CC BY
36
УДК 535.421
ОСОБЕННОСТИ ЮСТИРОВКИ ВЫСОКОАПЕРТУРНОГО ДИФРАКЦИОННО-РЕФЛЕКТОРНОГО ОБЪЕКТИВА
Андрей Георгиевич Седухин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, старший научный сотрудник, тел. (383)333-79-31, e-mail: [email protected]
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Предложена специализированная методика юстировки высокоапертурного (NA = 0.95) дифракционно-рефлекторного объектива, основными компонентами которого являются дифракционный оптический элемент (ДОЭ) и кольцевое сферическое зеркало. Данная методика основана на применении набора кольцевых диафрагм и пропускании на время юстировки сходящихся паразитных дифракционных порядков ДОЭ в фокальном объеме объектива. Применение методики позволяет устранить основные типы аберраций объектива, типа сферической аберрации и комы.
Ключевые слова: дифракционная оптика, высокоапертурные оптические объективы, аберрации.
DISTINGUISHING FEATURES OF ALIGNING A HIGH-NUMERICAL-APERTURE DIFFRACTIVE-REFLECTIVE OBJECTIVE LENS
Andrey G. Sedukhin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, senior research scientist, tel. (383)333-79-31, e-mail: [email protected]
Alexander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., Head of Laboratory of the Diffraction Optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
A specialized technique is proposed for the alignment of a high-numerical aperture (NA = 0.95) diffractive-reflective objective lens composed of a diffractive optical element (DOE) and a circular spherical mirror. This technique is based on using of a set of circular aperture stops and the temporal transmission of converging parasitic diffraction orders of the DOE through the focal volume of the lens. Application of this technique enables one to eliminate the main kinds of aberrations, such as spherical and coma.
Key words: diffractive optics, high aperture optical lenses, aberration.
В настоящей работе предложена специализированная методика юстировки высокоапертурного дифракционно-рефлекторного объектива, предназначенного для получения в дальней зоне сфокусированного лазерного пятна с субволновым размером (FWHM) порядка 0.4 X, где X - длина волны используемого
излучения. Такой объектив ранее уже был рассмотрен [1, 2] и проектировался для использование в системе лазерного сканирующего нанолитографа с применением лазеров ультрафиолетового диапазона длин волн. Совокупность таких факторов, как малая длина световой волны источника излучения (X = 266 нм), высокая числовая апертура объектива (NA = 0.95) и большой рабочий отрезок (1 мм) предъявляют особенно жесткие требования к качеству компонентов, механическому креплению компонентов объектива, а также к точности их юстировки. Учитывая же нестандартность конструкции объектива и его компонентов, прямое использование традиционных методик юстировки (ориентированных на стандартные объективы) не представлялось возможным и потребовало разработки новой методики.
Основными компонентами рассматриваемого объектива являются расположенные на одной оптической оси дифракционный оптический элемент (ДОЭ) с радиальной симметрией и кольцевое сферическое зеркало (СЗ) (см. рис. 1, а). Вспомогательными компонентами объектива служат преобразователь (П) линейной поляризации в радиальную и заградительная диафрагма Дь служащая фильтром пространственных частот и пропускающая световые лучи первого порядка дифракции от ДОЭ. Сам ДОЭ служит для фокусировки световых лучей в кольцо, расположенное в передней фокальной плоскости СЗ, как это показано на рис. 1.
Как видно из рис. 1, особенностью данной конструкции является вырезание низших пространственных частот из спектра фокусируемого света. Это создает дополнительные сложности при юстировке ДОЭ и СЗ (особенно начальной), а также при регистрации функции рассеяния точки (ФРТ) объектива. С другой стороны, следует также учесть, что согласно критериям Рэлея и Мареша-ля, примененным к рассматриваемому случаю, для получения ФРТ объектива близкой к дифракционно-ограниченной, абсолютная деформация волнового фронта объектива не должна превышать, соответственно, величин X/ 4 = 66.5 нм и X/14 = 19 нм (первая и вторая величины понимаются по указанным критериям, как максимальное локальное и среднеквадратическое значения). Обеспечение столь малых нанометровых величин деформации волнового фронта на рабочих линейных апертурах преобразователя поляризации, ДОЭ и СЗ с диаметрами порядка 14 мм требует, очевидно, применения особо точных методов юстировки данных узлов. Стандартные операции начальной юстировки рабочих поверхностей преобразователя поляризации и ДОЭ (нормально к оптической оси коллимированного входного пучка не вызывают сложностей и здесь не описываются.
Для решения задачи устранения сферической аберрации, в настоящей работе предлагается использовать, на этапе юстировки, набор из двух к ольцевых диафрагм Д2 и Д3, устанавливаемых непосредственно за ДОЭ (см. рис. 1, б и с).
Д1 сз
а)
Д1 сз
в)
Рис. 1. Исходная оптическая схема дифракционно-рефлекторного объектива (а), и ее модификации на этапах юстировки аберрации типа комы (б, в)
и сферической аберрации (г)
При неточно выставленном расстоянии между ДОЭ и СЗ (по отношению к расчетному расстоянию) и поочередной установке диафрагм Д2 и Д3 световые лучи, прошедшие данные диафрагмы, будут фокусироваться (после отражения от СЗ) на оптической оси в точках, смещенных ближе либо дальше относительно расчетного фокуса Г, что можно просто зарегистрировать с помощью оптического микроскопа. Это свойство используется здесь для устранения аберрации типа комы и точной юстировке указанного расстояния, при котором положение точки фокусировки (максимума распределения световой интенсивности) не зависит от смены диафрагм Д2 и Д3.
Для устранения аберрации типа комы, предлагается использовать на этапе юстировки временное подмешивание паразитных сходящихся дифракционных порядков ДОЭ (минус первого и третьего) к световому полю, образованному полезным расходящимся (плюс первым) порядком дифракции. Для этого диафрагма Д1, присутствующая в исходной схеме (рис. 1, а), убирается и в фокальной плоскости объектива регистрируется интерференционная картина, образованная наложением паразитных световых пучков минус первого (как показано на рис. 1, г) и третьего порядков дифракции, а также пучка плюс первого полезного порядка. При несоосности ДОЭ и СЗ, положение центрального светового пятна, имеющего относительно большой размер и образованного паразитными порядками, не будет совпадать с центральным пятном, имеющим малый размер и образованным пучком полезного порядка дифракции. Для иллюстрации, на рис. 2, а и б показаны экспериментально полученные фотографии двух интерференционных картин при различной несоосности ДОЭ и СЗ. Юстировка соосности этих компонентов осуществляется совмещением центральных пятен пучков от этих компонентов. После ряда последовательных операций юстировки по устранению аберраций типа комы и сферической аберрации, вспомогательные диафрагмы убираются и система приводится в рабочее состояние с установкой оконечной заградительной диафрагмы.
а) б)
Рис. 2. Интерференционные картины при большей (а) и меньшей (б) несоосности ДОЭ и СЗ (положение небольшого сфокусированного пятна полезного порядка дифракции находится справа на 4-й (а) и 1 -й (б) темных полосах фоновой картины от паразитных порядков дифракции, с большим размером центрального пятна)
Таким образом, осевая симметрия рассмотренной схемы оптического объектива, а также попадание световых пучков паразитных порядков дифракции ДОЭ в фокальный объем, при устранении оконечной заградительной диафрагмы, позволяют реализовать высокоточный интерференционный режим юстировки, способствующий устранению сферической аберраций объектива. С другой стороны, разнос ДОЭ и СЗ в системе объектива делает возможным установку селектирующих диафрагм, позволяющих анализировать ход центральных и периферийных световых пучков и, тем самым, осуществлять юстировку системы с устранением аберрации типа комы. Помимо системы сканирующего лазерного нанолитографа, для которой разрабатывался рассмотренный объектив, потенциально, данная методика юстировки может найти применение также в других сходных оптических системах с применением дифракционных оптических элементов.
Данная работа поддержана грантом РФФИ ОФИ-М№ 14-29-07227.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Полещук А. Г., Седухин А. Г. Оптимизация параметров высокоапертурного дифракционно-рефлекторного объектива // Сборник трудов 12-й Международной конференции «Голография ЭКСПО - 2015» (12-15 октября 2015 г., г. Казань, Россия). - М. : ООО «Голография-Сервис». - С. 319-321.
2. 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. - С. 42-46.
© А. Г. Седухин, А. Г. Полещук, 2017
