CC BY
82
УДК 29.31.26
КРУГОВАЯ ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЫВАЮЩАЯ СИСТЕМА
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДОЭ НА СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЯХ
Александр Григорьевич Верхогляд
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заведующий лабораторией, тел. (383)306-58-68, e-mail: [email protected]
Марина Андреевна Завьялова
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Леонид Борисович Касторский
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, главный конструктор, тел. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Антон Евгеньевич Качкин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (383)333-30-91, е-mail: [email protected]
Сергей Александрович Кокарев
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, главный специалист, тел. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: [email protected]
Олег Юрьевич Моисеев
Институт систем обработки изображений РАН, 443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 151, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (846)332-56-20, e-mail: [email protected]
Александр Григорьевич Полещук
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)333-30-91, е-mail: [email protected]
Руслан Владимирович Шиманский
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, е-mail: [email protected]
Работа посвящена применению круговой лазерной записывающей системы для изготовления дифракционных элементов на сферических поверхностях. Лазерная запись может быть сделана как на пленке фоторезиста, так и непосредственно на тонкой пленке хрома, нанесенных на вогнутую или выпуклую сферическую поверхность.
Ключевые слова: круговая лазерная записывающая система (КЛЗС), датчик автоматической фокусировки, фоторезист, дифракционный оптический элемент (ДОЭ).
APPLICATION OF CIRCULAR LASER WRITING SYSTEM FOR FABRICATION OF DOEs ON SPHERICAL SURFACES
Aleksander G. Verhoglyad
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Head of Laboratory, tel. (383)306-58-68, e-mail: [email protected]
Marina A. Zavyalova
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Junior Scientist, tel. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Leonid B. Kastorsky
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Chief Designer, tel. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Anton E. Kachkin
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Academician Koptyuga Prospekt, Software Engineer, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Sergey A. Kokarev
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Chief Specialist, tel. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Viktor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Academician Koptyuga Prospekt, Doctor of Technical Sciences, Senior Scientist, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Oleg Yu. Moiseev
Image Processing Systems Institute of the Russian Academy of Sciences, 443001, Russia, Samara, 151 Molodogvardeikaya St., Candidate of Technical Sciences, Senior Scientist, tel. (846)332-56-20, e-mail: [email protected]
Aleksander G. Poleshchuk
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Academician Koptyuga Prospekt, Doctor of Technical Sciences, Head of Laboratory, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]
Ruslan V. Shimansky
Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Academician Koptyuga Prospekt, Researcher, tel. (383)333-30-91, е-mail: [email protected]
The paper is devoted to application of circular laser writing system for manufacturing of dif-fractive elements on spherical surfaces. Laser writing can be made on photoresist film or directly on thin chromium film coated on convex or concave spherical surface.
Key words: circle laser writing system (CLWS), autofocus sensor, photoresist, diffractive optical element (DOE).
Круговые лазерные записывающие системы (КЛЗС) доказали свою точность и многофункциональность при изготовлении широкого ряда дифракционных элементов и угловых шкал на основе применения прямой технологий записи на термочувствительных материалах [1]. Однако наличие огромного разнообразия фоторезистов для бинарной и аналоговой фотолитографии ставит естественный вопрос о разработке варианта КЛЗС специализированного только для прямой лазерной записи на фоторезисте. Такие установки были созданы для Харбинского технологического института (КНР) [2] и Самарского аэрокосмического университета совместно КТИ НП СО РАН и ИАиЭ СО РАН. Отличительной особенностью этих установок является то, что они позволяют осуществить запись по сферической поверхности. Системы построены по схеме с одним записывающим диодным УФ лазером, имеющим мощность 60-120 мВт и длину волны 405 нм, и дополнительным DPSS лазером с длиной волны 532 нм и выходной мощностью 50-200 мВт. Оптический канал с УФ лазером полностью мобильный, то есть размещается целиком на каретке радиального перемещения (рис. 1).
Дополнительный зеленый лазер используется для записи юстировочных структур путем проплавления фоторезиста и измерения их положения. Фоторезист не чувствителен к длине волны 532 нм и только плавится при высокой мощности пучка. Формирование кольцевых юстировочных канавок путем плавления и испарения фоторезиста возможно и с помощью УФ лазера, но в этом случае при плавлении резиста имеет место эффект волноводного распространения светового пучка большой интенсивности вдоль пленки фоторезиста. Это приводит к переэкспонированию фоторезиста на участке (до сотен микрометров в диаметре) вокруг оси вращения.
Применение диодного лазера PhoxX-405 (Omicron Laser GMbH) позволило расширить функциональность управления записывающим лазером. В этом лазере имеется цифровой вход Laser enable для полного выключения лазера (ВКЛ/ВЫКЛ на рис. 1). Он использовался как высокоскоростной затвор, так как частотная полоса этого входа 150 кГц с временем нарастания/спада 200 нс и он не подходит для режима радиальной импульсной модуляции.
Формирование сигналов радиальной аналоговой (РАМ) и радиальной импульсной (РИМ) модуляции для диодного УФ лазера, а также сигнала угловой аналоговой модуляции (УАМ) для АОМ осуществлялось с помощью высокоскоростной PCI-платы векторного функционального генератора (ВФГ), установленной в управляющий компьютер [3]. В ВФГ также реализована возможность сохранения и оперативного использования нескольких многоуровневых передаточных характеристик для компенсации совместной нелинейности моду-
лятора и регистрирующей среды. В ФВГ также заложена возможность генерации РИМ для АОМ и задержанной РИМ для диодного лазера. РИМ используется для записи в радиальном диапазоне от оси вращения до примерно 1 мм, позволяя компенсировать изменение скорости сканирования в диапазоне не менее 1:1000.
Рис. 1. Схема оптического канала КЛЗС. Условные обозначения: СД1-СД4 - дихроичные светоделители, Л1 - линза, М1-М3 - зеркала, КСАФ - контроллер системы автофокусировки, ЗО - затвор-осветитель, ЭМА - электромагнитный актюатор, ФПК и ФПКЗ - фотоприемники калибровки и контроля записи
Моторизованный дифракционный аттенюатор (МДА) с переменным пропусканием [4] используется для грубой компенсации изменения линейной скорости сканирования пучка аттенюацией его мощности при записи фоторезисту. Формирование сигналов управления моторизованным аттенюатором, затвором-осветителем, включением-выключением УФ лазера, а также чтение сигналов с ФПК и ФПКЗ осуществляется контроллером системы автофокусировки наряду с его основной функцией - формированием сигнала обратной связи для электромагнитного актюатора, перемещающего микрообъектив по сигналу с датчика АФ. Этот контроллер позволяет также производить синхронное с вращением подложки (по сигналам импульсам начала оборота (ИНО) и тактовым импуль-
сам СИ) считывание фотоприемника контроля записи и разностного и суммарного сигналов датчика автофокусировки.
Наряду с полностью мобильным оптическим каналом отличительной особенностью рассматриваемых КЛЗС является также то, что они могут производить запись по осесимметричной вогнутой или выгнутой поверхности. Для реализации этого режима схема датчика автофокусировки [5] построена таким образом, что плоскость фокусировки красного (658 нм) лазера датчика АФ совпадает с плоскостью фокусировки записывающего УФ лазера и зеленого дополнительного лазера. Поскольку микрообъектив не полностью ахроматизирован, то при коллимированных входных пучках излучение с тремя разными длинами волн фокусируется на разных расстояниях от объектива. Для решения этой проблемы коллиматоры для лазерных пучков с длинами волн 405 и 532 нм юстировались так, чтобы получить сходящиеся пучки, имеющие диаметр 5-5,5 мм на входной апертуре микрообъектива и фокусирующиеся в фокальной плоскости для лазерного излучения с длиной волны 658 нм, используемого в датчике АФ.
В более ранних КЛЗС пучок записывающего лазера всегда коллимировал-ся после прохождения модуляторов и перед тем как направлялся на каретку радиального перемещения к фокусирующему объективу. При перемещении каретки диаметр пучка на апертуре микрообъектива оставался неизменным, гарантируя постоянство распределения интенсивности записывающего пучка во всем радиальном диапазоне сканирования. Схема датчика АФ была построена таким образом, что красный лазерный пучок от датчика АФ падал на входную апертуру микрообъектива под небольшим углом и отражаясь от регистрирующей среды проходил снова через объектив и далее через оптическую схему к сдвоенному фотодиоду [6]. Дефокусировка приводила к перемещению пучка относительно границы раздела между секциями сдвоенного фотоприемника. При этом записывающий пучок и лазерный пучок датчика АФ фокусировались не только в разных плоскостях, но и их точки фокусировки были удалены друг от друга на десятки микрометров. Такая схема надежно работает для записи на плоской поверхности, но не подходит для записи по криволинейной поверхности, где происходит изменение угла отражения пучков от поверхности заготовки. В связи с чем и был разработан датчик АФ [5], для реализации которого потребовалось фокусировать записывающий пучок в то же самое место, что и красный лазерный пучок датчика АФ. Принцип действия данного датчик подробно описан в [7]. Следует отметить, что для его стабильной работы при записи на сферических поверхностях (выпуклых или вогнутых) необходимо, чтобы поверхность заготовки находилась строго в перетяжке лазерного зондирующего пучка. В противном случае, сферическая поверхность начинает влиять на расходимость отраженного пучка, что приводит к формированию ошибочного сигнала рассогласования.
Новый датчик АФ оказался очень удобен для операции поиска центра вращения заготовки по кольцу записанному зеленым лазером, так как лазер датчика АФ включен всегда и не влияет на фоторезист. При таком способе счи-
тывается суммарный сигнал ЛЕбиш с датчика автофокуса, пропорциональный коэффициенту отражения регистрирующей среды.
КЛЗС, разработанная для Самарского аэрокосмического университета, показана на рис. 2. На ней были изготовлены линейные дифракционные решетки на сферической поверхности диаметром 50 мм и радиусом кривизны 250 мм фирмы ТИойаЬБ (рис. 3).
Рис. 2. КЛЗС для записи на сферической поверхности (СГАУ, 2015 г.)
а) б)
Рис. 3. Топология зон дифракционного аксикона (период зон - 30 мкм),
записанного на сферической поверхности диаметром 50 мм и радиусом 250 мм (а), внешний вид дифракционной линейной решетки, записанной на сфере с такими же параметрами (б)
Таким образом, с использованием лазерных технологий синтеза микроструктур высокой точности на плоских и криволинейных поверхностях в КТИ НП совместно с ИАиЭ СО РАН разработана и создана коммерческая модель КЛЗС нового поколения на базе полупроводникового лазера. Она может быть эффективно использована для производства прецизионных широкоапертурных (до 250 мм) дифракционных оптических элементов, шкал, лимбов, масок, цифровых голограмм на плоских и сферических поверхностях.
В настоящее время КЛЗС поставляется по контрактам в ряд организаций и предприятий России.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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 // Applied Optics. - 1999. - Vol. 38, No. 8. - P. 1295-1301.
2. Chugui Yu., Verkhoglyad A., Poleshchuk A., Korolkov V., Sysoev E., Zavyalov P. 3D Optical Measuring Systems and Laser Technologies for Scientific and Industrial Applications // Measurement Science Review. - 2013. - Vol. 13, No. 6. - P. 322-328.
3. Korolkov V., Shimansky R., Cherkashin V., Denk D. Computer controlling of writing beam in laser microfabrication of diffractive optics // Компьютерная оптика. - 2003. - Вып. 25. -С. 79-88.
4. Полещук А. Г., Саметов А. Р., Донцова В. В., Шиманский Р. В. Дифракционные аттенюаторы лазерного излучения: методы изготовления и оптические характеристики // Автометрия. - 2013. - Т. 49, № 1. - С. 86-95.
5. Верхогляд А. Г., Завьялова М. А., Корольков В. П. Датчик автоматической фокусировки для круговых лазерных записывающих систем // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. ХМеждунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГТА, 2014. Т. 1. - С. 117-122.
6. Денк Д. Э., Полещук А. Г. Исследование методов увеличения точности работы системы автоматической фокусировки кругового лазерного записывающего устройства // Автометрия. - 2010. - Т. 46, № 1.- С. 107-117.
7. Верхогляд А. Г., Гуренко В. М., Касторский Л. Б., Ведерников В. М., Кирьянов В. П., Кокарев С. А., Саметов А. Р. Способ автоматической фокусировки для записи информации на криволинейных поверхностях // Патент РФ № 2262749, опубл. 20.10.2005.
© А. Г. Верхогляд, М. А. Завьялова, Л. Б. Касторский, А. Е. Качкин, С. А. Кокарев, В. П. Корольков, О. Ю. Моисеев, А. Г. Полещук, Р. В. Шиманский, 2015
