Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток

Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток

Реферат

 

(19)RU(11)1052095(13)C(51)  МПК ⁶    _G02B5/32Статус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА ДЛИННЫХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК

Изобретение относится к области изготовления дифракционных решеток и может быть использовано для спектроскопии и прецизионного измерения перемещений. Известно устройство для записи голографических решеток, состоящее из источника когерентного света, двухлучевого интерферометра и подложки с фоточувствительным слоем. С целью получения голографической решетки с равноотстоящими штрихами (т. е. с постоянным периодом) необходимо коллимировать пучки в интерферометре, а это означает, что длина решетки будет ограничиваться линейным участком апертуры выходных линз коллиматоров, т.е. участком, где распределение интерференционных линий поля наиболее равномерно. Следовательно, можно получить высокоточные решетки длиной не более 100-200 мм. Известно также устройство для фазированного соединения нарезных дифракционных решеток, состоящее из осветителя, зеркала, коллиматора, нефазированных дифракционных решеток, расположенных последовательно на подложке, установленной с возможностью перемещения относительно оптической оси осветителя. Работает устройство следующим образом. На подложку с полимеризующимся слоем накладывают две решетки, которые фазируют с помощью третьей по картине муаровых полос, в результате фазировки штрихи оригиналов располагаются параллельно, а расстояние между штрихами двух соседних фазированных решеток равно целому числу постоянных (шагов) решетки. После полимеризации смолы копию отделяют от оригинала. Недостатком устройства для изготовления составных копий является невозможность устранения незаштрихованной области между оригиналами и устранения "ступеньки", оставшейся на смоле в месте стыковки оригиналов, т.е. малая точность, обеспечиваемая устройством при синтезе решетки. Наиболее близким по конструктивным признакам и достигаемому результату является устройство для синтеза длинных голографических решеток. Оно состоит из источника когерентного излучения, двухлучевого интерферометра, подвижной подложки с фоточувствительным слоем с записанными на ней нефазироваными голографическими дифракционными решетками. При этом нефазированные решетки занимают примерно половину площади (по ширине подложки), а оставшаяся площадь предназначена для получения синтезируемой длиной голографической решетки. Фазирование отдельных участков решетки обеспечивается с помощью двух фотоголовок с четырьмя фотодетекторами, контролирующими интерференционные муаровые полосы (ИМП), причем они установлены в плоскости, параллельной подложке. Система фотодетекторов с блоком питания, измерительным блоком для снятия амплитудных сигналов с фотодетекторов составляет оптоэлектронную схему устройства. В схему двухлучевого интерферометра входит полупрозрачное зеркало, два коллимирующих устройства, состоящие из двух короткофокусных объектов, двух диафрагм и двух длиннофокусных линз. Устройство работает следующим образом. Отдельные участки решетки фазируют по картине муаровых полос, образованных нефазированной решеткой (вспомогательной) и полем скрещенных пучков света следующим образом. Вначале на первой приемной головке фотодатчика измеряют амплитудным способом фазы в двух точках в поле интерференционных муаровых полос от левой части участка нефазированной (вспомогательной) дифракционной решетки и производят экспозицию зоны синтезируемой решетки двумя коллимированными пучками, сходящимися под углом . Затем подложку перемещают на половину длины нефазированной решетки и на приемной головке фотодатчика вновь выставляют значения измеренных ранее фаз небольшим смещением подложки. С помощью приемной головки другого фотодатчика измеряют и запоминают фазы муаровых полос от левой части участка нефазированной решетки и затем вновь производят смещение всей системы на полшага следующей нефазированной решетки. На приемной головке второго фотодатчика вновь небольшим смещением подложки находят значение фазы муаровых полос, после чего экспонируют следующий участок синтезируемой (основной) решетки. Процесс повторяется до получения решетки нужной длины. Перемещение всей подложки осуществляется с помощью механического контактного устройства. Такое устройство принципиально позволяет получать голографические решетки неограниченной длины при отсутствии незаштрихованной области между решетками и с точностью фазировки, равной 1/10 от шага решетки. Однако такое устройство имеет недостатки. Нефазированные вспомогательные дифракционные решетки и синтезируемая решетка записаны на одной подложке с фоточувствительным слоем, а поэтому для работы устройства требуется предварительно записать нефазированные решетки, фотохимическая обработка которых должна быть произведена с особой осторожностью, чтобы не повредить фоточувствительный слой на оставшейся площади подложки, предназначенной для синтезируемой решетки, не засвечивая и не подвергая его действию обрабатывающих растворов и т.д. Таким образом, эта деталь в устройстве-прототипе должна быть выполнена с особой тщательностью и в процессе эксплуатации устройства с ней надо обходиться с осторожностью, что и приводит к усложнению эксплуатации всего устройства; для каждой синтезируемой решетки требуется записывать свои нефазированные решетки, т.е. каждый раз эту деталь в устройстве-прототипе необходимо заменять новой, что усложняет эксплуатацию; кроме того, 50% площади подложки после ее полного изготовления является бесполезным балластом, т.к. она занята вспомогательными решетками, которые в конце процесса записи удаляют с подложки (т.е. весь этот узел требует предосторожностей при эксплуатации устройства и усложняет его). Отсутствует контроль за отклонением подложки в плоскости, задаваемой осями плеч интерферометра на угол обусловленный неточностью направляющих. Передвижение подложки при фазировке осуществляется механическим контактным устройством, что не позволяет производить коррекцию в процессе самой записи, ибо это приводит к появлению вибраций и снижению качества синтезируемой решетки. Нет контроля за изменением частоты интерференционных, линий поля, которое возникает из-за деформации стола интерферометра, когда по нему перемещается каретка с подложками. Контроль фазированного соединения производится по амплитудным значениям ИМП, снимаемых с двух пар фотодетекторов, т.е. они регистрируют абсолютные значения амплитуд ИМП. Вследствие этого фотодетекторы весьма чувствительны к внешним помехам: изменению мощности источника, тепловым шумам, вибрациям, поэтому понижается точность фазированного соединения. Расположение фотодетекторов в плоскости, параллельной подложке, не дает возможности работать с ИМП максимального контраста и устранить шум, вызванный присутствием других порядков дифракции. Таким образом, рассматриваемое устройство обеспечивает точность синтезируемой решетки не более 1 мкм на 1 м. Цель изобретения повышение точности, обеспечиваемой устройством, и упрощение его эксплуатации, что особенно важно при массовом изготовлении голографических решеток. Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для синтеза длинных голографических решеток, содержащее источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр, подвижную подложку с нефазированными голографическими дифракционными решетками, оптоэлектронную схему, включающую четыре фотодетектора, в него дополнительно введены подложка со светочувствительным слоем, неподвижная дифракционная решетка, расположенные последовательно и на подвижной подложке с нефазированными голографическими решетками, а оптоэлектронная схема дополнена фотодетекторами, блоком коммутации, усилителями, фазометром, вольтметром, электрострикционными ячейками, источниками постоянного напряжения и пилообразного напряжения, причем основные фотодетекторы расположены в плоскости, перпендикулярной к оси одного из плеч интерферометра у краев дополнительной подложки со светочувствительным слоем и симметрично ей и в углах прямоугольника, причем две пары этих детекторов расположены на прямых, перпендикулярных к плоскости осей плеч интерферометра, а два дополнительных фотодетектора расположены в той же плоскости, что и основные фотодетекторы, у одного края подложки со светочувствительным слоем на одной прямой, по одну сторону и на одинаковом расстоянии от двух основных фотодетекторов, расположенных у этого же края подложки со светочувствительным слоем, третий и четвертый дополнительные фотодетекторы жестко связаны с дополнительной неподвижной дифракционной решеткой и расположены в апертуре этой решетки на прямой, параллельной плоскости расположения дополнительных первых двух фотодетекторов, одна электрострикционная ячейка установлена с возможностью перемещения в одном из плеч интерферометра и для перемещения короткофокусного объектива и диафрагмы и связана с источником постоянного напряжения, а вторая электрострикционная ячейка в другом плече интерферометра установлена с возможностью перемещения одного из зеркал интерферометра и связана с вторым источником постоянного напряжения и источником пилообразного напряжения, а все фотодетекторы соединены своими выходами с входом блока коммутации, входы которого соединены с вольтметром, усилителями, выходы которых соединены с фазометром, при этом выход второго источника питания соединен с вторым входом коммутатора. Описываемое устройство для синтеза длинных голографических решеток позволяет измерять, корректировать изменение ряда величин: отклонение подложки при перемещении ее в своей плоскости ( ) и в перпендикулярной к ней плоскости, в которой лежат оси плеч интерферометра (), уход частоты интерференционного поля, обусловленный различными факторами, а также обеспечивает контроль и коррекцию фазированного соединения в процессе засветки любого участка, позволяет упростить эксплуатацию устройства за счет введения подложки с фоточувствительным слоем, установленной отдельно от подложки с нефазированными дифракционными решетками, являющейся постоянным узлом устройства. На фиг. 1 изображено описываемое устройство; на фиг. 2 дается расположение подложек и фотодетекторов в апертуре интерферометра. Устройство состоит из осветителя, включающего лазер 1, и двухлучевого интерферометра, состоящего из призмы куба 2, зеркал 3, 4, 5, пьезокерамических ячеек 6, 7, объективов 8, 9, 10, 11, диафрагм 12, 13, подложки со светочувствительным слоем 14, подложки с нефазированными голографическими дифракционными решетками 15, дифракционной решетки 16, фотодетекторов 17-24, источников постоянного напряжения 25, 26, высоковольтного источника пилообразного напряжения 27, коммутатора 28, селективных усилителей 29, 30, фазометра 31, вольтметра 32. Пары фотодетекторов 17, 18 и 20, 21 устанавливаются таким образом, что расстояние между их осями соответствует длине l, определяющей границы отдельного синтезируемого участка. Этот участок при записи длинной голографической решетки выбирается в безаберрационной области выходной апертуры интерферометра. Устройство для синтеза длинных голографических дифракционных решеток работает следующим образом. Нефазированные дифракционные решетки 15, записанные на отдельной дополнительной подложке и жестко скрепленные с подложкой со светочувствительным слоем 14, устанавливаются на подвижной каретке. Подложка с нефазированными решетками выполнена шире подложки со светочувствительным слоем с тем, чтобы последняя не перекрывала поля фотодетекторов 17, 21, а фотодетекторы расположены симметрично относительно подложки с фоточувствительным слоем для работы в интерференционном поле с наименьшими искажениями. Выставляют начальный участок подложки с фоточувствительным слоем перед линейным участком интерференционного поля и настраивают нефазированные решетки на бесконечную ИМП путем изменения углов и Для коррекции отклонений по углам и подложки устанавливают на подвижной каретке с возможностью угловых смещений ее на соответствующие углы. Настраивают также на бесконечную ИМП дифракционную решетку 16, предназначенную для коррекции частоты линий интерференционного поля. Для увеличения точности определения величины разности фаз в промежутках между засветками работа ведется в динамическом режиме. Для этого на ячейку 6 подается переменное пилообразное напряжение от блока 27. Динамический режим измерения разности фаз приводит к модуляции разности фаз между интерферирующими пучками и позволяет увеличить точность измерения разности фаз до 2-3^о. В процессе засветки динамический режим не используется, т.к. он приводит к резкому понижению контраста интерференционных линий поля. Слежение за уходом фазы ведется только постоянным напряжением от блока 25. Измерения в промежутке между экспозициями ведутся следующим образом. Коммутатор 28 коммутирует требуемую пару фотодетекторов, сигнал с которых через селективные усилители 29 и 30 (см. фиг. 1) подается на фазометр 31. Фазированное соединение двух участков осуществляется по разности фаз между сигналом одного фотодетектора и синхросигналом от высоковольтного генератора пилообразного напряжения.В связи с тем, что первый участок не стыкуется ни с каким другим участком, до засветки запоминаются лишь следующие разности фаз (20, 21) в круглой скобке указаны позиции фотодетекторов, с которых снимается разность фаз; ₁ (21, 22); ₂ (21, синхросигнал); ₃ (23, 24). Далее выключается модулирующее напряжение от блока 27. Затем производится засветка 1-го участка подложки 14. В процессе засветки необходимо производить коррекцию фазирования участков, регулируя напряжение, подаваемое на ячейку 6, установленную на зеркале с возможностью его перемещать, от источника постоянного напряжения 25. Для этого в процессе засветки напряжение с фотодетектора 21 с помощью коммутатора 28 выводится непосредственно на вольтметр. После засветки включается модулирующее напряжение и каретка перемещается на величину линейного участка. При перемещении каретки с подложками за счет деформации стола интерферометра частота интерференционных линий поля может измениться. Уход частоты, обусловленный этой причиной, контролируется дифракционной решеткой 16 с фотодетекторами 23, 24, а коррекция частоты осуществляется электрострикционной (пьезоэлектрической) ячейкой 7, управляемой источником постоянного напряжения 26, т.к. при небольших смещениях платформы, на которой установлен объектив 8 с микродиафрагмой 12, происходит изменение угла между осями плеч интерферометра, что в свою очередь изменяет частоту интерференционных линий поля. Поэтому величина разности фаз (23, 24) вновь восстанавливается на этой паре фотодетекторов так, что (23, 24) )= (23, 24) Индекс "штрих" указывает на то, что подложка переместилась на один участок. Далее осуществляют коррекцию углов , которые обусловлены отклонением движения подложки от идеального поступательного перемещения в силу неидеальности направляющих. Для этого на соответствующих парах фотодетекторов, перед которыми установился участок подложки с нефазированными решетками, восстанавливается соответствующая разность фаз, так что ₁(20, 21) (17, 18) для ₂(22, 21) (18, 19) для , т.к. подложки за один цикл перемещаются на расстояние l, равное расстоянию между фотодетекторами 17-20 или 18-21. Это расстояние l не больше размера линейного участка интерференционного поля. Коррекция углов и осуществляется поворотом каретки с подложками на соответствующие углы. Далее приступают к фазированному присоединению второго участка к первому, приравнивая ₃ (21, 0)¹₃ (18,0) смещением волнового фронта в одном из плеч интерферометра с помощью пьезокерамической ячейки 6 и источника постоянного напряжения 25. Затем запоминаются значения разности фаз ¹₁ (20, 21), ¹₂ (22, 21), ¹₃ (21, 0). Выключается модулирующее напряжение, производится засветка второго участка подложки, а во время засветки осуществляется слежение и коррекция ухода фазы интерференционного поля. И далее цикл повторяется многократно до синтеза голографической решетки требуемой длины. Рассмотрим детальнее коррекцию углов отклонения подложек на угол в своей плоскости (см. фиг. 2) и на угол в плоскости, задаваемой осями плеч интеpферометра (см. фиг. 1), и работу фотодетекторов, ответственных за эти отклонения. Отклонения подложки в процессе перемещения на угол приводит к наклону штрихов нефазированных решеток относительно линий интерференционного поля. А отклонение на угол к изменению частоты линий в плоскости подложки. Эти отклонения определяются качеством изготовления направляющих и при длинах перемещения в 1 м и более не могут быть практически устранены. Следовательно, для увеличения точности синтезируемой решетки они должны устраняться соответствующими коррекциями. Для контроля отклонений подложки на угол и от прямолинейного перемещения используются фотодетекторы (17, 18), (20, 21), (18, 19), (21, 22), работающие попарно. Было экспериментально установлено, что, если пара фотодетекторов установлена по линии, перпендикулярной к интерференционным линиям поля, пары фотодетекторов (18, 19) и (21, 22), она нечувствительна (инвариантна) к наклону решетки в своей плоскости на угол Это явление можно пояснить следующим образом: выберем частоту интерференционных линий поля, равную частоте штрихов вспомогательной решетки. Если наклонять решетку в интерференционном поле на угол в ее плоскости (фиг. 2), то образующиеся в результате их взаимодействия ИМП будут либо чаще, либо реже. Но так как фотодетекторы установлены параллельно ИМП, они не будут давать изменения разности фаз. Изменение частоты интерференционного поля интерферометра за счет изменения угла между осями пучков соответствует и эквивалентно изменению угла . Поэтому за решеткой возникнут ИМП, параллельные интерференционным линиям поля, которые внесут разность фаз в показания фотодетекторов (18, 19) и (21, 22). Таким образом, пара фотодетекторов, расположенная перпендикулярно к линиям поля, оказывается нечувствительна к наклону решетки на угол а чувствительна лишь к изменению частоты интерференционных линий поля, т.е. угла Назовем такое расположение фотодетекторов "угловым инвариантом". И, наоборот, пара фотодетекторов, установленная вдоль интерференционных линий поля, в нашем случае пары фотодетекторов 17, 18 и 20, 21, нечувствительна (инвариантна) к изменению частоты интерференционных линий поля, а чувствительна к наклону штрихов, нефазированных, решетки относительно линий интерференционного поля. Поэтому такое расположение фотодетекторов назовем "частотным инвариантом". Так как поворот подложек на угол приводит лишь к эквивалентному изменению частоты поля в плоскости подложек, следовательно, фотодатчики (18, 19), и (21, 22) контролируют только поворот на угол а фотодатчики 17, 18 и (20, 21) контролируют только поворот на угол Таким образом, указанное расположение фотодетекторов согласно обнаруженному угловому и частотному инвариантам позволяет разделить контроль отклонений подложек по углам и и вести раздельные коррекции этих отклонений, что повышает точность фазированного соединения и открывает возможность автоматизации процесса синтеза длинных голографических решеток. Каким же образом необходимо в пространстве расположить пары фотодетекторов (17, 18), (20, 21), (18, 19) и (21, 22), (23, 24), чтобы они отвечали угловому и частотному инвариантам и позволяли разделить контроль углов и Максимальный контраст ИМП наблюдается в направлении оси плеча интерферометра, где интерферируют нулевой и первый порядки пучков. Поэтому все фотодетекторы располагают в плоскости, перпендикулярной к оси одного из плеч интерферометра. Для того чтобы выполнялись инварианты, необходимо располагать две пары фотодетекторов (17, 18) и (20, 21) на прямых, перпендикулярных к плоскости осей плеч интерферометра (частотный инвариант). А пары фотодетекторов (18, 19) и (21, 22) необходимо располагать на одной прямой, перпендикулярной к интерференционным линиям поля (угловой инвариант), а чтобы одновременно соблюдался угловой и частотный инвариант, четыре известных фотодетектора должны располагаться дополнительно к всему в углах прямоугольника. Кроме того, вновь введенные фотодетекторы (19, 22) должны быть расположены у одного из края подложки со светочувствительным слоем, на одной прямой и на одинаковом расстоянии от известных фотодетекторов. Выполнение этого условия необходимо для восстановления после смещения подложки той же самой величины разности фаз, что приводит к увеличению точности устройства. Пара фотодетекторов (23, 24) установленная также в области выходной апертуры интерферометра, осуществляет контроль и коррекцию частоты интерференционных линий поля. Поэтому они также устанавливаются, чтобы удовлетворить условию "углового инварианта", которое выполнимо, если они будут находиться в пределах апертуры дополнительной дифракционной решетки, жестко с ней связаны и на прямой, параллельной той прямой, на которой расположены два вновь введенных фотодетектора (19, 22). Таким образом, эта пара фотодетекторов и пьезокерамическая ячейка 6 с блоком 26 обеспечивает контроль и коррекцию частоты интерференционных линий поля. Заметим, что пары фотодетекторов (18, 19) и (21, 22) располагаются нормально к интерференционным линиям поля в случае бесконечной интерференционной муаровой полосы. В случае конечной полосы они должны располагаться нормально к биссектрисе между интерференционными линиями поля и штрихами вспомогательной решетки. Однако реально разница между углами, соответствующими бесконечной и конечной ИМП, достаточно мала и при работе ею можно пренебречь. Так, к примеру, при частоте линий поля 1000 лин/мм и ширине ИМП 5 мм. Эта разница составляет 20'. Введение дополнительной подложки со светочувствительным слоем (на которой получается синтезируемая решетка), которая жестко связана с имевшейся уже подложкой с дифракционными решетками, позволяет отделить синтезируемую решетку и решетку-образец (подложка с нефазированными решетками), что упрощает эксплуатацию устройства. Кроме того, такая конструкция позволяет уменьшить площадь, необходимую для контроля фазировки, и поэтому использовать линейную часть интерференционного поля, что приводит к увеличению точности устройства. Также, такое конструктивное изменение позволяет расположить фотодетекторы с разных краев подложки с фоточувствительным слоем, что уменьшает ошибки и приводит к увеличению точности. Симметричное их расположение относительно краев подложки со светочувствительным слоем является наиболее оптимальным вариантом, обеспечивающим лучшую точность. За счет измерения разности фаз между сигналами фотодетекторов (для чего введена связь фотодетекторов с устройством для измерения разности фаз, а не по амплитудному значению сигнала, как в прототипе, повышается точность, обеспечиваемая устройством. Лишь контроль одной величины во время самого синтеза осуществляется по амплитудному значению (это обеспечивается связью одного из фотодетекторов с вольтметром). За счет замены механической фазировки на бесконтактную электрическую, осуществляемую с помощью введенной электрострикционной ячейки 6, также повышает точность работы устройства. Таким образом, анализируя все изложенное, можно сделать вывод, что данное устройство позволит получить более высокую точность и более просто в эксплуатации вследствие того, что осуществляется контроль и коррекция отклонения подложки от непрямолинейного перемещения, исходя из установления "углового и частотного инвариантов" и реализации этого условия путем определенного расположения фотодетекторов и обеспечении измерения разности фаз между сигналами фотодетекторов; осуществляется контроль и коррекция частоты интерференционных линий поля; нефазированные дифракционные решетки записаны на отдельной подложке и вследствие того, что вновь введенная подложка с фоточувствительным слоем жестко скреплена с ней и расположена между ней и интерферометром. Отсюда вытекает дополнительное преимущество устройства, а именно: подложка с нефазированными решетками является постоянным узлом в данном устройстве, в противоположность устройству-прототипу, где после каждого синтеза голографической решетки необходимо ставить новую подложку с дифракционными решетками. Это особенно важное качество при массовом производстве решеток.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНТЕЗА ДЛИННЫХ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК, содержащее источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр, подвижную подложку с записанными на ней нефазированными голографическими дифракционными решетками и оптоэлектронную схему, включающую фотодетекторы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в устройство дополнительно введены подложка со светочувствительным слоем, неподвижная дифракционная решетка, расположенные последовательно и на подвижной подложке с нефазированными голографическими дифракционными решетками, а оптоэлектронная схема дополнена фотодетекторами, блоком коммутации усилителями, фазометром, вольтметром, электрострикционными ячейками, источниками постоянного напряжения и пилообразного напряжения, причем основные фотодетекторы расположены в плоскости перпендикулярной к оси одного из плеч интерферометра у краев подложки со светочувствительным слоем симметрично ей и в углах прямоугольника, причем две пары этих детекторов расположены на прямых, перпендикулярных к плоскости осей плеч интерферометра, а два дополнительных фотодетектора расположены в той же плоскости, что и основные фотодетекторы, у одного края подложки со светочувствительным слоем на одной прямой, по одну сторону и на одинаковом расстоянии от двух основных фотодетекторов, расположенных у этого же края подложки со светочувствительным слоем, третий и четвертый дополнительные фотодетекторы жестко связаны с дополнительной неподвижной дифракционной решеткой и расположены в апертуре этой решетки на прямой, параллельной плоскости расположения дополнительных первых двух фотодетекторов, одна электрострикционная ячейка установлена в одном из плеч интерферометра с возможностью перемещения короткофокусного объектива и диафрагмы и связана с источником постоянного напряжения, а вторая электрострикционная ячейка установлена в другом плече интерферометра с возможностью перемещения одного из зеркал интерферометра и связана с вторым источником постоянного напряжения, а вторая электрострикционная ячейка установлена в другом плече интерферометра с возможностью перемещения одного из зеркал интерферометра и связана с вторым источником постоянного напряжения и источником пилообразного напряжения, все фотодетекторы соединены своими выходами с входом блока коммутации, выходы которого соединены с вольтметром, усилителями, выходы которых соединены с фазометром, при этом выход второго источника постоянного напряжения соединен с вторым входом коммутатора.