CC BY
6
УДК 535.421
ОРГАНИЗАЦИЯ ДВУХВОЛНОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ВЫСОКОАПЕРТУРНОГО ЗЕРКАЛЬНО-ДИФРАКЦИОННОГО ОБЪЕКТИВА
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)333-79-31, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su
Предложена система организации двухволнового режима работы высокоапертурного (NA=0.95) зеркально-дифракционного объектива, на двукратно отличающихся длинах волн лазерных источников - 266 нм и 532 нм. Указанный объектив выполнен на основе дифракционного оптического элемента (ДОЭ) и кольцевого сферического зеркала, а для суммирования лазерных пучков применен их тонкопленочный гармонический объединитель. Основной акцент в данной работе сделан на вопросе оптимизации бинарно-фазовой структуры ДОЭ и исследовании возможности его работы одновременно в первом порядке дифракции на длине волны 266 нм и во втором порядке дифракции на длине волны 532 нм.
Ключевые слова: дифракция, высокоапертурные оптические объективы, бинарно-фазовые дифракционные структуры, многопорядковые дифракционные решетки.
IMPLEMENTING THE TWO-WAVELENGTH OPERATION
OF A HIGH-NUMERICAL-APERTURE MIRROR-DIFFRACTIVE OBJECTIVE LENS
Andrey G. Sedukhin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)336-41-08, e-mail: sedukhin@iae.nsk.su
A system is proposed for implementingthe operation of a high-numerical-aperture (NA = 0.95) mirror-diffractive objective lens attwo-times distinguished wavelengths of laser sources - 266 nm and 532 nm. The objective lens is based on a diffractive optical element (DOE) and an annular spherical mirror. Athin-film harmonic mirror is used to combine the laser beams. The main emphasis in this work is made on the issue of optimization of the binary-phase structure of the DOE and on the investigation of the possibility of its operation simultaneously in the first diffraction order at a wavelength of 266 nm and in the second diffraction order at a wavelength of 532 nm.
Key words: diffraction, high-numerical-aperture objective lenses,binary-phase diffractive structures, multi-order diffraction gratings.
В настоящей работе предложен метод организации двухволнового режима работы высокоапертурного зеркально-дифракционного объектива для двукратно отличающихся значений длин волн лазерных источников. В конкретно рассматриваемом варианте, данные значения составляют 266 нм и 532 нм. Оптическая схема указанного объектива совместно с тонкопленочным гармоническим объединителем пучков (ОП) приведена на рис. 1. Ранее объектив был рассмотрен в ссылках [1, 2]. Он имеет числовую апертуру NA = 0.95, кольцевую форму выходной апертуры и проектировался на его использование в системе лазерного сканирующего нанолитографа, при длине волны технологического лазера рав-
ной \ = 266нм. Схема объектива весьма критична к точности юстировки его компонентов. Использование же невидимого глазом излучения глубокого ульт -рафиолетового диапазона длин волн, а также отсутствие (на рынке) доступных стандартных оптических средств контроля сфокусированного пучка с указанной высокой числовой апертурой делают практически невозможной точную юстировку данной системы на длине волны \ = 266 нм. Под стандартными средствами контроля здесь понимается применение другого высококачественного объектива с еще большей числовой апертурой, способного работать на указанной длине волны.
Д сз
Рис. 1. Оптическая схема зеркально-дифракционного объектива совместно с объединителем пучков ОП: ДОЭ - дифракционный оптический элемент, Д - кольцевая диафрагма, СЗ - кольцевое сферическое зеркало, О - центр кривизны зеркала, Г - точка фокуса на оптической оси г
В связи с указанным обстоятельством, в одном из важных потенциальных вариантов сканирующего лазерного нанолитографа предусматривается применение дополнительного лазерного источника с длиной волны Я2 двукратно превышающей рабочую длину, то есть сЛ2 = 532 нм. Как показано на рис. 1, колли-
мированные лазерные пучки указанных длин волн объединяются с помощью объединителя пучков ОП, с точной юстировкой общего хода пучков на выходе ОП. Для того, чтобы система фокусировки имела также общий фокус, могут быть рассмотрены несколько вариантов выполнения структуры ДОЭ. Реализация общего фокуса предопределяет практически важную возможность автоматической юстировки системы на невидимой длине волны \ = 266 нм, в случае,
когда система полностью отъюстирована на видимой длине волны Л2 = 532 нм
(например, по методике, рассмотренной в [2]).
В рассматриваемом здесь варианте исследован практический случай, когда ДОЭ имеет радиально-симметричную бинарно-фазовую структуру с минималь-
ным размером зон, превышающим (в частности, по технологическим причинам) 500 нм, при максимальном угле дифракции лучей в центре ДОЭ равном у = 6o. Соответственно, из формулы дифракции на регулярной решетке на длине волны А2 = 532 нм следует, что минимальный период фазовой структуры в центре ДОЭ
составляет
d = m2X2/sm (у) = 2.2 мкм, (1)
где m2 = 1- индекс первого полезного порядка ДОЭ для Х2 = 532 нм. Из уравнения (1) можно также заключить, что фактор т2Я2, а следовательно и параметры d и у, можно сохранить строго постоянными при переходе на двукратно меньшую длину волны \ = 266 нм и при организации работы ДОЭ в соответствующем этой длине волны втором порядке дифракции m1 = 2, то есть в случае, ко -гда т2Я2 = т1Л1 = const .Известно, что ряд фазовых структур ДОЭ, в частности,
так называемые гармонические киноформные структуры [3], позволяют обеспечить работу сразу в нескольких дифракционных порядках, с относительно высокими дифракционными интенсивностями в данных порядках. Однако, малая величина минимального периода фазовой структуры ДОЭ, определяемая формулой (1), а также технологические ограничения по разрешающей способности установки для прямой лазерной записи структуры ДОЭ [4] не позволяют реализовать необходимый киноформный профиль.
Вместе с тем, выполнение указанного условия т2Л2 = т1Я[ = const и удов -
летворение технологических ограничений по разрешающей способности установки для прямой лазерной записи, возможно при бинарно-фазовой радиальной структуре ДОЭ, с дополнительной модуляцией периода и скважности зон данной структуры. Задача расчёта такого ДОЭ очень близка к оптимизационной задаче расчета решеток Даммана, с той разницей, что оптимизации здесь подлежит такая структура, которая будет иметь лишь один первый порядок дифракции при работе ДОЭ на длине волны Л2 = 532 нм и лишь один второй порядок
дифракции при работе ДОЭ на длине волны \ = 266нм. При этом в качестве псевдопериода решетки Даммана следует выбрать удвоенный исходный период структуры ДОЭ. Данная задача осложняется тем, что при двукратной разнице в длинах волн, трудно обеспечить оптимальную для обеих длин волн фазовую задержку ДОЭ для реализации высокой эффективности одновременно на обеих длинах волн. Тем не менее, как показали проведенные нами расчеты, реализация указанных ДОЭ все же возможна с умеренной эффективностью в полезных порядках дифракции на обеих длинах волн порядка 11%. Однако, минимальный размер зон такого ДОЭ составил бы, по нашей оценке слишком малую величину - 0.11 мкм.
В связи со сказанным, для возможности синтеза бинарно-фазового ДОЭ, имеющего минимальный размер зон больше 500 нм и способного работать на двух длинах волн \ = 266 нм и Я2 = 532 нм, в данной работе ниже представлен
потенциально пригодный для проектируемого лазерного нанолитографа расчетный вариант структуры ДОЭ с относительно высокой (для бинарной структуры) световой эффективностью на длине волны \ = 266 нм и невысокой (но достаточной для практического применения - например, для проведения юстировки системы) эффективностью на длине волны Я2 = 532 нм. Оптимизация структуры
ДОЭ была проведена в соответствии с выше указанным видоизменением целевой функции, характерной для расчета решеток Даммана, а также эмпирическим выставлением весового баланса между световыми эффективностями ДОЭ при работе на разных длинах волн и для различных порядков дифракции, с целью реализации структуры ДОЭ с минимальным размером зон больше 500 нм. При оптимизационном расчете глубины фазового профиля ДОЭ учтено, что показатели преломления кварцевого стекла для изготовления ДОЭ составляют на длине волны \ = 266 нм п1 = 1.4997 и на длине волны Л2 = 532 нм п1 = 1.4607 .
Определенные в результате расчета относительные точки перехода на одном псевдопериоде структуры ДОЭ можно представить в виде следующей последовательности: 0.2984, 0.5547, 0.7016, 1.0000, с начальным абсолютным значением псевдопериода в центре ДОЭ равном 4.4 мкм. Исходя из указанной последовательности точек перехода, минимальный размер зон ДОЭ составил (0.7016-0.5547) х 4.4 = 0.65 мкм. Расчетная глубина бинарно-фазовой структуры составила 0.625 мкм. На рис. 2 показаны два варианта относительной интенсивности в дифракционных порядках рассчитанного ДОЭ, нормированной на величину интенсивности падающего пучка - при работе ДОЭ на длине волны \ = 266 нм (а) и при его работе на длине волны Х1 = 532 нм (б). Как можно видеть, при работе на основной длине волны \ = 266 нм, дифракционная эффективность в полезном втором порядке дифракции составляет 30.2 % и приближается к эффективности регулярного ДОЭ со стандартной скважностью зон (равной 2), то есть к 40.5%. При работе же на вспомогательной длине волны Я2 = 532 нм, дифракционная эффективность в полезном первом порядке дифракции составляет 2.8%, что можно считать достаточным для проведения операций по юстировке системы и проверке ее характеристик на данной длине волны.
Таким образом, в данной работе продемонстрировано, что при отклонении от стандартной процедуры расчета зон бинарно-фазовой структуры ДОЭ, можно обеспечить достаточно удовлетворительную (по эффективности) работу ДОЭ, а следовательно и всего объектива, на двукратно отличающихся длинах волн, с сохранением общей точки фокуса объектива.
Номер дифракционного порядка
Номер дифракционного порядка
Рис. 2. Относительные интенсивности в дифракционных порядках рассчитанного ДОЭ при работе на длине волны \ = 266 нм (а) и на длине волны Я2 = 532 нм (б)
Данная работа поддержана Российским научным фондом (грант 17-19-01721).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Седухин А. Г, Полещук А. Г. Зеркально-дифракционный объектив для фокусировки лазерного радиально поляризованного пучка в пятно предельно малого размера // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2016» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. - C. 42-46.
2. 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.
3. Sweeney D.W. and Sommargren G.E. Harmonic diffractive lenses // Appl. Opt. - 1995. -V. 34 (14). - P. 2470-2475.
4. Poleshchuk A.G., Churin E.G., Koronkevich V.P., Korolkov V.P. Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure // Appl. Opt. - 1999. - V.38 (8). - P. 1295-1301.
© А. Г. Седухин, 2018
