CC BY
50
УДК 681.7.08
МЕТОДЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ НАНОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В СИСТЕМАХ СИНТЕЗА ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ
Руслан Владимирович Шиманский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН пр. Академика Коптюга, 1, младший научный e-mail: shimansky@iae.nsc.su
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsc.su
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: vkorolkov@yandex.ru
Вадим Владимирович Черкашин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: vadcher@gmail.com
Разработан и исследован новый метод увеличения точности нанопозиционирования в лазерных устройствах изготовления дифракционной оптики. Экспериментально показано, что погрешность позиционирования записывающего лазерного пучка не превышает 50 нм за время около 160 мин.
Ключевые слова: лазерная записывающая система, погрешность позиционирования, дифракционный оптический элемент.
METHODS TO INCREASE THE NANOPOSITIONING PRECISION FOR SYSTEM OF DIFFRACTIVE OPTICS SYNTHESIS
Ruslan V. Shimansky
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: shimansky@iae.nsc.su
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, doctor of Science, head of laboratory of diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: poleshchuk@iae.nsc.su
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, Doctor of Science, Senior Researcher, тел. (383)333-30-91, e-mail: vkorolkov@yandex.ru
, 630090, Россия, г. Новосибирск, сотрудник, тел. (383)333-30-91,
Vadim V. Cherkashin
Institute of Automation and Electrometry SB of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Academician Koptyug ave. 1, research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: vadcher@gmail.com
New method to increase the accuracy of the laser nanopositioning systems for fabrication of diffractive optics is developed and investigated. It was shown experimentally, that the positioning error of the recording laser beam was not more than 50 nm during the time of about 160 min.
Key words: laser writing system, positioning error, diffractive optical element.
Введение. Многие достижения в современной оптике основаны на применении дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Потенциальные возможности ДОЭ во многом определяются технологией их изготовления, которая должна обеспечивать формирование формы волнового фронта с заданной точностью, достигающей 1/1000 длины волны света.
В Институте автоматики и электрометрии СО РАН разработана прецизионная круговая лазерная система записи (КЗЛС), предназначенная для изготовления ДОЭ в полярной системе координат [1]. Новые адаптивные методы коррекции внешних воздействий позволили существенно уменьшить погрешности изготовления ДОЭ.
В настоящей работе представлены результаты разработки и исследования алгоритмов коррекции ошибок позиционирования круговой лазерной системы записи. Разработан метод изготовления ДОЭ с возможностью точного совмещения начала системы координат элемента с осью вращения оптической заготовки в течение всего времени записи.
Основные погрешности изготовления прецизионных ДОЭ. Изготовление структуры ДОЭ производится методом прямой лазерной записи на вращающуюся оптическую заготовку, покрытую пленой хрома [1]. Структура ДОЭ представляет собой набор элементарных ячеек с адресацией в полярной системе координат. Ячейки, перекрываясь, образуют картину полос или дифракционных зон. Адрес записи произвольной ячейки i в полярной системе координат определяется как Р,{г„ ср-J, где гг и щ - радиальная и угловая координаты записи ((pi определяется как разность между началом угловой координаты ((р 0) и текущим угловым положением вращающейся оптической заготовки). Величина ri отсчитывается от точки начала полярной системы координат r0=0, которой считается точка совмещения оси вращения оптической заготовки с центром записывающего сфокусированного пучка лазерного излучения.
Процесс записи вносит погрешности в структуру ДОЭ. Основная погрешность - это расстояние между расчетной Р, и записанной Р, координатами точек. Определим величину = I}, - Pi как погрешность координаты записи.
Абсолютная погрешность координаты si зависит от точности перемещения записывающего сфокусированного лазерного пучка относительно вращающейся оптической заготовки. Эта погрешность после записи приводит к появлению дополнительного сдвига фазы волнового фронта светового потока, прошедшего
через ДОЭ. Фазовый сдвиг (в долях длины волны излучения лазера Л) определяется формулой [2]
Ж=тЛв/Т , (1)
где т - порядок дифракции; Т - период дифракционной структуры в данной области ДОЭ; £ - погрешность координаты записи в направлении перпендикулярном дифракционным зонам ДОЭ. Из формулы (1) следует, что при допустимой погрешности волнового фронта Ж=0.05, Т=\.5 мкм, /1=0.633 мкм, т=1, допустимая погрешность координаты записи не должна превышать £•=0.1 мкм.
Оптические узлы и системы перемещения лазерных записывающих систем обычно устанавливаются на гранитных плитах, опирающихся на виброизолирующие опоры. Температурный коэффициент линейного расширения гранита составляет 8-Ю"6 1/С° Таким образом, при изменении температуры окружающей среды на ±0.25 градуса, деформация конструкции ЛЗС при записи ДОЭ с максимальным радиусом гтах=100 мм составит около 0.5 мкм, что существенно больше допустимой величины £ погрешности записи.
Погрешность записи в полярной системе координат определяется в основном следующими факторами:
1. Ошибкой фиксации точки начала координат записывающего пятна, вызванной погрешностью совмещения начала отсчета радиальной координаты при записи ДОЭ с осью вращения шпинделя устройства записи (данная ошибка имеет две компоненты - вдоль радиального направления перемещения лазерного пучка и поперек его);
2. Текущей погрешностью перемещения записывающего пятна в радиальном направлении;
Основным недостатком используемых методов изготовления ДОЭ является их недостаточная точность, обусловленная отсутствием точного совмещения точки начала системы координат с осью вращения оптической заготовки и дрейфом точки начала системы координат относительно оси вращения оптической заготовки на протяжении всего процесса записи.
Метод увеличения точности нанопозиционирования. Увеличение точности нанопозиционирования решается методом записи одной или нескольких реперных структур в светочувствительном слое оптической заготовки с последующим использованием данных структур для определения погрешности и динамической коррекции позиционирования пучка лазерного излучения, как вдоль радиального направления перемещения, так и поперек его в процессе записи ДОЭ [3].
Для измерения относительного положения оси вращения шпинделя и центра записывающего пятна нами предложено записывать на поверхности заготовки ДОЭ небольшое кольцо (10-50 мкм) или две дуги вокруг центра вращения (рис. 1, а) и измерять их радиусы слева и справа от центра вращения с помощью фотоэлектрической системы сканирования. Считывающее пятно сме-
щается на первый внешний радиус г1 =г0 + й/2, где й - диапазон сканирования, и осуществляется сканирование с шагом радиального перемещения 30-50 нм по направлению к центру (рис. 1, б). Затем производится сканирование в диапазоне ±с!/2 относительно противоположного радиуса -г0 (рис. 1, в). После поиска координат точек с минимальным отражением (г1 и г2) определяется ошибка координаты центра вращения через выражение х0 =(г1 - г2)/2.
26 24 22 22 24 26
Рис. 1. Схема поиска центра и определения текущей погрешности
по реперной метке
Динамическая коррекция в процессе записи реализуется методом определения временной зависимость скорости дрейфа реперной структуры вдоль осей декартовой системы координат устройства позиционирования пучка с дальнейшей коррекцией координаты пучка лазерного излучения до оси вращения оптической заготовки, в зависимости от скорости дрейфа реперной структуры непосредственно в процессе изготовления ДОЭ. Для определения скорости дрейфа, ДОЭ разбивается на зоны, процесс изготовления прерывается между зонами ДОЭ для определения скорости изменения погрешности позиционирования. Величина дрейфа определяется по следующим формулам:
Ух, =( йХ1 - сКи1)/(и - г-л) и Уу =( й¥1 - йУ-О/^ - г-1), (2)
где йХ, - величина смещения реперной структуры по координате X, йУ, - величина смещения реперной структуры по координате У, г, и г-1 - моменты времени при I и ¡-1 определениях погрешности позиционирования. После определения величины скорости дрейфа, рассчитывается новые координаты записи. Новые координаты X и У„ определяются по формуле:
Xw = Xc + f(VXi, t); и Yw = Yc + f(Vyit t);
(3)
где Хс и Yc - расчетное расстояние вдоль осей декартовой системы координат устройства позиционирования сфокусированного пучка лазерного излучения до оси вращения оптической заготовки, f - функция коррекции расчетного расстояния в зависимости от скорости дрейфа реперной структуры.
На рис. 2 приведен пример зависимости погрешности позиционирования от времени записи без коррекции (1) и с коррекцией (2). Время записи ДОЭ составляло около 160 мин. ДОЭ был разбит на 16 зон. После записи каждой зоны проводилось вычисление скорости дрейфа и рассчитывалась функция коррекции. Видно, что без коррекции величина дрейфа составила около 0.8 мкм, а с введенной коррекцией не превысила 0.05 мкм.
Рис. 2. Пример зависимости погрешности позиционирования от времени без
коррекции (1) и с коррекцией (2)
Заключение. Разработан и исследован новый метод коррекции дрейфа координаты записывающего лазерного пучка в устройствах изготовления ДОЭ с круговым сканированием. Показано, что за время записи в течении более 2 часов дрейф не превышает 0.05 мкм.
Данная работf поддержана частично грантом РФФИ ОФИ-М № 4-2907227 и междисциплинарным интеграционным проектом № 112 Сибирского отделения РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P. etc. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure//Appl. Opt. -1999.- V.- 38.- P. 1295-1301.
2. Chang Yu-Chun and Burge J.H. Error analysis for CGH optical testing // Proc. of SPIE. -1999.- 3782.- P. 358-366.
3. Патент РФ № 2540065. Способ изготовления дифракционного оптического элемента (ДОЭ) / Авторы: Полещук А.Г., Корольков В.П., Шиманскй Р.В., Черкашин В.В.- Опубл. 27.01.2015
© Р. В. Шиманский, А. Г. Полещук, В. П. Корольков, В. В. Черкашин, 2015
