專利名稱：光柵高速直寫裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光柵，特別是一種光柵高速直寫裝置。
背景技術(shù)：
光柵是一種重要的光學(xué)元件，可在光譜分析、物理學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、光通訊等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。近些年來，隨著光學(xué)理論和微納加工技術(shù)的發(fā)展，各種非簡單周期結(jié)構(gòu)的光柵逐漸被設(shè)計出來，并獲得了廣泛應(yīng)用，如達(dá)曼光柵、閃耀光柵、復(fù)周期光柵等，這些光柵不同于一般的正弦或1 1矩形光柵，其周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而有些甚至不是周期性結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的光柵加工方式是全息曝光或機(jī)械刻劃，前者只能加工周期性光柵，對非周期的復(fù)雜光柵無能為力，后者加工精度低、加工速度慢，無法滿足實際應(yīng)用需要。在先技術(shù)中，發(fā)明專利“用激光直寫裝置制造光柵的方法”(公開號CN14M594A)提出了一種用激光直寫裝置來刻寫光柵的方法，該方法解決了復(fù)雜非周期光柵的刻寫問題，并簡化了制造光柵的硬件工序，具有一定的實用性，然而并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(dá)55. 6小時，這是難以忍受的，過長的加工時間不僅導(dǎo)致加工成本劇增，而且?guī)頍崞?、激光器壽命等諸多技術(shù)問題，所以這種方法僅適合加工低密度、小范圍的光柵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)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復(fù)雜一維結(jié)構(gòu)分布的光柵，同時具備科研和生產(chǎn)兩方面的用途，具有較高的實用價值。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種光柵高速直寫裝置，特點(diǎn)征在于其構(gòu)成包括刻寫光源、光束偏轉(zhuǎn)器、f θ透鏡組、離焦檢測模塊、光譜分光鏡、調(diào)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(guān)系如下所述的刻寫光源發(fā)出的刻寫光束被光束偏轉(zhuǎn)器反射后，經(jīng)所述的f θ透鏡組被所述的光譜分光鏡反射，最后經(jīng)所述的物鏡會聚在位于二維樣品臺上的待刻樣品的表面；所述的離焦檢測模塊發(fā)出的調(diào)焦光束透過所述的光譜分光鏡，經(jīng)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(zhuǎn)器、離焦檢測模塊、調(diào)焦執(zhí)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(diào)焦光束的主軸均成45° 夾角；所述的調(diào)焦位移器與所述的物鏡相連，所述的離焦檢測模塊根據(jù)調(diào)焦光束的返回光計算所述的物鏡離焦量并輸入所述的總控制器，該總控制器根據(jù)所述的離焦檢測模塊輸入的離焦量向所述的調(diào)焦位移器輸出相應(yīng)的反饋信號控制所述的調(diào)焦位移器的運(yùn)動，使待刻樣品表面始終位于所述的物鏡的焦深范圍；
所述的光束偏轉(zhuǎn)器由反射鏡和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器組成，其旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)軸與二維樣品臺的Y軸平行而垂直于X軸；所述的總控制器根據(jù)待刻的光柵結(jié)構(gòu)向所述的光束偏轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器發(fā)出偏轉(zhuǎn)驅(qū)動信號，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的驅(qū)動下所述的反射面繞旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)軸作往復(fù)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動機(jī)構(gòu)，在所述的總控制器的控制下該二維樣品臺帶動位于其上的待刻樣品沿X、Y方向高精度運(yùn)動。所述的刻寫光源為直接內(nèi)調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，或氣體激光器和外部光強(qiáng)調(diào)制器件構(gòu)成的光源，或固體激光器和外部光強(qiáng)調(diào)制部件構(gòu)成的光源，所述的外部光強(qiáng)調(diào)制部件為聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器。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(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、或交流變頻電機(jī)所驅(qū)動的二維直線平臺。所述的光束偏轉(zhuǎn)器為高速光束偏轉(zhuǎn)器，該高速光束偏轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器為振鏡電機(jī)、音圈電機(jī)或、壓電陶瓷驅(qū)動器?？虒懝庠窗l(fā)出的平行刻寫激光束，經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)器反射后，進(jìn)入f θ透鏡組，被光譜分光鏡反射后進(jìn)入物鏡，并最終會聚在樣品表面對樣品進(jìn)行刻寫。離焦檢測模塊位于光譜分光鏡的另一側(cè)，其發(fā)出的光束透過光譜分光鏡，并進(jìn)入物鏡，到達(dá)待刻樣品表面后被反射，反射光沿原路返回，離焦檢測模塊接收該信號并據(jù)其計算離焦量。調(diào)焦位移器連接在物鏡上，可驅(qū)動物鏡沿Z方向微動進(jìn)行調(diào)焦；待刻樣品位于二維樣品臺上。總控制器分別與離焦檢測模塊、調(diào)焦位移器、光源模塊、光束偏轉(zhuǎn)器、二維樣品臺相連，主要完成兩方面任務(wù)一是根據(jù)離焦檢測模塊得到的離焦信息，反饋控制調(diào)焦位移器的伸長量，使得在刻寫過程中樣品表面始終位于物鏡的焦深范圍以內(nèi)；二是在刻寫過程中，向光源模塊和光束偏轉(zhuǎn)器同步發(fā)送調(diào)制信號和偏轉(zhuǎn)信號，并控制二維樣品臺勻速運(yùn)動，在樣品表面刻寫下所需預(yù)期圖形。在實際刻寫光柵過程中，主控制器向光束偏轉(zhuǎn)器發(fā)送高速偏轉(zhuǎn)信號，并同步向刻寫光源發(fā)送激光脈沖調(diào)制信號，這樣光束偏轉(zhuǎn)器每偏轉(zhuǎn)一次，激光束即在樣品的X方向上刻寫出一排按照預(yù)先設(shè)定分布的小點(diǎn)； 與此同時，二維樣品臺帶動待刻樣品在Y方向上低速移動，于是一排小點(diǎn)就如一把梳子劃過樣品，在樣品上刻寫出多條線條，形成大范圍分布的光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果如下；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了高速光束偏轉(zhuǎn)器控制光束的偏轉(zhuǎn)，使得在二維樣品臺一次位移過程中，系統(tǒng)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(diào)整總控制器發(fā)送給刻寫光源的光脈沖調(diào)制信號的形狀，可以非常方便地調(diào)節(jié)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(fā)明具有刻寫速度快、面積大、可控性好的特點(diǎn)，能直接刻寫出變占空比、變強(qiáng)度分布的一維光柵，具有廣泛的用途。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明刻寫占空比為2 3的光柵的信號示意圖。圖3為本發(fā)明刻寫閃耀光柵的信號示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明光柵高速直寫裝置的構(gòu)成包括刻寫光源1、光束偏轉(zhuǎn)器2、f θ透鏡組3、離焦檢測模塊4、光譜分光鏡5、 調(diào)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(guān)系如下所述的刻寫光源1發(fā)出的刻寫光束被光束偏轉(zhuǎn)器2反射后，經(jīng)所述的f θ透鏡組 3被所述的光譜分光鏡5反射，最后經(jīng)所述的物鏡7會聚在位于二維樣品臺9上的待刻樣品8的表面；所述的離焦檢測模塊4發(fā)出的調(diào)焦光束透過所述的光譜分光鏡5，經(jīng)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(zhuǎn)器2、離焦檢測模塊4、調(diào)焦執(zhí)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(diào)焦光束的主軸均成 45°夾角；所述的調(diào)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(jù)調(diào)焦光束的返同光計算所述的物鏡7離焦量并輸入所述的總控制器10，該總控制器10根據(jù)所述的離焦檢測模塊4輸入的離焦量向所述的調(diào)焦位移器6輸出相應(yīng)的反饋信號控制所述的調(diào)焦位移器6的運(yùn)動，使待刻樣品8表面始終位于所述的物鏡7的焦深范圍；所述的光束偏轉(zhuǎn)器2由反射鏡和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器組成，其旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器2的轉(zhuǎn)軸與二維樣品臺9的Y軸平行而垂直于X軸；所述的總控制器10根據(jù)待刻的光柵結(jié)構(gòu)向所述的光束偏轉(zhuǎn)器2的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器發(fā)出偏轉(zhuǎn)驅(qū)動信號，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的驅(qū)動下所述的反射面繞旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)軸作往復(fù)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動機(jī)構(gòu)，在所述的總控制器10的控制下該二維樣品臺9帶動位于其上的待刻樣品8沿X、Y方向高精度運(yùn)動?？虒懝庠?發(fā)出的刻寫光束被光束偏轉(zhuǎn)器2反射后進(jìn)入f θ透鏡組3，之后被光譜分光鏡5反射，最后經(jīng)物鏡7會聚在樣品表面對樣品8進(jìn)行刻寫；離焦檢測模塊4發(fā)出的調(diào)焦光束透過光譜分光鏡5，經(jīng)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(jù)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(yùn)動；總控制器10與離焦檢測模塊4、調(diào)焦執(zhí)行器6、刻寫光源1、光束偏轉(zhuǎn)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(wù)。光束偏轉(zhuǎn)器2由反射鏡和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器組成，其旋轉(zhuǎn)軸與反射面平行，與刻寫激光束所在平面垂直；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(diào)焦光束主軸均成45度夾角；光束偏轉(zhuǎn)器2的轉(zhuǎn)軸與二維樣品位移臺Y軸平行、X軸垂直。本發(fā)明的工作過程如下第一步，反饋調(diào)焦在樣品裝夾到二維移動平臺9上后，總控制器10根據(jù)離焦檢測模塊4探測到的離焦信號，反饋控制調(diào)焦位移器6，使待刻樣品8的表面一直處位于物鏡7的焦深范圍以內(nèi)。 此過程中刻寫光束并不打開，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(zhǔn)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(fā)出光脈沖調(diào)制信號、向光束偏轉(zhuǎn)器2發(fā)出角度偏轉(zhuǎn)信號，向二維樣品臺9發(fā)出Y方向勻速位移信號，此三信號同步發(fā)出。其中光脈沖調(diào)制信號與待刻寫光柵形貌相關(guān)(此問題將稍后描述)，角度偏轉(zhuǎn)信號為周期性鋸齒信號。在光束偏轉(zhuǎn)器2的每個偏轉(zhuǎn)周期內(nèi)，刻寫光束都會在樣品8表面X方向上刻寫下一排小點(diǎn)，由于樣品位移臺9在Y方向上勻速位移，所以這一排小點(diǎn)將會在Y方向上連成線，形成光柵。由于每次刻寫的一排小點(diǎn)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(jìn)行下一步操作才能實際應(yīng)用。第三步，拼接刻寫大范圍光柵在完成第二步刻寫一幀光柵后，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，之后控制二維樣品臺在Y方向反向勻速運(yùn)動，重復(fù)第二步過程，直至完成整片光柵的刻寫。主控制器10發(fā)給刻寫光源1的光脈沖調(diào)制信號與待刻的光柵的形貌相關(guān)，舉例來講，如需要刻寫占空比為2 3的光柵(如圖2所示)，則光脈沖調(diào)制信號的占空比為2 3 的電信號，這樣在光束偏轉(zhuǎn)器2的每次偏轉(zhuǎn)過程中，都會在待刻樣品8上刻寫下一排占空比為2 3的小點(diǎn)，隨著二維樣品臺9在Y方向的緩慢移動，這些小點(diǎn)連成線，即刻寫出占空比為2 3的光柵。同樣，若需要刻寫閃耀光柵(如圖3所示)，僅需將光脈沖調(diào)制信號更換為鋸齒信號即可，非常方便。
權(quán)利要求
1.一種光柵高速直寫裝置，特征在于其構(gòu)成包括刻寫光源(1)、光束偏轉(zhuǎn)器0)、 ·θ透鏡細(xì)(3)、離焦檢測模塊(4)、光譜分光鏡(5)、調(diào)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(guān)系如下所述的刻寫光源(1)發(fā)出的刻寫光束被光束偏轉(zhuǎn)器( 反射后，經(jīng)所述的f θ透鏡組 (3)被所述的光譜分光鏡( 反射，最后經(jīng)所述的物鏡(7)會聚在位于二維樣品臺(9)上的待刻樣品(8)的表面；所述的離焦檢測模塊(4)發(fā)出的調(diào)焦光束透過所述的光譜分光鏡 (5)，經(jīng)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(zhuǎn)器( 、離焦檢測模塊(4)、調(diào)焦執(zhí)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(diào)焦光束的主軸均成45° 夾角；所述的調(diào)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(jù)調(diào)焦光束的返回光計算所述的物鏡(7)離焦量并輸入所述的總控制器(10)，該總控制器(10)根據(jù)所述的離焦檢測模塊(4)輸入的離焦量向所述的調(diào)焦位移器(6)輸出相應(yīng)的反饋信號控制所述的調(diào)焦位移器(6)的運(yùn)動，使待刻樣品⑶表面始終位于所述的物鏡(7)的焦深范圍；所述的光束偏轉(zhuǎn)器O)由反射鏡和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器組成，其旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器O)的轉(zhuǎn)軸與二維樣品臺(9)的Y軸平行而垂直于X軸；所述的總控制器(10)根據(jù)待刻的光柵結(jié)構(gòu)向所述的光束偏轉(zhuǎn)器O)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器發(fā)出偏轉(zhuǎn)驅(qū)動信號，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的驅(qū)動下所述的反射面繞旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)軸作往復(fù)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)動機(jī)構(gòu)，在所述的總控制器(10)的控制下該二維樣品臺(9)帶動位于其其上的待刻樣品(8)沿X、Y方向高精度運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特征在于所述的刻寫光源(1)為直接內(nèi)調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，或氣體激光器和外部光強(qiáng)調(diào)制器件構(gòu)成的光源，或固體激光器和外部光強(qiáng)調(diào)制部件構(gòu)成的光源，所述的外部光強(qiáng)調(diào)制部件為聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特征在于所述的所述二維位移平臺 (9)是直線電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、或交流變頻電機(jī)所驅(qū)動的二維直線平臺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵高速直寫裝置，其特征在于所述的光束偏轉(zhuǎn)器(2)為高速光束偏轉(zhuǎn)器，該高速光束偏轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器為振鏡電機(jī)、音圈電機(jī)或、壓電陶瓷驅(qū)動
全文摘要
一種光柵高速直寫裝置，其構(gòu)成包括刻寫光源、光束偏轉(zhuǎn)器、fθ透鏡組、離焦檢測模塊、光譜分光鏡、調(diào)焦位移器、物鏡、待刻樣品、二維樣品臺和總控制器。本發(fā)明具有刻寫速度快、面積大、可控性好的特點(diǎn)，能直接刻寫出變占空比、變強(qiáng)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(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者徐文東, 范永濤, 郝春寧 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所