| 题名 | 全息光栅曝光系统干涉条纹静态及动态相位锁定技术研究 |
| 作者 | 宋莹 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2014-11 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 唐玉国 |
| 关键词 | 全息光栅曝光 扫描干涉场曝光 干涉条纹 移频式 静态相位锁定 动态相位锁定 AOM |
| 学位专业 | 光学工程 |
| 中文摘要 | 干涉场曝光是全息光栅制作的关键步骤，全息光栅曝光主要方式包含静态干涉场曝光和扫描干涉场曝光，两种方式均要求曝光过程中干涉条纹与光栅基底间保持固定的相位关系。在静态干涉场曝光过程中，利用干涉条纹静态相位锁定技术，可以有效降低外部环境造成的干涉条纹漂移，提高曝光质量，提升光栅性能。扫描干涉场曝光方式在大面积全息光栅制作上具有优势，在曝光过程中，利用动态相位锁定技术实时调整干涉条纹的相位，以补偿工作台运动误差造成的相邻扫描段干涉条纹相位不匹配，这是扫描干涉场曝光方式成功与否的关键。为进一步提高全息光栅曝光技术水平，满足科学研究领域对高性能大尺寸全息光栅的迫切需求，本文对全息光栅曝光系统干涉条纹静态及动态相位锁定技术进行了深入的研究。 第一，分析了平面全息光栅静态曝光系统中干涉条纹相位变化对曝光对比度和光栅掩模槽形的影响。将干涉条纹的相位变化分为线性漂移、正弦漂移和高频振动三种形式，通过理论分析和数值计算的方法，得到如下结论：线性漂移和正弦漂移会降低曝光对比度，使通过曝光量进行槽形控制变得困难，相位小幅度高频振动对曝光对比度和掩模槽形影响较小。文中通过静态相位锁定系统抑制干涉条纹的低频漂移。 第二，提出了一种移频式静态相位锁定方法，并依据此方法设计了一套静态相位锁定系统。通过莫尔条纹法间接探测干涉条纹的相位变化，利用声光调制器件（AOM）调整曝光光束频率，对干涉条纹的相位变化进行校正。给出了相位调整系统和控制器设计方法，分析了AOM对曝光参数的影响。实验结果表明：干涉条纹的低频漂移得到了有效抑制，相位变化能够控制在±0.02个条纹周期(3σ)以内，满足全息光栅曝光要求。 第三，对动态相位锁定中涉及的关键方法与技术进行了深入研究。应用双频激光干涉仪实现了工作台位移的纳米级精度测量。引入外差干涉测量方法，高精度测量干涉条纹的相位变化量，根据测量原理设计差频测量光路。为提升系统带宽，采用高性能差频计算板卡以硬件接口方式进行数据提取，完成对工作台位移与相位测量数据的高速采集。依据上述原理，搭建了基于PXI及FPGA板卡的相位锁定控制系统，该系统具有强大的实时数据处理能力与多功能协调控制能力，开发了控制系统软件。 第四，建立动态相位锁定参考值数学模型，设计控制系统校正算法。分析了扫描曝光过程中造成干涉条纹相位无法匹配的误差因素，建立了具有普遍应用意义的统一参考值模型。给出两种应用情况下的演化参考值模型I和演化参考值模型II。针对工作台精度受限的情况，对演化参考值模型II进行了简化和改进。建立了被控对象的传递函数，应用阶跃响应法和频率响应法对系统传递函数进行了辨识，确定系统带宽，设计了校正算法并对其进行了仿真。 第五，对动态相位锁定精度进行了分析计算，完成动态相位锁定系统工程实现，并在国内首次以扫描曝光方式制作出80mm×70mm的全息光栅。详细计算了工作台位移和干涉条纹相位测量精度，讨论了干涉条纹周期测量误差对动态相位锁定的影响。相位锁定实验结果显示固定相位锁定精度可以达到6.43nm(1800l/mm，3σ)，其中低频分量可以达到2.75nm(小于500Hz，1800l/mm，3σ)。可实现纳米级稳态精度的干涉条纹相位移动。扫描曝光过程中，干涉条纹相位动态跟随精度达到18.07nm(1800l/mm，3σ)，对影响曝光的低频分量可以控制在2nm(小于300Hz，1800l/mm，3σ)以内。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/44685]  |
| 专题 | 长春光学精密机械与物理研究所_中科院长春光机所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋莹. 全息光栅曝光系统干涉条纹静态及动态相位锁定技术研究[D]. 中国科学院大学. 2014. |
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