的角度不发生改变，只改变反射镜的位置，计算机控制与位移台相连的四个反射镜同步运动。参照图3两个反射镜的位置比对图可知，当反射镜15距离分光棱镜14较远时，分光光束打在透镜的边缘位置，经过汇聚透镜16汇聚后的光束入射角相对较大；当反射镜15距离分光棱镜14较近时，分光光束打在透镜的中心位置，经过汇聚透镜16汇聚后的光束入射角相对较小。在有效范围内调节反射镜的位置可以实时改变分光光束的入射角β，从而实时改变周期，只需要计算机控制位移台进行实时操作，就能够实现周期的连续动态可调，在边加工的同时调周期，大大增强了本发明在加工手段上的实用性。
[0021]
实施例1
[0022]
如图4为利用图1所示的系统得到的四光束干涉点阵图案实验结果图。将激光器发出的激光光束经过准直透镜准直成一平行光束，入射平行光经可变光阑调节光强、经过透镜成像到分光元件棱镜处进行分光，分成四束光，四束激光在汇聚到记录材料的同一点时的夹角为β，调整几何光路，使得四束光均以相同的入射角入射，分光光束交汇后将通过固定在四个位移台上的反射镜分别进行反射，反射成竖直并垂直于透镜的平行光，四束平行光在通过汇聚透镜汇聚，光束汇聚在记录材料上并在相交区域进行干涉，得到干涉图案。四光束单曝光可制备点阵结构，四光束单曝光是四个相干光束同时干涉曝光，因此，在光强极大值点处的曝光强度是双光束双曝光的两倍，四光束的调制性更强，对入射角、空间角设置的精度要求高。从图4(a)中看出微米柱结构的形貌不一致性很明显，由于光路调节的误差和光学器件的不精准造成了入射角、偏振角、方位角调节控制的偏差和每束光入射能量的偏差导致与模拟结果有较大的出入。但是这种不一致的结构在表面润湿性测试应用和光学
减反射表面这类宏观效应中不存在明显问题。(b)为局部结构，可以看出具有较好的周期性。(c)为干涉结构的单个微米柱的形貌图，一系列的物理过程导致了如图所示的微纳复合结构。(d)为高倍扫描电镜下的熔融材料和挥发沉积造成的表面结构。
[0023]
实施例2
[0024]
如图5为利用图1所示的系统得到的四光束点阵模拟结果。将激光器发出的激光光束经过准直透镜准直成一平行光束，入射平行光经可变光阑调节光强、经过透镜成像到分光元件棱镜处进行分光，分成四束光，这四束光两两夹角相同，四束激光在汇聚到记录材料的同一点时的夹角为β，调整几何光路，使得四束光均以相同的入射角入射，分光光束交汇后将通过固定在四个位移台上的反射镜分别进行反射，反射成竖直并垂直于透镜的平行光，四束平行光在通过汇聚透镜汇聚，光束汇聚在记录材料上并在相交区域进行干涉，得到干涉图案。仿真模拟四光束激光干涉制备周期性表面结构，并对其数理模型中所涉及到的干涉光束组合条件以及干涉结果对比度等因素进行研究和分析，验证了数理模型中干涉条件下的曝光结果，并对相干光束不同偏振状态对干涉所得图形结构，以及图形对比度的影响进行了细致的分析。对于四光束激光干涉而言，当入射角度不再对称的时候，不同偏振状态将会得到不同的干涉图形。四光束激光干涉模拟系统通过控制和改变干涉系统的每束光的空间角、入射角、偏振方向等参数，得到复杂多样的周期性微纳米图形结构，在四光束激光干涉模拟系统中，只针对四光束干涉产生得到二维周期性光栅结构的干涉系统进行模拟研究与计算分析，如图5所示，激光器波长为633nm，每束光的强度为1，并设定四束相干光束具有相同的入射角β，其空间角分别为0o、90o、180o和270o，空间分布如图5所示，图中光束1、光束2、光束3和光束4分别表示四束波长相同的相干光，这四束光相对的两束所在的平面与两外两束所在平面彼此正交，并且以相同的角度入射，在干涉场内形成周期性点阵结构。
[0025]
综上所述，本发明提供了一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统。该系统可以实现周期的连续动态可调，实现在加工的同时实时调节周期，避免了复杂变周期加工过程，降低了成本，操纵起来更加灵活多变。
[0026]
以上对本发明提供的一种基于位移台透镜组的四光束棱镜分光的变周期激光干涉制造系统进行了详细介绍，提供以上实例仅仅是为了帮助理解本发明的方法，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定，不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。