ОПТИКА ВЕКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Доктор технических наук Александр ПОЛЕЩУК, заведующий лабораторией дифракционной оптики Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск)
Основу оптики в классическом ее варианте составляют линзы, призмы, зеркала — элементы, уже давно достигшие пределов совершенства. Дальнейший прогресс в этой области науки и техники связывают с широким применением дифракционных оптических элементов (ДОЭ), представляющих собой тонкие стеклянные пластинки, одна из сторон которых имеет микрорельеф с минимальными поперечными размерами и глубиной в доли микрона, точнее — до половины длины волны света (0,4-0,7 мкм). Они могут заменять привычные объективы, преобразовывать лазерное излучение,
формировать изображения виртуальных объектов, рассчитанных компьютером, а их использование открывает перспективу создания дешевых, легких, компактных, но в то же время функционально сложных оптических приборов. Диапазон применения ДОЭ очень широк: от искусственных хрусталиков глаза человека до оптики космических телескопов.
ДИФРАКЦИЯ И РЕФРАКЦИЯ
Впервые заметили и описали явление дифракции* итальянский физик и астроном Франческо Гримальди
*Дифракция — любое отклонение распространения волн вблизи препятствий, благодаря чему волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т.д. (прим. ред.).
и английский естествоиспытатель Роберт Гук во второй половине XVII в., но использовать его в изготовлении оптических приборов удалось много позднее. Современная дифракционная оптика — порождение века информационных технологий, она не могла появиться ранее из-за отсутствия таких инструментов, как лазер и компьютер.
Простейшие преобразования световых пучков обычными ^) и дифракционными ^) элементами.
д РЕФРАКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В ДИФРАКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Разработку методов изготовления ДОЭ начали в Институте автоматики и электрометрии СО РАН в 1970-е годы под руководством доктора технических наук Вольдемара Коронкевича. Основные усилия были направлены на создание лазерных систем записи дифракционных структур и разработку термохимической технологии получения фотошаблонов в тонких пленках хрома, а позднее — на новые методы изготовления фазовых ДОЭ со сложным профилем.
Об этом пойдет речь далее, но вначале — несколько пояснений. Не только в классической, но и в дифракционной оптике базовым элементом является линза. Она предназначена для фокусировки света и построения изображений объектов, т.е. для геометрических и волновых преобразований световых пучков. Например, параллельный пучок (плоскую волну) на входе она преобразует в сходящийся (сферическую волну) на выходе. Но дифракционная линза отличается от традиционной рефракционной*.
Чтобы на основе обычной плоско-выпуклой линзы построить дискретную (дифракционную) структуру воспользуемся геометрическим способом. Для этого следует условно разделить первую на тонкие сферические слои одинаковой толщины. Радиусы слоев тогда будут равны радиусу кривизны сферической поверхности линзы, а их толщина И равна величине N1/(^1), где X — длина волны света, N — целое число, п — коэффициент преломления материала линзы. Значит, если линза имеет толщину 5 мм, то при Х=0,5мкм, п=1,5 (стекло) число сферических слоев толщиной 1 мкм будет равно 5000. К тому же на плоской поверхности линзы различные слои мож-
*В рефракционной линзе используется явление рефракции (преломления). По сути это изменение направления распространения электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами (прим. ред.).
но объединять в дискретную ступенчатую структуру двумя линиями, параллельными оптической оси. Полученная конфигурация называется зонной пластинкой или дифракционной линзой, а ее действие на световую волну аналогично производимому рефракционной линзой. Но в последней длина оптического пути от точки объекта до его изображения постоянна для всех лучей, пересекающих апертуру* линзы — она работает за счет рефракции и преломления пучка света на ее поверхности (условно линзу можно представить как совокупность призм с разными углами, возрастающими от центра к периферии, поэтому будут различны и углы преломления световых лучей, попадающих на каждую из призм).
В дифракционной же длина оптического пути на границах зон претерпевает скачки, равные X (при N=1) или N1, если во втором случае линза имеет «глубокий» профиль (N>1). При этом она работает за счет явлений дифракции на круговой тонкой решетке, шаг которой уменьшается к периферии линзы и для больших апертур может достигать значений порядка длины волны света. У дифракционной линзы есть и еще одна важная и полезная особенность: она может быть в тысячи раз тоньше по сравнению с равным ей по оптической силе классическим аналогом.
МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Потенциальные возможности дифракционных оптических элементов во многом определяет технология их изготовления, которая должна обеспечивать восстановление формы волнового фронта с заданной точностью, доходящей для некоторых применений до 1/1000 длины волны света.
*Апертура — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения (прим. ред.).
Преобразование плоско-выпуклой линзы в дифракционную (а) и ее трехмерная модель (Ь).
До последнего времени для микроструктурирования оптических поверхностей применяли то же оборудование, что и для производства изделий микроэлектроники. Однако топологическая структура поверхности ДОЭ имеет произвольный характер, в то время как у микросхемы, как правило, — вид системы линий и прямоугольников. В привычных методах дифракционная структура представлялась набором элементарных изображений — трапеций или прямоугольников, ориентированных вдоль двух фиксированных ортогональных осей. Изготавливали ДОЭ путем сканирования светочувствительного слоя сфокусированным электронным или лазерным пучком в декартовой системе координат, что приводило к искажениям в формируемом изображении. Но это недопустимо, например, для ДОЭ предназначенных для аттестации асферических зеркал* современных телескопов. Такие ДОЭ должны иметь погрешность выполнения кольцевой дифракционной структуры не более 0,1 мкм при общих размерах изделия в несколько сотен миллиметров. Элементы данного типа можно изготовить только с помощью устройств, использующих для записи полярную систему координат. Кстати, последняя предпочтительна и для большей части фокусирующей оптики. В чем же ее особенности?
При таком способе записи подложка, покрытая светочувствительным слоем, вращается с постоянной угловой скоростью, в то время как сфокусированный пучок перемещается вдоль прямой линии, пересекающей центр вращения. Причем при спиральном сканировании, реализуемом с помощью медленного непрерывного перемещения записывающего пятна, ДОЭ изготавливаются как целое без остановок и возвратов. Это позволяет значительно уменьшить время записи и избежать каких бы то ни было сшивок, типичных для устройств, действующих в декартовой системе координат. Круговое сканирование, оптимальное для записи ДОЭ с осевой симметрией, реализуется методом дискретного перемещения записывающего пятна. Данный метод записи оптимален и для синтеза ДОЭ с произвольной «планировкой».
"Асферическими называют линзы или зеркала, одна или обе поверхности которых не являются сферическими (прим. ред.).
На этом принципе в Институте автоматики и электрометрии СО РАН разработана прецизионная круговая лазерная система записи, предназначенная для изготовления ДОЭ в полярной системе координат. Известно, что лазерное излучение можно сфокусировать в пятно размером меньше длины волны света (~ 0,5 мкм) и получить в нем высокую плотность мощности. В результате расположенное в фокусе вещество практически мгновенно нагревается до высокой температуры. А управляя с помощью компьютера перемещением лазерного пучка и мощностью излучения, удается придать поверхности светочувствительного материала требуемые свойства. В этом качестве мы, в частности, используем пленки хрома; в них под действием нагрева, вызванного лазером, возникает скрытое «термохимическое» изображение. Это позволяет производить прямую запись высококачественных синтезированных голограмм, штриховых и угловых шкал, кодовых дисков, сеток и различного рода фотошаблонов.
Заметим: в дифракционной оптике используют элементы как с прямоугольным, так и с пилообразным профилем поверхности. Создание рельефа с прямоугольным профилем начинается с нанесения пленки хрома толщиной примерно 50—80 нм на поверхность стеклянной оптической пластины. Затем на ней сфокусированным пучком мощного лазера записывают необходимую структуру.
В нашей лаборатории было установлено, что аморфные пленки хрома после воздействия излучения меняют свою внутреннюю структуру, а на их поверхности образуется тонкий слой окислов этого металла. Управляя с компьютера перемещением лазерного пятна и мощностью излучения, можно создать в указанной пленке скрытое изображение, которое затем проявляется в селективном проявителе: металл в чистом виде быстро растворяется, а экспонированные участки остаются. Таким образом на поверхности пластины формируется микроструктура. Ее-то и используют в качестве «шаблона» для получения рельефа нужной глубины уже в самом стекле, прибегая для этого к реактивному ионному травлению. Затем остатки хрома стравливают, и дифракционный
Ь
а
Запись ДОЭ в декартовой (А) и полярной (В) системах координат. Стрелками показаны направления движения записывающего пятна и адресные сетки.
элемент с бинарным рельефом — готов. В итоге получают структуры с минимальными размерами в доли микрона.
Лазерная технология применима и тогда, когда требуется ДОЭ с пилообразной формой поверхности. На пластину наносят вначале тонкую пленку фоторезиста. Этот материал обладает свойством изменять скорость растворения в проявителе в зависимости от величины экспозиции, т.е. меняя ее, можно изменить толщину пленки. Для форми
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.