Исследование устойчивости к разъюстировке сверхразрешающего зеркально-дифракционного объектива Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 535.42

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ К РАЗЪЮСТИРОВКЕ СВЕРХРАЗРЕШАЮЩЕГО ЗЕРКАЛЬНО-ДИФРАКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА

Руслан Камильевич Насыров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: NasyrovRK@iae.sbras.ru

Андрей Георгиевич Седухин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su

Работа посвящена разработке методов юстировки комбинированного сверхразрешающего зеркально-дифракционного объектива, основными компонентами которого являются дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и кольцевое сферическое зеркало. Проведено моделирование возникающих аберраций при смещении ДОЭ и зеркала и предложены методики устранения основных типов аберраций объектива, типа сферической аберрации и комы.

Ключевые слова: дифракционная оптика, лазерная запись.

INVESTIGATION OF THE STABILITY TO MISALIGNMENT OF A HIGH-RESOLUTION MIRROR-DIFFRACTION OBJECTIVE

Ruslan K. Nasyrov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-79-31, e-mail: NasyrovRK@iae.sbras.ru

Andrey G. Sedukhin

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-79-31, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su

The work is devoted to the development of methods for aligning a combined high-resolution mirror-diffractive objective, the main components of which are a diffractive optical element (DOE) and an annular spherical mirror. The modeling of emerging aberrations in the displacement of DOE and mirror was carried out, and methods were proposed for eliminating the main types of lens aberrations, such as spherical aberration and coma.

Key words: diffractive optics, laser writing.

Введение

Настоящая работа посвящена изучению вопросов юстировки и устойчивости к разъюстировке комбинированного объектива [1], который был разработан для фокусировки излучения ультрафиолетового лазера в системе сканирующего нанолитографа. Сочетание таких факторов, как короткая длина волны лазера (X = 266 нм), высокая числовая апертура объектива (NA = 0,95) и относительно большой рабочий отрезок (1 мм), предъявляют жесткие требования к качеству изготовления компонентов объектива, к допускам механических креплений

компонентов объектива и к точности их юстировки [2]. Учитывая нестандартную конструкцию объектива и его компонентов, прямое использование традиционных методов юстировки, ориентированных на стандартные линзы, невозможно. Данный объектив должен формировать в зоне фокусировки лазерное субволновое пятно (FWHM) размером порядка 0,4Х, где X - длина волны лазера.

Оптическая схема зеркально-дифракционного объектива

Основными компонентами рассматриваемого объектива являются дифракционный оптический элемент (ДОЭ) с радиальной симметрией, расположенный на одной оптической оси с кольцевым сферическим зеркалом (СЗ) (рис. 1). Вспомогательные компоненты объектива - это преобразователь (П) линейной поляризации в радиальную и заградительная диафрагма, являющаяся пространственно-частотным фильтром и пропускающая лазерную световую волну первого порядка дифракции ДОЭ. Сам ДОЭ служит для фокусировки волны лазера в кольцо, расположенное в передней фокальной плоскости СЗ.

СЗ

п Л 03

/ г

Рис. 1. Оптическая схема комбинированного зеркально-дифракционного объектива

Как видно из рис. 1, особенностью данной конструкции является удаление нижних пространственных частот из спектра фокусируемой волны лазера. Это создает дополнительные трудности при юстировке и настройке ДОЭ и СЗ, а также при регистрации функции рассеяния точки (ФРТ) объектива. С другой стороны, следует также учитывать, что в соответствии с критериями Рэлея и Марешаля, примененными к рассматриваемому случаю, для получения ФРТ объектива, близкой к дифракционно-ограниченной, абсолютная деформация волнового фронта объекта не должна превышать соответственно Х/4 = 66,5 нм и Х/14 = 19 нм (первая и вторая величины Х/4 понимаются по указанным критериям, как максимальное локальное и среднеквадратическое значения).

Обеспечение таких малых (нанометровых) размеров деформации волнового фронта на рабочих линейных апертурах преобразователя поляризации, ДОЭ и СЗ с диаметрами примерно 14 мм требует, очевидно, использования особо точных методов юстировки данных узлов.

Моделированиеразъюстировки зеркально-дифракционного объектива

Оптическая схема была смоделирована в системе Zemax. Фазовая функция ДОЭ задавалась в виде многочлена четной степени. На рис. 2 приведены результаты моделирования смещения точки в фокальной плоскости объектива при поперечном смещении сферического зеркала на 1 мкм и его наклоне (относительно точки пересечения сферической поверхности с оптической осью) на одну угловую минуту.

а)

б)

Рис. 2. Моделирование точки при поперечном смещении сферического зеркала на 1 мкм (а) и наклоне на 1 угл. мин. (б)

Из представленных результатов видно, что необходимо обеспечить жесткие допуски на юстировку и точность фиксации узлов такого объектива. В частности, видно, что поперечное смещение СЗ на ±1 мкм приводит к круговому разбросу положения точек в фокальной плоскости примерно на ±2 мкм, т. е. практически к удвоенному смещению точек в фокальной плоскости. Одним из методов точной оптической юстировки является интерференционный метод [3]. Он основан на том, что когда ДОЭ и сферическое зеркало не находятся на одной оптической оси, положение центрального светового пятна, имеющего относительно большой размер и образованного первым сходящимся паразитным дифракционным порядком ДОЭ (когда диафрагму удаляют во время настройки), не будет совпадать с центральным пятном от СЗ, имеющим малый размер и образованным пучком первого расходящегося полезного порядка дифракции. Юстировка соосности наклона этих компонентов осуществляется путем совмещения центральных пятен пучков от этих компонентов. Такая методика позволяет устранить основные типы аберраций объектива, такие как сферическая аберрация и кома.

Заключение

Проведено моделирование основных видов аберраций при смещении дифракционного оптического объектива и сферического зеркала в комбинированном высокоразрешающем объективе. Показано, что к жесткости конструкции и точности юстировки такого объектива предъявляются повышенные требования и что необходимо использовать высокоточный интерференционный режим юстировки для получения расчетного размера записывающего пятна.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 17-19-01721).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Полещук А. Г., Седухин А. Г. Высокоапертурный объектив для фокусировки оптического излучения // Патент РФ на полезную модель № 162920. - Зарегистрировано в Государ -ственном реестре полезных моделей РФ 08.07.2016 г. Опубликовано 27.06.2016. - Бюл., № 18.

2. Полещук А. Г., Седухин А. Г. Дифракционно-зеркальный высокоапертурный микрообъектив для фокусировки лазерного излучения в устройствах записи // Труды 13-й Международной конференции «ГОЛОЭКСПО-2016» «Голография. Наука и практика» 12-15 сентября 2016, Ярославль. - С. 351-354.

3. Седухин А. Г., Полещук А. Г. Особенности юстировки высокоапертурного дифракционно-рефлекторного объектива // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2017» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 91-95.

© Р. К. Насыров, А. Г. Седухин, 2018