CC BY
32
ПРИМЕНЕНИЕ ВОЛОКОННОГО СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО БЛОКА CHR-150 ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ РЕЛЬЕФА БИНАРНЫХ ФАЗОВЫХ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ
Виктор Павлович Корольков
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, старший научный сотрудник лаборатории дифракционной оптики, тел. (383) 3333-091, e-mail: [email protected]
Александр Сергеевич Конченко
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 1, инженер лаборатории дифракционной оптики, тел. (383) 3333-091, e-mail: [email protected], Новосибирский государственный университет, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2, магистрант кафедры квантовой оптики.
В статье рассмотрено применение волоконного спектрофотометрического блока CHR-150 (STIL, Франция) для измерения глубины рельефа бинарных фазовых синтезированных голограмм путем определения экстремумов спектральной зависимости дифракционной эффективности решетки в нулевом порядке на отражение.
Ключевые слова: измерение глубины микрорельефа, бинарные фазовые
синтезированные голограммы, волоконный спектрофотометр, дифракционной эффективности решетки в нулевом порядке.
APPLICATION OF FIBER SPECTROPHOTOMETRIC UNIT CHR-150 FOR MEASUREMENT OF PROFILE DEPTH OF BINARY PHASE COMPUTER-SYNTHESIZED HOLOGRAMS
Victor P. Korolkov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, senior researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7 (383) 3333-091, e-mail: [email protected]
Alexander S. Konchenko
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Novosibirsk, Koptyuga avenue 1, senior researcher of laboratory of diffractive optics, phone +7 (383) 3333-091, e-mail: [email protected], Novosibirsk state university, 630090, Novosibirsk, Pirogova str., 2, undergraduate of quantum physics department
Paper describes application of fiber spectrophotometric unit CHR-150 (STIL, France) for measurement of profile depth of binary phase computer-synthesized holograms by means of finding extrema of spectral dependence of zero order diffraction efficiency in reflection.
Key words: measurement of profile depth, binary phase computer-synthesized holograms, fiber spectrometer, zero order diffraction efficiency.
Изготовление бинарных фазовых синтезированных голограмм (СГ), применяемых для контроля асферических поверхностей [1], предъявляет
высокие требования к равномерности глубины бинарного рельефа по поверхности голограммы. Это вызвано необходимостью получения интерференционной картины с равномерной интенсивностью. В особенности чувствительны к равномерности глубины СГ нового типа - дифракционные нуль-линзы ФИЗО (DFNL) [2], в которых опорный волновой фронт формируется на отражение дифракционной структурой, работающей в высоком порядке дифракции. Такие структуры существенно более чувствительны к ошибкам глубины, чем структуры, работающие в первом порядке дифракции. С учетом большого разнообразия периодов и большого размера структуры СГ контроль глубины микрорельефа связан не только с существенными трудозатратами, но и практической невозможностью оперативного профилометрического контроля глубины решеток с периодом порядка нескольких микрон. Оперативный контроль глубины методом измерения относительной интенсивности всех дифракционных порядков при пропускании через структуру СГ лазерного пучка [3] также трудно реализовать в связи с тем, что период дифракционной структуры меняется от долей миллиметра до единиц микрон, что приводит соответственно к большой вариации углов между дифракционными порядками.
На наш взгляд, необходимую оперативность и точность измерения глубины микрорельефа СГ можно достичь с помощью метода, предложенного нами для сертификации отражающих калибровочных решеток [4]. Предлагаемый способ измерения глубины основан на использовании спектральных свойств отражающих фазовых бинарных решеток, работающих в высоком порядке дифракции.
Рассмотрим падение света из воздушной среды на отражающую бинарную фазовую дифракционную решетку в скалярном приближении теории дифракции. Оптическая разность хода Л1 лучей, отраженных от поверхности выступов и канавок, можно выразить через глубину решетки Н и угол падения а света:
л/_ 2Я
/у
со5\а)
Максимум интенсивности отраженного света в нулевом порядке дифракции наблюдается, когда Л становится кратна длине волны. Таким образом, при данном угле падения света а и глубине Н, максимум интенсивности нулевого порядка будет наблюдаться при освещении светом с волновым числом (&=1/А) равным
к=т • т^а) (1)
2Н
где т - количество длин волн, укладывающихся в разности оптических путей. Очевидно, что зависимость интенсивности нулевого порядка дифракции будет периодической функцией волнового числа с периодом cos(а)/2H.
Кривая 1 на рис. 1 демонстрирует рассчитанную и экспериментально измеренную спектральные нормированные зависимости дифракционной эффективности в нулевом порядке NDE0 для отражающей металлической
решетки глубиной 1564 нм при угле падения света 8°. Расчет проводился в рамках скалярной теории дифракции. Определив по данным такого графика разности волновых чисел соседних максимумов, мы можем вычислить среднюю глубину измеряемой решетки:
1 cos а п
H =
Z
N i =1:N 2Aki
где N - количество анализируемых пар соседних максимумов.
10500
12500
14500
16500
18500 20500
k, 1/cm
22500
24500
26500
Рис. 1. Зависимость нормированной дифракционной эффективности нулевого порядка от волнового числа падающего излучения. График 1 - результат моделирования решетки с глубиной 1564 нм. График 2 - экспериментальные
данные
В работе [5] показано, что скважность бинарной фазовой решетки не оказывает влияния на положение экстремумов спектральной зависимости дифракционной эффективности в нулевом порядке дифракции. Это принципиально важно для спектрофотометрического метода измерения глубины решеток. В работе [6] подробно рассмотрен вклад в погрешность измерения предложенным методом различных факторов: ошибок изготовления решеток и систематических ошибок измерительной спектрофотометрической установки. В работе [6] использовался настольный спектрофотометр ЦМСО-2800. Для калибровочный решеток такой спектрофотометр вполне пригоден так как поперечный размер измеряемой решетки не превышает нескольких миллиметров. В случае применения предлагаемого метода к контролю распределения глубины микроструктуры СГ, такого типа приборы не применимы, так как диаметр голограмм может достигать 200 мм. Гораздо более удобны волоконные спектрометры в паре с волоконными осветителями. Такие комплекты поставляются производителями волоконных спектрометров как приборы для измерения толщины тонких пленок на подложке с известными
оптическими постоянными. Мы использовали блок CHR-150 [7] производства фирмы STIL (Франция), в котором интегрированы спектрометр со спектральным диапазоном 450-900 нм и осветитель с галогенной лампой. Не смотря на более узкий спектральный диапазон по сравнению с обычными настольными спектрофотометрами, CHR-150 вполне подходит для поставленной задачи, так как позволяет выявлять 2 максимума и один минимум в спектре при измерении глубин более 500-700 нм, типовых для бинарных СГ. Данный блок поставляется с волоконной оптической головкой как конфокальный хроматический датчик с диапазоном измерения глубины 20 мкм и чувствительностью 10 нм. Вывод излучения из блока CHR-150 и его возврат осуществляется по одному и тому же многомодовому волокну 50/125, что существенно облегчает ввод отраженного светового пучка в нулевом порядке дифракции с фильтрацией высоких порядков. На выходе многомодового волокна мы установили 10X микрообъектив с апертурой 0.3 вместо штанной хроматической оптической головки. На выходе объектива мы сформировали сходящийся световой пучок, чтобы уменьшить освещаемую область решетки до 0.5-1 мм и обеспечить расходимость пучка от обратной стороны подложки (толщина > 5 мм), достаточную для подавления спектра, сформированного не отражением, а прохождением света через дифракционную структуру. Экспериментальная установка показана на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальная Рис. 3. Пример измеренной усредненной установка для измерения глубины спектральной зависимости нормированной рельефа бинарных фазовых СГ интенсивности нулевого порядка дифракции
на отражение
Задача измерения фазовых СГ осложняется тем, что отражение кварцевой решетки в 10-20 раз меньше чем у калибровочных металлизированных решеток, которые мы измеряли ранее. Для компенсации падения интенсивности света и возрастания шумов мы увеличивали время интегрирования и число усредняемых спектров при конфигурировании спектрометра. Тем не менее, эти параметры позволяли снимать порядка 10 спектров в секунду. На рис. 3 показан
пример спектральной зависимости усредненной нормированной интенсивности нулевого порядка дифракции, вычисленной согласно следующему выражению:
NDE0 (k) (Igrat~Idark)/((ISiO2~Idark)/m ax((Igrat~Idark)/(ISiO2~Idark)),
где - Igrat - спектр измеренный от решетки, ISiO2 - спектр измеренный от решетки от поверхности кварца, Idark - спектр темнового сигнала. Положение экстремумов определяется с приемлемой для нашей задачи точностью. Глубина рельефа, определенная по графику по рис. 3, равна 825 нм, что соответствует величине с учетом погрешности измерения, полученной на оптическом профилометре WLI (BMT, Германия).
Моторизованное сканирование голограммы с синхронным измерением спектров отражения пробного пучка с шагом порядка 1 мм в двух перпендикулярных сечениях с одновременной on-line обработкой получаемых спектров позволит детально тестировать элементы размером до 200 мм за время порядка нескольких минут практически во всем диапазоне периодов микроструктуры. Такая производительность не достижима ни одним современным профилометром.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Chang Y.-C., Zhou P., and Burge J.H. Analysis of phase sensitivity for binary computergenerated holograms // Appl. Opt. - 2006. - Vol. 45. - P. 4223-4234.
2. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., and Asfour J.-M. Combined computer-generated hologram for testing steep aspheric surfaces // Opt. Express. - 2009. - Vol. 17. - P. 5420-5425.
3. Кирьянов В.П., Никитин В.Г. Измерение эффективности дифракционных оптических элементов методом сканирования // Автометрия. - 2004. - Т. 40, № 5. - C. 82-93.
4. Korolkov V.P., Konchenko A.S., and Nasyrov R.K. Spectrophotometric Certification of Calibration Gratings // ACIT - Information and Communication Technology (ACIT-ICT 2010), June 15 - 18, 2010. - P. 693-005.
5. Poleshchuk A.G. Diffractive light attenuators with variable transmission // Journal of modern optics. - 1998. - 45. - № 7. - P. 1513-1522.
6. Корольков В.П., Конченко А.С. Спектрофотометрический метод измерения глубины отражательных калибровочных решеток // Автометрия. - 2012. - Т.48. - № 2. - С. 119-127.
7. Non-contact “point” sensors. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.stilsa.com/catalog2/pdf/STILSA_Initial_CCS_CHR.pdf
© В.П. Корольков, А.С. Конченко, 2012
