极坐标激光直写若干控制关键技术理论研究

论文摘要

衍射光学元件是航天、航空、国防和通信等领域的关键器件之一,随着科学技术的进步,对衍射光学元件的功能和加工精度提出了越来越高的要求,特别是对具有微细结构衍射元件的需求日益迫切。激光直写技术由于无需掩模、加工精度高等优点成为目前衍射光学元件加工的关键技术之一,其中极坐标激光直写是加工圆对称衍射光学元件的主要手段,但该技术存在接头闭合质量低、线宽稳定性差以及加工线条中心的径向漂移等问题,制约了圆对称衍射光学元件加工精度的提高。课题“极坐标激光直写若干控制关键技术研究”的目的是在现有极坐标激光直写技术的基础上,探讨研究一种提高线条制作质量的控制技术,着重通过径向位置补偿消除径向漂移原理误差,通过增加对接区域有效过渡长度减小定位误差对接头质量的影响,通过弱化曝光量误差和曝光阈值误差对线条宽度的影响提高制作线条的稳定性。本课题的研究为解决目前极坐标激光直写过程中的线条对接质量和线宽稳定性提供了一种有效的技术途径,为提高衍射元件的性能、拓宽其应用领域提供技术储备。本文首先从极坐标激光直写的曝光原理出发,对极坐标激光直写曝光量分布进行了深入分析,研究了当扫描半径接近光斑尺寸时,加工线条的展宽和中心向极坐标中心移动的径向漂移,由此建立了线条展宽模型和径向漂移模型,并分析了线条展宽和径向漂移之间的耦合,进而分别建立了线条展宽光功率补偿模型和径向漂移补偿模型。为了提高接头闭合质量,提出基于S曲线光强控制的极坐标激光直写接头光滑闭合方法。在对接区域采用S曲线进行光强控制,利用S曲线斜率渐变的特性增加了对接区域曝光量变化的有效过渡长度,以减小曝光量的变化速率;在此基础上分析了S曲线控制参数变化对曝光量分布的影响,进而在以对接区域曝光量分布恰好存在一个极值点为最优的条件下,对控制参数进行优化,实现了接头的光滑闭合。线宽均匀稳定性是线条质量的重要指标,分析了影响离焦激光直写线宽稳定性的因素,并且提出一种提高离焦激光直写线宽稳定性的光功率控制方法,通过同时调节激光功率和离焦量,使曝光阈值处于线宽对曝光量的变化率较小的位置,从而弱化实际曝光量和曝光阈值等参数变化对线宽的影响,提高离焦直写制作衍射光学元件的线宽稳定性。本文最后对课题所研究的若干关键技术进行实验验证,主要包括:S曲线光强控制接头闭合效果验证,采用稳定线宽方法后的线宽模型验证以及对曝光量误差和曝光阈值误差线宽稳定性验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 DOE制作方法的国内外研究现状
• 1.2.1 金刚石车削技术
• 1.2.2 干涉光刻技术
• 1.2.3 掩模光刻技术
• 1.2.4 直写技术
• 1.2.5 复制技术
• 1.3 激光直写技术发展现状
• 1.3.1 国外激光直写的发展现状
• 1.3.2 国内激光直写的发展现状
• 1.4 课题来源和主要研究内容
• 第2章 极坐标激光直写的曝光量分布理论与线条径向漂移研究
• 2.1 引言
• 2.2 极坐标激光直写的系统组成
• 2.3 激光直写时光刻胶内曝光量分布
• 2.3.1 直角坐标激光直写曝光量分布
• 2.3.2 极坐标激光直写曝光量分布
• 2.4 极坐标激光直写线条展宽和径向漂移
• 2.4.1 极坐标激光直写的误差分析
• 2.4.2 线条展宽模型和径向漂移模型
• 2.4.3 径向漂移补偿和线条展宽补偿
• 2.5 本章小结
• 第3章 极坐标激光直写S曲线光强控制接头光滑闭合方法
• 3.1 引言
• 3.2 传统接头闭合方法
• 3.2.1 影响接头闭合质量的因素
• 3.2.2 传统接头闭合方法分析
• 3.3 S曲线光强控制接头闭合方法
• 3.3.1 S曲线光强控制模型
• 3.3.2 S曲线光强控制方法参数优化
• 3.4 光斑尺寸对闭合效果的影响
• 3.5 横坐标单位长度代表的实际长度对曝光量分布影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 离焦激光直写稳定线宽方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 传统的多线宽线条加工方法
• 4.2.1 重叠写入方法
• 4.2.2 多物镜系统和孔径光阑可变系统
• 4.2.3 调节曝光强度方法
• 4.2.4 离焦直写方法
• 4.3 离焦激光直写线宽稳定性的影响要素
• 4.4 离焦激光直写稳定线宽的光功率控制方法
• 4.4.1 针对曝光量误差的稳定线宽光功率控制方法
• 4.4.2 针对曝光阈值误差的稳定线宽光功率控制方法
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 S曲线光滑闭合方法的实验
• 5.2.1 声光调制器特性曲线
• 5.2.2 S曲线和斜线段光强控制方法闭合效果对比实验
• 5.2.3 S曲线控制参数优化前后效果实验对比
• 5.3 离焦激光直写稳定线宽方法的效果验证
• 5.3.1 放大物镜放大倍率测量实验
• 5.3.2 直写光斑束腰测量实验
• 5.3.3 针对曝光量误差的稳定线宽方法验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历