專利名稱：一種一維干涉光場的穩定控制方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及光機電一體化方向微位移控制技術和全息照相平面印刷技術領域，是一種在納米精度下可以實現激光相位鎖定的條紋位置控制系統。
背景技術：
全息印刷技術利用光刻技術方法，成為超高集成度、超高速、超高頻集成電路及器件的研制開發中的關鍵技術之一。在場發射平板顯示器件、CCD探測元結構的產生和磁存儲陣列、太陽能吸收器的制造等領域，有很好的應用前景。對當前納米器件、納米結構制作，以及光子晶體結構性能的研究都有重要的意義，而且在出版印刷、包裝裝潢、商品證件防偽加密等領域獲得了廣泛應用。
目前集成電路已從20世紀60年代的每個芯片上僅有幾十個器件發展到每個芯片上可包含約10億個器件，其增長過程遵從摩爾定律，集成度每3年提高4倍。光刻技術的支持對集成電路的飛速發展起到了極為關鍵的作用，它直接決定了單個器件的物理尺寸。每次新一代集成電路的出現，總是以光刻所獲得的特征尺寸為主要技術標志。從現在的發展水平看，國外一些技術領先的芯片制造商從2003年下半年起已經采用90nm工藝量產多種IC，芯片制造工藝進入納米時代。為了適應集成電路技術的迅猛發展，光學光刻技術也在努力改善技術上的缺陷，以獲得更小的特征尺寸和更高的分辨率。
全息印刷技術作為一種無掩模激光干涉光刻技術，利用多束相干激光在涂有光致抗蝕劑的基片平面內干涉，形成所需要的周期圖案。然而，全息平面印刷過程中，由于曝光量的時間累加，光場相位的不穩定對于曝光效果有很大的影響，可以導致特征尺寸增大，分辨率下降。對于較長時間的操作，甚至對導致周期圖案模糊甚至無法形成周期圖案曝光圖的結果。所以，對全息平面印刷中的激光光場進行相位控制是非常有必要的。對于用激光干涉產生空間的周期圖案，最簡單的就是一維的兩束相干光干涉的情況。兩束光以與法線相同角度θ入射并相交于平面，發生干涉，干涉的周期長度為d＝λ/2sinθ，其中，λ為激光波長。在實驗室條件下這種條紋很難長時間的保持穩定，由于受到外界環境噪聲的影響，干涉圖案將產生一定的振動或漂移，如果用這樣的光場對光刻膠進行較長時間曝光，周期圖案將會變得很模糊，甚至整個空間結構被完全刻蝕。而且空間干涉條紋寬度為波長數量級，接近光學的衍射極限，用光學顯微鏡很難放大得清楚，空間分辨率難以滿足要求。如果采用非光學探測的方法，如探針或者光纖探頭，成本將非常高，而且這些微小器件的固定和防震也是相當困難，其振動引進的噪聲也相當大。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的缺點和不足，提供一種能夠有效的消除光場相位變化對印刷效果的影響，提高分辨率，并進一步使得通過控制光場相位來控制干涉圖案變化在技術上成為可能的方法和系統。
本發明通過以下技術方案來實現其發明目的。
本發明首先提供了一種一維干涉光場的穩定控制方法，包括以下步驟①將兩束相干光成一定角度進行干涉；②調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉；③通過兩束光等傾干涉圖像的光強反饋來保持兩束光相位鎖定，實現干涉光場的穩定和控制。
由于兩束光以與法線相同角度θ入射并相交于平面，發生干涉，干涉的周期長度為d＝λ/2sinθ，其中，λ為激光波長。可以看出在一般的干涉情況下，即步驟①所述將兩束相干光成一定角度進行干涉，θ角度較大，所以干涉的周期長度d很小，空間干涉條紋寬度為波長數量級，接近光學的衍射極限，用光學顯微鏡很難放大得清楚，空間分辨率難以滿足要求。本發明步驟②通過調整兩束光的夾角，使兩束相干光從非共線轉變成共線狀態，即存在細微的夾角θ’，從而實現等傾干涉，并在整個過程中保證兩者經過的光程差不變。由于夾角θ’十分小，幾乎趨于0，所以根據公式d＝λ/2sinθ可以得到具有很大干涉周期長度d的干涉圖像。在此兩束光等傾干涉的干涉圖像的變化，如震動或移動，能夠直接反映出成一定角度干涉時干涉圖像的狀態，所以可以通過穩定等傾干涉的干涉圖像來穩定成一定角度干涉時干涉圖像。等傾干涉的圖像光強集中，條紋清晰，易于用簡單便宜的探頭進行測量，信噪比高，因此在步驟③中可以通過兩束光等傾干涉圖像的光強反饋來保持兩束光相位鎖定，采用反饋控制補償噪聲的影響，實現干涉光場的穩定和控制。
本發明采用反饋控制補償噪聲的具體步驟如下a.測量兩束光等傾干涉圖像中一個探測位置的光強；b.將所述光強的變化反饋至反饋控制系統；c.反饋控制系統調整光路構件，保持等傾干涉圖像中所述位置的光強不變，保持兩束光相位鎖定，實現干涉光場的穩定控制；將非共線相干光調節成共線相干光后，空間形成毫米級寬度的干涉條紋，通過縮小夾角θ’和加上凸透鏡將其放大到厘米級或者10幾個厘米打在屏幕上，固定好屏幕，屏幕上將出現只有幾個周期的干涉條紋。此時的干涉條紋任意點的光強可以直接被通用的探測儀器測量出來，通過測量圖像中空間某固定的光強的大小(一條條紋的光強大小)，并將此光強數據傳送到反饋控制系統。當系統受到外界干擾出現波動時，反饋控制系統能夠及時調整光路構件，保持等傾干涉圖像中空間固定點(所述位置)的光強不變，保持兩束光相位鎖定，抵消外界的噪音干擾，實現干涉光場的穩定控制。
本發明還可以進一步的通過移動所述探測點的位置來實現整個干涉圖像的移動控制。當平穩移動探測位置的時候，探測位置的光強發生變化，那么反饋控制系統將及時調整光路構件，使整個干涉圖像跟蹤探測位置移動。在反饋控制的基礎上，探測位置相當于鎖定了條紋的位置，如果探測位置的空間位置移動了，那么條紋將跟隨著移動。
本發明基于上述方法提供了一種一維干涉光場的穩定控制系統，包括用于實現兩束相干光成一定角度干涉，并用于調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉的光學系統；用于測量兩束光等傾干涉圖像光強的測量系統；和用于將光強變化信號轉化成控制信號實現兩束光相位鎖定的反饋控制系統。所述光學系統主要是通過三棱鏡調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉，所述三棱鏡橫截面為等腰直角三角形，底邊為光線入射和出射面，鍍有部分反射膜，部分反射膜的透射反射比最佳為6∶4；直角邊為反射面，鍍有全反膜。其中一束光線經過三棱鏡底邊透射，在三棱鏡的兩個直角邊反射之后，最后由底邊透射出來，與另一束光線經過三棱鏡底邊反射之后的光線等傾干涉。本發明可以通過轉動三棱鏡，減小等傾干涉的兩束光線的夾角，從而增大干涉周期長度d到所需的寬度。由于三棱鏡便于固定，所以外界對三棱鏡的擾動主要是機械振動和空氣流的影響，這種影響將是沿著某個方向的，所以三棱鏡不存在轉動噪聲。而且當三棱鏡沿著某個方向振動時，三棱鏡都沒有給兩束光引入相位差，只是導致了條紋有波長數量級的移動，與毫米數量的條紋寬度相比完全可以忽略。
本發明的光學系統的光路為光線從光源出發，經過部分反射鏡被分成相干的兩束光，其中一束經過全反鏡反射后和另一束光相交干涉，相交后的兩束光經過三棱鏡的調整，形成共線相干光，將等傾干涉圖像投射在測量系統上。將非共線相干光調節成共線相干光后，空間形成毫米級寬度的干涉條紋，將其放大到厘米級或者10幾個厘米打在屏幕上，固定好屏幕，屏幕上將出現只有幾個周期的干涉條紋。干涉條紋將隨著兩束光相位差的變化而移動，如上述分析，三棱鏡對條紋移動沒有引入多少誤差，所以屏幕上條紋的位置的變化將跟入射三棱鏡前兩束光的相位差一致。換句話說，屏幕上的條紋狀態，直接反映了空間相交點干涉條紋的狀態。
所述測量系統為一個投影屏幕，投影屏幕上設有小孔光闌，小孔光闌后設有探頭，所述探頭與反饋控制系統控制連接，反饋控制系統根據探頭的信號通過壓電陶瓷控制所述全反鏡移動實現兩束光相位鎖定。在屏幕上某固定點開個小孔，讓干涉條紋的某小點光透過，在小孔后方接上光電探頭，此時探頭將探測到空間某點的光強信息，如果條紋移動了，探頭探測到的強度將發生改變。此時壓電陶瓷能夠控制一束光的相位變化，當探頭探測到條紋移動時，反饋控制系統就可以控制壓電陶瓷補償回來，保持空間條紋穩定不動。在反饋控制系統中采用PID算法對光強信號進行處理，轉換成壓電陶瓷的控制量，使得空間形成了穩定的干涉條紋。
為觀察和檢測屏幕上的條紋狀態是否直接反映了空間相交點干涉條紋的狀態，本發明特別增加了探測系統，探測系統包括顯微鏡；和位于兩束光線相交點之后，將兩束光分解一部分進入顯微鏡的部分反射鏡。在交點附近，用部分反射鏡將兩束光分解一部分進入顯微鏡，用于觀察條紋狀態。還可以進一步采用顯微鏡加ccd的方法，將光線在顯微鏡里重組放大，并用ccd觀測，這樣就可以方便、直接的實時觀察到控制的效果了。需要說明的是，顯微鏡和ccd本身也存在振動，但是它們的振動不可能跟三棱鏡完全相同，所以如果用ccd能夠探測到穩定的控制結果，說明采用三棱鏡控制的方法確實實現了空間條紋的穩定控制。在實驗中，用ccd對條紋進行觀察，進行主動伺服。在沒有施加控制的情況下，條紋處于不斷振動的狀態，而加上反饋控制時，ccd測到的條紋穩定下來。
本系統還包括用于調節等傾干涉圖像條紋的空間位置，實現條紋空間的精確定位控制的精密調節系統。采用一個固定在小孔光闌和探頭上，用于調整小孔光闌和探頭位置的一維精密移動臺。有了空間穩定的條紋，如果還想對條紋進行移動控制，可以使得條紋向某個方向移動和穩定。由于光束相交點的條紋跟屏幕上的條紋相位關系保持一致，只要移動了屏幕上的條紋位置，空間的條紋位置將會跟著移動。采用的是移動空間探測點的位置，因為在反饋控制的基礎上，探頭放在放大了的干涉條紋內，只測量干涉條紋某一點的光強，在相位鎖定的情況下，電子反饋控制系統控制壓電陶瓷保持探頭探測的光強不變，此時如果移動探頭，則壓電陶瓷跟蹤動作，保持探頭探測點光強不變。這樣就可以實現探頭移動控制光場條紋的位置移動。
本發明相對于現有技術具有以下突出的實質性特點和顯著的進步。
1.通過調整兩束相干光在空間干涉之后兩束光的角度，實現兩束光再次等傾干涉，得到能夠反應空間相交點干涉狀態的等傾干涉圖像，通過等傾干涉圖像能夠實現對空間相交點干涉圖像的穩定控制；2.通過等傾干涉圖像能夠實現對空間相交點干涉圖像的移動控制；3.采用具有特殊鍍膜的三棱鏡，能夠簡單實現將相交的非共線光調節成共線光，從而實現兩束光的等傾干涉；4.光路結構簡單，設計合理，減少了大量的噪音干擾，提高了光信號的信噪比，有利于干涉圖像的穩定和控制；5.采用探頭、反饋控制系統和壓電陶瓷三者相結合的控制系統，能夠快速的補償噪音的干擾，穩定干涉系統；6.設有探測系統用于驗證和觀察系統的穩定性；7.精密調節系統能夠用于移動相干光空間相交點的干涉圖像；8.結構簡單，多數采用現有的通用設備或構件，成本低廉。
圖1為實施例1的系統示意圖；
圖2為三棱鏡抗干擾的原理圖；圖3為實施例2的系統示意圖；圖4為實施例2實現干涉圖像移動的原理圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明做進一步的說明。
實施例1如圖1所示的一維干涉光場的穩定控制系統，包括用于實現兩束相干光成一定角度干涉，并用于調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉的光學系統；用于測量兩束光等傾干涉圖像光強的測量系統；和用于將光強變化信號轉化成控制信號實現兩束光相位鎖定的反饋控制系統。光學系統的光路為光線從光源1出發，經過部分反射鏡2被分成相干的兩束光，其中一束經過全反鏡3反射后和另一束光相交干涉，相交點為o。相交后的兩束光經過三棱鏡4的調整，三棱鏡4具有特別設置的鍍膜，其橫截面為等腰直角三角形，底邊41為光線入射和出射面，鍍有部分反射膜，透射反射比為6∶4，直角邊42、43為反射面，鍍有全反膜。經部分反射鏡2反射的光線，如圖中實心箭頭所示，從底邊41進入三棱鏡4，經過兩個底邊42、43反射之后再由底邊41出射。經全反鏡3反射的光線，如圖中空心箭頭所示，直接在底邊41上反射。如圖所示，本發明通過旋轉三棱鏡4可以調整干涉后兩束相干光的夾角，將任意角度相交的兩束相干光，通過特殊鍍膜的三棱鏡4后，實現將相交的非共線光調節成共線光，使兩束相干光等傾干涉。形成的共線相干光實現了等傾干涉，能夠在空間形成周期很少的粗的豎直條紋，光強集中，條紋清晰，易于用簡單便宜的探頭進行測量，信噪比高。
將非共線的相干光調節成共線相干光的三棱鏡4，本身的受外界振動的影響并沒有對條紋引入或者引入很小的振動。如圖2所示，外界對三棱鏡4的擾動主要是機械振動和空氣流的影響，這種影響將是沿著某個方向的，所以三棱鏡不存在或者存在很小的轉動噪聲。分別分析圖中三棱鏡4沿x方向和y方向振動時，給兩束光引入相位差。當三棱鏡4有x方向的振動時，如從圖中實線位置移動到虛線位置，為表達更清晰，此處夸大了振動的距離，實際振動距離十分微小。入射光為A，振動前后的出射光為B、C，分別采用實線和虛線區分。根據幾何關系可以計算出光線在三棱鏡4內經過的距離相等，即振動前后兩束光的相位差不變，所以三棱鏡x方向振動不會影響兩束光的干涉圖像。當三棱鏡4有y方向振動時。三棱鏡內4沒有光程變化，而光束匯集點將向上移動，光斑整體向上移。三棱鏡4這樣的振動造成了條紋整體位置的移動，但是由于振動距離是小于um的，而條紋的大小是mm數量級的，因此y方向的振動影響可以忽略。綜上所述，三棱鏡4的振動只是導致了條紋有波長數量級的移動，與干涉后形成的毫米數量的條紋寬度相比完全可以忽略。
將非共線相干光調節成共線相干光后，空間形成毫米級寬度的干涉條紋，將其通過全反鏡10反射和凸透鏡11放大到厘米級或者10幾個厘米打在屏幕5上。固定好屏幕5，屏幕5上將出現只有幾個周期的干涉條紋，干涉條紋將隨著兩束光相位差的變化而移動。根據以上分析，三棱鏡4對條紋移動引入的誤差可以忽略不計，所以屏幕上條紋的位置的變化將跟入射三棱鏡4前兩束光的在o點干涉圖像的條紋變化一致。也就是說，屏幕5上的條紋狀態，直接反映了空間相交點o的干涉條紋的狀態，可以通過來監控相交點o是否存在震動。進一步可以通過屏幕5上的條紋來穩定相交點o的干涉條紋，如圖所示，在屏幕5上某固定點開個小孔光闌51，讓干涉條紋的某小點光透過，在小孔光闌51后方接上光電探頭52。此時探頭52將探測到干涉圖像此位置的光強信息，如果條紋移動了，探頭52探測到的強度將發生改變。探頭52與反饋控制系統6連接，反饋控制系統6實時控制固定在全反鏡3上的壓電陶瓷7。壓電陶瓷7能夠通過移動全反鏡3控制一束光的相位變化，當探頭52探測到條紋移動時，反饋控制系統6就可以控制壓電陶瓷7補償回來，保持空間條紋穩定不動。所述反饋控制系統6采用PID算法對光強信號進行處理，PID控制算法的數字實現部分是由單片微機系統通過A/D電路檢測過程變量Y ，并計算誤差e和控制變量u，通過D/A變換后輸出到執行機構，使過程變量Y穩定在設定的點上。整個控制過程轉換成壓電陶瓷7的控制量，使得空間形成了穩定的干涉條紋，從而穩定了相交點o的干涉條紋。
本實施例采用的控制方法是首先將兩束相干光成一定角度進行干涉；然后調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉；接著測量兩束光等傾干涉圖像中一個探測位置的光強；將所述光強的變化反饋至反饋控制系統；反饋控制系統調整光路構件，保持等傾干涉圖像中所述位置的光強不變，保持兩束光相位鎖定，從而實現干涉光場的穩定控制。
實施例2本實施例的主體結構和原理與實施例1相同，通過實施例1的系統可以得到穩定的相交點o的干涉條紋。有了空間穩定的條紋，本實施例進一步改良系統對條紋進行移動控制，可以使得條紋向某個方向移動和穩定。由于光束相交點o的條紋跟屏幕5上的條紋相位關系保持一致，只要移動了屏幕5上的條紋位置，空間點o的條紋位置將會跟著移動。本實施例采用的是移動空間探測點的位置，即小孔光闌51和光電探頭52的位置。因為在反饋控制的基礎上，探測點相當于鎖定了條紋的位置，如果探測點空間位置移動了，條紋將跟隨著移動。如圖3所示，本實施例將探頭52和屏幕5固定在一維精密移動臺8上，移動臺8能夠精密的控制小孔光闌和探頭的位置。如圖4所示，當朝一個方向移動探頭52和屏幕5時，探頭52探測到的強度將發生改變，根據實施例1的分析，反饋控制系統6將控制固定在全反鏡3上的壓電陶瓷7，改變一束光的相位，保持在新的位置上探頭52探測到的強度不變，那么干涉條紋將跟隨探頭52和屏幕5的移動而移動，空間點o的條紋位置將會跟著移動。此移動可以是定量的精密控制，本實施例可以計算探頭52和屏幕5移動的距離占干涉條紋周期長度的比例，那么空間點o的條紋將移動同樣比例的距離。精密調節架的精度是1um，條紋寬度是4cm，所以精密控制可以達到λ×1um/4cm＝632.8×0.000025＝0.012nm＜＜1nm，即大行程納米精度定位控制系統的控制精度；所以，本發明的條紋控制精度約為1nm。
為觀察和驗證本系統，可以在相交點o附近，用部分反射鏡92將兩束光分解一部分進入顯微鏡91，將光線在顯微鏡91里重組放大，并用ccd觀測，這樣就可以方便、直接的實時觀察到控制的效果了。需要說明的是，顯微鏡91和ccd本身也存在振動，但是它們的振動不可能跟三棱鏡4完全相同，所以如果用ccd能夠探測到穩定的控制結果，說明采用三棱鏡4控制的方法確實實現了空間條紋的穩定控制。在實驗中，用ccd對條紋進行觀察，進行主動伺服。在沒有施加控制的情況下，條紋處于不斷振動的狀態，而加上反饋控制時，ccd測到的條紋穩定下來，前后干涉條紋的區別可以看出本發明的效果是十分明顯的。還可以進一步通過此探測系統觀察在移動探頭52和屏幕5過程中，空間點o的條紋移動的過程。
本發明實現了空間干涉條紋的周期性排列和光強分布的控制，可應用于精密加工/測試、生物芯片制造、高精度光柵制造、納米材料結構分析等多個領域。
權利要求
1.一種一維干涉光場的穩定控制方法，其特征是包括以下步驟①將兩束相干光成一定角度進行干涉；②調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉；③通過兩束光等傾干涉圖像的光強反饋來保持兩束光相位鎖定，實現干涉光場的穩定和控制。
2.根據權利要求1所述的一維干涉光場的穩定控制方法，其特征是所述步驟③包括以下步驟a.測量兩束光等傾干涉圖像中一個探測位置的光強；b.將所述光強的變化反饋至反饋控制系統；c.反饋控制系統調整光路構件，保持等傾干涉圖像中所述位置的光強不變，保持兩束光相位鎖定，實現干涉光場的穩定控制；d.進一步通過移動所述探測位置來實現整個干涉圖像的移動控制。
3.一種一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是包括用于實現兩束相干光成一定角度干涉，并用于調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉的光學系統；用于測量兩束光等傾干涉圖像光強的測量系統；和用于將光強變化信號轉化成控制信號實現兩束光相位鎖定的反饋控制系統。
4.根據權利要求3所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是所述光學系統通過三棱鏡調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉，所述三棱鏡橫截面為等腰直角三角形，底邊為光線入射和出射面，鍍有部分反射膜，直角邊為反射面，鍍有全反膜。
5.根據權利要求4所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是所述光學系統的光路為光線從光源(1)出發，經過部分反射鏡(2)被分成相干的兩束光，其中一束經過全反鏡(3)反射后和另一束光相交干涉，相交后的兩束光經過三棱鏡(4)的調整，形成共線相干光，將等傾干涉圖像投射在測量系統上。
6.根據權利要求5所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是所述測量系統為一個投影屏幕(5)，投影屏幕上設有小孔光闌(51)，小孔光闌后設有探頭(52)，所述探頭(52)與反饋控制系統控制連接，反饋控制系統(6)根據探頭(52)的信號通過壓電陶瓷(7)控制所述全反鏡(3)移動實現兩束光相位鎖定。
7.根據權利要求3或4或5或6所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是還包括探測系統，探測系統包括顯微鏡(91)；和位于兩束光線相交點之后，將兩束光分解一部分進入顯微鏡(91)的部分反射鏡(92)。
8.根據權利要求3或4或5或6所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是還包括用于調節等傾干涉圖像條紋的空間位置，實現條紋空間的精確定位控制的精密調節系統。
9.根據權利要求8所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是所述精密調節系統為固定在小孔光闌(51)和探頭(52)上，用于調整小孔光闌(51)和探頭(52)位置的一維精密移動臺(8)。
10.根據權利要求3或4或5或6所述的一維干涉光場的穩定控制系統，其特征是所述三棱鏡底邊鍍有透射反射比為6∶4的部分反射膜。
全文摘要
本發明涉及光機電一體化方向微位移控制技術和全息照相平面印刷技術領域，目的在于克服現有技術中的缺點和不足，提供一種能夠有效的消除光場相位變化對印刷效果的影響，提高分辨率，并進一步使得通過控制光場相位來控制干涉圖案變化在技術上成為可能的方法和系統。所述方法包括將兩束相干光成一定角度進行干涉；調整干涉后兩束相干光的夾角，使兩束相干光實現等傾干涉；通過兩束光等傾干涉圖像的光強反饋來保持兩束光相位鎖定，實現干涉光場的穩定和控制。
文檔編號G03F7/20GK1888950SQ200610035638
公開日2007年1月3日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者周建英, 王自鑫, 謝向生 申請人:中山大學