DE1623803B2

DE1623803B2 - METHOD OF MANUFACTURING REFLECTION AND TRANSMISSION GRIDS

Info

Publication number: DE1623803B2
Application number: DE19671623803
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: Rudolph, Dietbert, Dipl.-Phys., 3401 Menger shausen; Schmahl, Günter, Dipl.-Phys. Dr., 3400 Göttingen
Priority date: 1967-02-11
Filing date: 1967-02-11
Publication date: 1971-11-11
Also published as: SE341915B; CH504005A; DE1623803A1; GB1206035A; FR1554267A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Her- werden. Darüber hinaus ist eine sehr hohe thermische Stellung von Reflexions- und Transmissionsgittern Stabilität des Arbeitsraumes unbedingt erforderlich, durch Belichten eines lichtempfindlichen Materials Man hat deshalb vorgeschlagen, solche Gitterritzunter einem geeigneten Einfallswinkel mit einer maschinen in ausgedienten Bergwerken aufzustellen, durch Überlagerung zweier paralleler kohärenter 5 um konstante Betriebsbedingungen zu erhalten. Laserlichtbündel erzeugten Interferenzfigur und zeigt Da die einzelnen Gitterstriche nacheinander gegleichzeitig den besonderen Aufbau der nach diesem ritzt werden, wobei die Versetzung des Trägers, auf Verfahren hergestellten Gitter. dem das zu ritzende Aluminium aufgebracht ist,The invention relates to a method for producing. In addition, it is very high thermal Positioning of reflection and transmission grids Stability of the work area is essential, by exposing a light-sensitive material It has therefore been proposed to set up such lattice scratches at a suitable angle of incidence with a machine in disused mines, by superimposing two parallel coherent 5 to obtain constant operating conditions. Laser light bundles generated interference figure and Da shows the individual grating lines one after the other at the same time the special structure that will be scratched after this, with the dislocation of the carrier on Method made grids. to which the aluminum to be scratched is applied,

Diese Gitter werden als dispergierende Elemente relativ zum Ritzdiamanten über eine Spindel gein Spektralapparaten benutzt. Spektralapparate dienen 10 schieht, treten besonders periodische Fehler auf. zur Spektralanalyse,: insbesondere zur Bestimmung Man vermeidet diese Fehler weitgehend durch interphysikalischer Zustandsgrößen, wie z. B. Druck und ferometrische Kontrolle des Diamanten in drei Temperatur von Gasen in der Plasma- und Astro- Dimensionen. Dies ist jedoch technisch wie finanziell physik, zur Bestimmung der Komponenten chemi- außerordentlich aufwendig und führt zu erhöhten scher Verbindungen sowie zur Erforschung von 15 statistischen Fehlern und damit zu einer Anhebung Atom- und Molekülstrukturen (z.B. Ramanspektro- des kontinuierlichen Streulichtuntergrundes imSpekskopie). Dementsprechend benötigt man solche trum. Besonders störend sind weiterhin Sprünge in Gitter in physikalischen, astronomischen, chemi- der Gitterkonstanten, die dazu führen, daß unter sehen, biologischen und medizinischen Instituten so- Umständen nur Teile des Gitters benutzt werden wie in Krankenhäusern, in der Hüttentechnik und 20 können. Wegen der starken Abnutzung des Ritzin der chemischen und pharmazeutischen Industrie. diamanten werden größere Gitter (z. B. Gitter abThese grids are used as dispersing elements relative to the scratched diamond via a spindle Spectral apparatus used. Spectral apparatus are used, especially periodic errors occur. for spectral analysis: especially for determination One avoids these errors largely by interphysical State variables, such as B. Pressure and ferometric control of the diamond in three Temperature of gases in the plasma and astro dimensions. However, this is technical as well as financial physics, to determine the components chemically extremely complex and leads to increased shear connections as well as to research 15 statistical errors and thus to an increase Atomic and molecular structures (e.g. Raman spectro - of the continuous scattered light background in specscopy). Accordingly, one needs such dreams. Jumps in are still particularly annoying Lattice in physical, astronomical, chemical lattice constants that lead to under see biological and medical institutes so- under circumstances only parts of the grid are used as in hospitals, in metallurgical engineering and 20 can. Because of the heavy wear and tear on the Ritzin the chemical and pharmaceutical industries. diamonds become larger grids (e.g. grids

Für spektroskopische Zwecke brauchbare Beu- 20 cm Kantenlänge und 1200 Strichen/mm) mit zweiUseful for spectroscopic purposes - 20 cm edge length and 1200 lines / mm) with two

gungsgitter müssen folgende Eigenschaften haben: Diamanten geritzt, was zu weiteren Komplikationengrids must have the following properties: Diamonds scratched, causing further complications

1. Eine hohe Teilungsgenauigkeit, d. h. möglichst rührt.1. A high pitch accuracy, i. H. stirs as much as possible.

geringe periodische Fehler, um Satellitenlinien ²5 _o Wegen der Kompliziertheit, Langwierigkeit und (Geister) der einzelnen Spektrallinien zu ver- Störanfälligkeit der mechanischen Verfahren zur meiden, einen möglichst geringen fortlaufenden Herstellung von Beugungsgittern können nur sehr Teilungsfehler, um einen störenden Astigmatis- ^weniS Originale hergestellt werden, die den Bedarf mus des Gitters zu vermeiden, sowie möglichst an Beugungsgittern bei weitem nicht decken. Man geringe statistische Teilungsfehler, um den kon- 3° stellt daher von geritzten Gittern Kunststoffabzüge tinuierlichen Streulichtuntergrand im Spektrum ^P¹^) ^her· ^{In den Handel} kommen fast ausklein zu halten schließlich solche Replicagitter. Bei der Replica-low periodic errors in order to avoid satellite lines ² 5 _o Because of the complexity, length and (ghost) of the individual spectral lines, mechanical processes are susceptible to interference, and the lowest possible continuous production of diffraction gratings can only result in very small pitch ^{errors in order to avoid a disruptive astigmatism} Originals are produced that avoid the need for the grating, as well as, if possible, for diffraction gratings, by far not covering them. One low statistical error division to the con- 3 ° is therefore ruled gratings of plastic deductions tinuous scattered light in the spectrum under Grand ^ P ^ ¹⁾ ^her · ^{In the trade} are finally almost ausklein to keep such Replicagitter. In the case of the replica

herstellung treten weitere Fehlerquellen auf, so daßmanufacture occur further sources of error, so that

2. gute Kantenschärfe der Einzelstriche, um das _{die Fehler der} Replicagitter diejenigen der Originale Streulicht gering zu halten, _{35 noch} übertreffen. In der Praxis wird also ein2. Good edge definition of the individual lines, in order _{to keep the errors of the} replica lattice small to those of the original scattered light, _even exceeding 35. So in practice a

3. gut ausgeprägte Profilstrukturen der Einzel- Beugungsgitter in zwei Schritten hergestellt: Im striche in Verbindung mit hoher Kantenschärfe, ersten Schritt ritzt man ein Original in Aluminium, um möglichst viel des benutzten Lichtes in im zweiten Schritt fertigt man davon Kopien an. eine bestimmte Ordnung zu bekommen (Blaze). Wegen der Schwierigkeiten und Fehler, die bei der Bei einem Gitter mit ungenügend ausgeprägter 40 Herstellung der Originale und auch der Replica Profilstruktur der Einzelstriche wird das meiste auftreten, hat es nicht an Versuchen gefehlt, Licht nicht abgebeugt, sondern geht in die für beide Verfahrensschritte bessere Herstellungsnullte Ordnung und damit für die spektro- methoden zu finden.3. Well-defined profile structures of the individual diffraction gratings produced in two steps: Im strokes in connection with high edge definition, the first step is to scratch an original in aluminum, to use as much of the light as possible in the second step, copies are made of it. to get a certain order (blaze). Because of the difficulties and flaws involved in the In the case of a grid with insufficiently pronounced 40 production of the originals and also of the replica Profile structure of the single lines will occur most of the time, there has been no lack of attempts Light is not diffracted, but goes into the manufacturing zero, which is better for both process steps To find order and thus for the spectro methods.

skopische Untersuchung verloren; Zur Herstellung von Originalen wurde versucht,scopic examination lost; In order to produce originals, attempts have been made to

, . _A ^- 1 λ ι-_Α··^ ι η,·· _m, , -v 45 die Genauigkeit eines bei der Überlagerung zweier,. _A ^ - 1 λ ι- _Α ·· ^ ι η, ·· _m ,, -v 45 the accuracy of one when two superimposed

4. eine gute optische Qualltat des Trägers (Blank) _nder strahlenbündel entstehenden Interferenz- _{Direction-ray} beam emerging 4. good optical Qualltat of the carrier (Blank) interference

cTl α α· n- J^agl^{r auf}S^ebr?^chten feldes auszunutzen, indem man solche Interferenz-Schicht, in der die Gitterfurchen erzeugt wer- _{streifen auf photographischen} Schichten photoden. Hierzu gehört auch eine gute mechanische _{grapWerte D}£_{ser We}^ _{führte jedoch nicht zu} und thermische Stabilität. Eine gute optische _bra^_{chbaren spe}ktroskopischen Beugungsgittern. Das Qualität ist wichtig, um das spektrale Auf- _hat folgende Ursachen:cTl α α · n- J ^ag l ^{r on} S ^ebr ? ^{The right} field to be exploited by photodes the interference layer in which the grating grooves are created _{on photographic} layers. This _{does not} apply and also good mechanical _{grapWerte D} £ _{ser We} ^ _{led, however, to} and thermal stability. A good optical _bra ^ _able spectroscopic diffraction grating. The quality is important to the spectral up- _{has the} following causes:

losungsvermogen des Gitters voll ausnutzen zu Ph_otographische Schichten erlauben es nicht, die onnen. obengenannten Forderungen 1 bis 4 für technisch Technisch brauchbare Originalgitter werden bis- brauchbare Beugungsgitter zu erfüllen, da es sich her ausschließlich auf mechanischem Wege herge- 55 um Gelantineschichten handelt. Diese Schichten stellt. Dazu sind aufwendige maschinelle und räum- zeigen nicht die notwendige thermische und mechaliche Vorkehrungen nötig. Die einzelnen Gitter- nische Stabilität. Damit ist keine dauerhafte hohe striche entstehen dadurch, daß man zeitlich nach- Teilungsgenauigkeit realisierbar. Die in photoeinander Strich für Strich mit einem Diamanten in graphischen Schichten erzielbaren Profilstrukturen weiches Aluminium ritzt. Dabei muß man mit einer 60 (z. B. durch Ausbleichen) sind bei weitem nicht aus-Strichdichte bis etwa 3600 Striche pro mm Quer- geprägt genug, um die notwendige Lichtstärke der ausdehnung rechnen. Die größten bisher bekannten Gitter (Blaze) zu erreichen. Auch reicht die AufGitter für den sichtbaren Spektralbereich haben bei lösung der photographischen Schichten in der Praxis Strichdichten zwischen 300 und 1200 pro mm eine für die Gitterherstellung nicht aus. Aus diesem seitliche Ausdehnung von etwa 30 cm. Die zur Her- 65 Grund versucht man noch heute, zur Herstellung Stellung solcher Gitter erforderliche Arbeitszeit kann von Gitteroriginalen die mechanischen Ritzverfahren in der Größenordnung von Wochen liegen. Gitter- zu verbessern, ritzmaschinen müssen erschütterungsfrei aufgestellt Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Replica-dissolving power of the grid to take full advantage of Ph _ot ographische layers do not permit that may. The above-mentioned requirements 1 to 4 for technically technically usable original gratings will have to be met by usable diffraction gratings, since gelatine layers are exclusively mechanical. This layers represents. For this, complex machine and room displays do not require the necessary thermal and mechanical precautions. The individual lattice niche stability. This means that there is no permanent high lines created by the fact that the division accuracy can be realized according to time. The profile structures, which can be achieved photo by line with a diamond in graphic layers, scratch soft aluminum. You have to be with a 60 (e.g. by fading) are by far not off-line density up to about 3600 lines per mm transversely embossed enough to calculate the necessary light intensity of the expansion. Achieve the largest previously known grid (blaze). Also, the on-grids for the visible spectral range, when the photographic layers are removed, in practice, line densities between 300 and 1200 per mm are not sufficient for grating production. For this lateral expansion of about 30 cm. The working time required for the production of such grids can be on the order of weeks for grid originals using the mechanical scribing process. To improve the grid, scoring machines must be set up vibration-free There are various ways of replicating

gitter, d. h. Kopien von mechanisch geritzten Gitteroriginalen herzustellen. Kopien von geblazten Beugungsgittern werden bisher ausschließlich dadurch hergestellt, daß man Kunststoffabzüge gewinnt. Man übergießt dazu ein Gitter mit einem Kunststoff in flüssiger Form. Nach dem Aushärten und Abziehen zeigt diese Kunststoffschicht eine dem Originalgitter entsprechende Reliefstruktur der Einzelstriche. Ein solches Replica zeigt sowohl Fehler des Originalgitters als auch neue Fehler, die vom Replicaprozeß herrühren.grid, d. H. Making copies of mechanically scratched grid originals. Copies of blazed Diffraction gratings have hitherto been produced exclusively by obtaining plastic prints. For this purpose, a plastic in liquid form is poured over a grid. After hardening and peeling off, this plastic layer shows a relief structure of the corresponding to the original grid Single lines. Such a replica shows defects in the original grid as well as new defects that originate from the replica process.

Aus der Literatur sind weiterhin Versuche bekannt, mechanisch hergestellte Transmissionsgitter auf Photoresist umzukopieren. Praktische Erfolge, hierdurch zu brauchbaren spektroskopischen Beugungsgittern zu gelangen, sind nicht bekanntgeworden. Erfolgreich war lediglich, durch Umkopieren von Transmissionsgittern auf Photoresist zu Gittern für Meßzwecke zu gelangen. Dabei wird der Photoresist allerdings nur als Maske benutzt.Attempts to use mechanically produced transmission grids are also known from the literature Copy over photoresist. Practical successes, resulting in usable spectroscopic diffraction gratings to arrive have not become known. It was only successful by copying Transmission grids on photoresist to get grids for measurement purposes. In doing so, the photoresist but only used as a mask.

Bei beiden Kopiermethoden ist man auf die kompliziert und aufwendig herzustellenden, mit Fehlern behafteten mechanisch geritzten Originale angewiesen. With both copying methods one is on the complicated and expensive to produce, with errors afflicted mechanically scratched originals.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung des bisherigen aufwendigen mechanischen Herstellungsverfahrens einen völlig anderen Weg in der Herstellung von Reflexions- und Transmissionsgittern zu beschreiten, durch den es möglich ist, Gitter mit weit verbesserter Qualität gegenüber den bisher bekannten Gittern herzustellen.The object of the invention is to avoid the previous complex mechanical manufacturing process a completely different way of making reflection and transmission gratings to tread through which it is possible to produce grids with a far better quality than the to produce previously known grids.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als lichtempfindliches Material eine Photoresistschicht Verwendung findet, die nach der Belichtung mit der Interferenzfigur zu einem Gitter entwickelt wird, welches die der Interferenzfigur eigene Teilungsgenauigkeit dauerhaft festhält und welches eine an sich bekannte Reliefstruktur der Gitterfurchen besitzt.This object is achieved according to the invention in that a photoresist layer is used as the photosensitive material Use takes place after exposure with the interference figure to form a grating is developed, which permanently records the division accuracy inherent in the interference figure and which has a known relief structure of the lattice grooves.

Durch das Belichten einer Photoresistschicht mit einer Interferenzfigur, durch die Wahl der Belichtung, insbesondere durch die Wahl des Einfallswinkels (Winkel zwischen Gitternormalen und Winkelhalbierenden der interferierenden Strahlen) sowie durch geeignete Entwicklung werden Profilformen der Einzelstriche erzeugt, wie sie für hochwertige Gitter notwendig sind.By exposing a photoresist layer with an interference figure, by choosing the exposure, in particular through the choice of the angle of incidence (angle between grid normals and Bisecting the interfering beams) as well as suitable development become profile shapes which creates single lines as they are necessary for high-quality grids.

Insbesondere werden bei diesem Verfahren sowohl periodische als auch statistische Fehler nahezu vollkommen vermieden. Außerdem wird die Her-Stellungsdauer für ein Gitter erheblich reduziert, so daß bei Anwendung dieses Verfahrens sich die Herstellung von Replicagittern weitgehend erübrigt.In particular, with this method, both periodic and statistical errors become close to being completely avoided. In addition, the production time for a grid is significantly reduced, see above that when this process is used, the production of replica grids is largely unnecessary.

Insbesondere ist es möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr große Gitter mit einer Kantenlänge bis zu etwa 100 cm herzustellen, wie sie besonders in der Astrophysik benötigt werden und bisher überhaupt noch nicht hergestellt werden konnten.In particular, it is possible according to the method according to the invention, very large grids with a Produce edge lengths of up to about 100 cm, as they are particularly needed in astrophysics and could not yet be produced at all.

Zur Erzeugung der Interferenzfigur dient ein Laser. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu. So kann z. B. die Photoresistschicht auf einer planen, konkaven oder konvexen Oberfläche aufgebracht werden.A laser is used to generate the interference figure. The inventive method leaves the various design options. So z. B. the photoresist layer on a plan, concave or convex surface can be applied.

Zur Erzeugung von geblazten Reflexionsgittern kann die Photoresistschicht nach Belichtung und Entwicklung geeignet verspiegelt werden. Weiterhin kann zwischen Träger und Resistschicht eine Spiegelschicht (z. B. Metallschicht) aufgebracht werden.To produce blazed reflective gratings, the photoresist layer can after exposure and Development can be mirrored appropriately. Furthermore, a mirror layer can be placed between the carrier and the resist layer (e.g. metal layer) can be applied.

Die Zeichnung zeigt eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens, und zwar zeigt The drawing shows a possible embodiment of the method, namely shows

Fig. 1 eine Anordnung zur Erzeugung einer Interferenzfigur und1 shows an arrangement for generating an interference figure and

F i g. 2 den Verlauf eines Lichtstrahls an einem geblazten Reflexionsgitter.F i g. 2 shows the course of a light beam on a blazed reflection grating.

Das Hologramm eines unendlich fernen Punktes ist in seiner Struktur ein Gitter. Die Herstellung dieses Hologramms sei an Hand von Fig. i beispielhaft erläutert. Die von einem Laser 1 austretenden parallelen Strahlenbündel 2 und 2' werden durch die Blenden 3 und 3' auf genau gleichen Bündeldurchmesser gebracht. Die Blenden 3 und 3' dienen außerdem dazu, den Laserstrahl auf einen Bündelquerschnitt hinreichend homogener Intensität zu reduzieren. Über die beiden Umlenkspiegel 4, 4' werden die Strahlen 2 und 2' in zwei an sich bekannte Spiegelsysteme gelenkt. Diese bestehen aus je einem kleinen Parabolspiegel 6 und 6' und aus je einem großen Parabolspiegel 5 und 5' und bilden jeweils ein teleskopisches System. Dieses dient dazu, die Bündelquerschnitte im Verhältnis der Brennweiten der Spiegel zu vergrößern. Es gilt die bekannte Beziehung, daß sich die Durchmesser der Bündel umgekehrt wie die dazugehörigen Brennweiten der Parabolspiegel verhalten. Die optischen Achsen der beiden teleskopischen Systeme bilden einen Winkel 7, der in der Interferenzfigur, z.B. in der Ebene der Photoresistschicht 8, bei vorgegebener Wellenlänge des kohärenten Laserlichts den Abstand 9 der Intensitätsmaxima bzw. -minima bestimmt.The structure of the hologram of an infinitely distant point is a grating. The production of this hologram is explained by way of example with reference to FIG. The parallel bundles of rays 2 and 2 'emerging from a laser 1 are brought to exactly the same bundle diameter by the diaphragms 3 and 3'. The diaphragms 3 and 3 'also serve to reduce the laser beam to a bundle cross-section of sufficiently homogeneous intensity. The beams 2 and 2 'are directed into two mirror systems known per se via the two deflecting mirrors 4, 4'. These each consist of a small parabolic mirror 6 and 6 'and a large parabolic mirror 5 and 5' each and each form a telescopic system. This serves to enlarge the bundle cross-sections in relation to the focal lengths of the mirrors. The well-known relationship applies that the diameter of the bundle behaves inversely to the associated focal lengths of the parabolic mirrors. The optical axes of the two telescopic systems form an angle 7 which determines the distance 9 of the intensity maxima or minima in the interference figure, for example in the plane of the photoresist layer 8, at a given wavelength of the coherent laser light.

Auf der bzw. in der Photoresistschicht 8 erhält man als Ausschnitt aus der Interferenzfigur eine gitterförmige Struktur. Diese wird durch geeignete Behandlung, z. B. Entwicklung, in ein Reflexionsbzw. Transmissionsgitter dauerhaft abgeformt. In Fig. 2 ist eine solche Profilform, beispielsweise symmetrisch, dargestellt. Es ist die Gitterkonstante 9 sowie die Reliefhöhe 10 gezeigt. Ein auf das Gitter einfallender Strahl 11 wird als Strahl 12 reflektiert. Mit 13 ist die Gitternormale bezeichnet.On or in the photoresist layer 8, a section is obtained from the interference figure latticed structure. This is done by appropriate treatment, e.g. B. Development, in a reflection or Transmission grille permanently molded. In FIG. 2 shows such a profile shape, for example symmetrically. It is the lattice constant 9 and the relief height 10 is shown. A beam 11 incident on the grating is reflected as beam 12. The grid normal is denoted by 13.

Claims

Patent claims:

1. Process for the production of reflection and transmission gratings by exposing a photosensitive material at a suitable angle of incidence with an overlay two parallel coherent laser light bundles generated interference figure, thereby characterized in that a photoresist layer is used as the photosensitive material which is developed into a grating after exposure to the interference figure, which holds the pitch accuracy inherent to the interference figure permanently and which one has known relief structure of the grid grooves.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the production of blazed reflection grating the photoresist layer applied to a carrier is exposed and developed and then the relief structure is mirrored.

3. The method according to claim 1, characterized in that for the production of Re-

flexion grids. between the photoresist layer and a mirror layer is applied to the carrier.

4. Blazed transmission grating according to the method of claim 1, characterized in that that the grid has the layer sequence carrier layer and exposed and developed photoresist layer (8),

5. Blazed reflection grating according to the method of claims 1 and 2, characterized in that that the grid consists of the layer sequence carrier layer, exposed and developed photoresist layer (8) and mirror layer.

6. reflection grating according to the method of claims 1 and 3, characterized in that the grid the layer sequence carrier layer, mirror layer and exposed and developed Has photoresist layer (8).

7. reflection and transmission grating according to the method of claims 1 to 3, characterized characterized in that the carrier has a planar, convex or concave surface.

1 sheet of drawings