Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов
Покупка
Новинка
Тематика:
Оптика
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 124
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4000-9
Артикул: 838794.01.99
Изложены современные методы создания дифракционных и голограммных оптических элементов. Особое внимание уделено технологическим процессам их изготовления с применением методов плазмохимического травления оптических стекол. Для студентов специальности «Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения» по направлению подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», изучающих
курс «Прикладная оптика».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.02: Оптотехника
- 12.03.05: Лазерная техника и лазерные технологии
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана С. Б. Одиноков, Г. Р. Сагателян, М.С. Ковалев Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов Учебное пособие
УДК 681.7.06:681.4(075.8) ББК 22.343.4:34.9 О-42 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/112/book209.html Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника» Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы» Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В. С. Кондратенко, канд. техн. наук, доцент В. Н. Гриднев Одиноков, С. Б. Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов : учебное пособие / С. Б. Одиноков, Г. Р. Сагателян, М. С. Ковалев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 121, [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4000-9 Изложены современные методы создания дифракционных и голограммных оптических элементов. Особое внимание уделено технологическим процессам их изготовления с применением методов плазмохимического травления оптических стекол. Для студентов специальности «Электронные и оптико-электрон- ные приборы и системы специального назначения» по направлению подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», изучающих курс «Прикладная оптика». УДК 681.7.06:681.4(075.8) ББК 22.343.4:34.9 © МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4000-9 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 О-42
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ БИС (СБИС) — большая (сверхбольшая) интегральная схема ВЧ — высокая частота, высокочастотный ГОЭ — голограммный оптический элемент ДГОЭ — дифракционный голограммный оптический элемент ДОЭ — дифракционный оптический элемент ДР — дифракционная решетка ИК — инфракрасный ИМС — интегральная микросхема ИХО — ионно-химическая обработка КТ — кислотное травление КЭ — киноформный элемент НХД — нафтохинондиазид НГЭ — нерасстраиваемый геометрический эталон ПВЦ — поливинилциннамат ПЗС — прибор с зарядной связью ПХТ — плазмохимическое травление ПММА — полиметилметакрилат СВЧ — сверхвысокие частоты, сверхвысокочастотный ХСП — халькогенидный стеклообразный полупроводник УФ — ультрафиолетовый ЭЛ — электронный луч ЭЛГ — электронно-лучевой генератор ЭЛЛ — электронно-лучевая литография
ВВЕДЕНИЕ Дифракционные и голограммные оптические элементы (ДГОЭ) широко применяются в различных отраслях науки и техники: в оптическом приборостроении (цифровые камеры, сотовые телефоны, видеопроекторы и пр.), медицине (лазерные установки, контактные линзы, глазные хрусталики), промышленности (лазерные технологические установки), связи (волоконно-оптические линии связи), автомобилестроении (фары с заданной диаграммой направленности). ДГОЭ представляют собой пропускающие или отражающие свет пластины, которые работают на основе дифракции света на тонком фазовом или амплитудном микрорельефе. Наибольшее распространение в конструкции ДГОЭ получили ступенчатые и кусочно-непрерывные фазовые микрорельефы и содержащий тонкопленочное непрозрачное покрытие амплитудный микрорельеф. Материалами для их изготовления являются оптические пластмассы, оптические неорганические стекла и плавленый кварц. В зависимости от рабочей длины и показателя преломления оптического материала высота фазового микрорельефа может изменяться в диапазоне 0,5…7,5 мкм, а ширина минимально информативной зоны — в пределах 1…200 мкм. Формирование дифракционного микрорельефа осуществляется методами фотолитографии, электронно-лучевой литографии и вакуумно-плазменного травления в высокочастотной плазме. Требуемое качество изготовления оптического микрорельефа обеспечивается плазменными технологиями, ключевыми операциями которых являются: • очистка поверхности оптического стекла и контроль степени ее чистоты; • создание и планарная дихотомизация маскирующих слоев, длительно стойких к воздействию плазмы; • травление материала заготовки ДГОЭ через сформированную маску; • удаление остатков маскирующего слоя.
Глава 1. РАЗНОВИДНОСТИ ДИФРАКЦИОННЫХ И ГОЛОГРАММНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Развитие современной оптики связано с совершенствованием ее элементной базы. Основу этой базы составляют линзы, объективы, призмы, зеркала, которые в волновой оптике рассматриваются как пространственные фазовые модуляторы света. Эффект фазовой модуляции может быть получен при использовании тонких фазовых пластинок, имеющих оптическую толщину в пределах длины волны света. Такие пластинки получили название дифракционных оптических элементов (ДОЭ), синтезированных голограмм, фокусаторов, киноформ, а соответствующая область науки — дифракционной оптики. ДОЭ осуществляют непосредственное наложение модулирующей функции φ(х, у) на фазу исходной световой волны. Такие элементы при освещении их монохроматической световой волной, в отличие от оптических голограмм, дают единственный дифракционный порядок, и падающий световой поток полностью идет на создание полезного изображения. ДОЭ могут выполнять различные функциональные преобразования световых полей, осуществлять функции сложного многолинзового объектива, коррекцию сферических или хроматических аберраций и т. д. Использование плоских элементов в оптических схемах, особенно с монохроматическими лазерными источниками света, открывает перспективу создания недорогих, компактных и функционально сложных приборов. Дифракционная оптика не является конкурентом традиционной оптики. Но, как и большинство перспективных технологий, она открывает новые возможности для улучшения качества изображения, сокращения числа компонентов оптической системы, снижения цены и массы приборов. Одно из основных ее преимуществ — воз
можность широкого применения в соединителях оптических линий связи, головках устройств записи (считывания), принтерах, устройствах чтения товарных кодов, радужных знаках защиты денег, товаров и ценных бумаг, лазерных технологических и хирургических инструментах. Некоторые дифракционные элементы могут управлять всеми компонентами оптического излучения (амплитудой, фазой и поляризацией) и имеют высокую дифракционную эффективность. Характерные размеры микроструктуры для видимой области спектра составляют 0,25...0,50 мкм. Перспективное направление внедрения — синтез ДОЭ с глубоким рельефом. В этом случае оптические элементы совмещают в себе преимущества классической рефракционной оптики (ахроматичность) с дифракционной гибкостью. ДОЭ с глубоким рельефом позволяют фокусировать и преобразовывать «обычный» белый свет. Микроструктура таких ДОЭ должна иметь рельеф оптической поверхности с плавно изменяющейся высотой в диапазоне значений от нуля до десятков микрометров. Возможны ДОЭ на сферических поверхностях, являющихся основой создания новых элементов лазерной оптики, оптических и рентгеновских телескопов, систем многоканальной оптической связи и т. д. Перечислим наиболее распространенные характеристики дифракционных микроструктур: • бинарная амплитудная структура; • бинарный (фазовый) микрорельеф; • непрерывный микрорельеф (киноформ). Их характерные размеры: • минимальный период 0,4...0,6 мкм (или 1,5…2,0 мкм); • высота рельефа 0,1…10 мкм (или 0,1…30 мкм). Области применения перечисленных дифракционных микроструктур: в оптическом и научном приборостроении, информатике, медицине и квантовой электронике (фотошаблоны, маски, сетки, шкалы, кодовые диски, амплитудные голограммы), в деталях микромеханики и интегральной оптики. До последнего времени для изготовления ДОЭ в основном применялось оборудование, ранее созданное для производства изделий микроэлектроники. Однако топологическая структура поверхности ДОЭ имеет произвольный характер, задаваемый распределением фаз световой волны, в то время как структура
поверхности микросхемы представляет собой систему линий и прямоугольников. Структура поверхности ДОЭ может иметь минимальные размеры, составляющие менее половины длины волны света (0,2…0,5 мкм), однако общие размеры могут достигать десятков сантиметров и даже нескольких метров в диаметре, что во много раз больше размеров кристалла микросхемы. Требования современной дифракционной оптики ставят задачи, не имеющие пока адекватного решения ввиду отсутствия технологических комплексов для массового серийного микропрофилирования оптических поверхностей с минимальным размером элементов микроструктуры до 0,5 мкм и световым полем 200… 300 мм и более (рис. 1.1). Абсолютная точность топологии элемента должна составлять 1/4−1/20 размера наименьшей дифракционной зоны, т. е. 20…100 нм. Высота рельефа синтезируемой структуры должна плавно меняться от нуля до десятков микрометров на одном скате при скачкообразном переходе от зоны к зоне. Первые образцы ДОЭ, по своим свойствам подобные фазовым зонным линзам Френеля, были получены на основе обычного отбеленного фотослоя для перевода градаций фотографического почернения в соответствующее распределение оптической толщины. Но усадка фотоэмульсии и несовершенство процессов фотографии и отбеливания часто приводят к значительным искажениям восстанавливаемого изображения. В последние годы были достигнуты успехи в создании регистрирующих сред. Для изготовления ДОЭ с бинарным профилем была разработана лазерная термохимическая технология записи микроструктур на пленках хрома. Для синтеза ДОЭ как с бинарным, так и с непрерывным профилем были использованы тонкие пленки халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП), аморфного кремния, LDW-стекла. При экспонировании пленок ХСП-пленка не требует химической обработки. Синтез ДОЭ ведется в фото- или электронорезисте с последующим переносом микроструктуры в поверхностный слой подложки путем травления стекла или кварца. Управляемое травление стеклянных или кварцевых пластинок дает возможность получить фазовый рельеф высокой точности и приблизить качество их изготовления к качеству классических стеклянных оптических элементов.
Рис. 1.1. Разновидности ДГОЭ: а — линза Френеля с непрерывным микрорельефом; б — линза Френеля с бинарным микрорельефом; в — амплитудные зонные пластины; г — фазовая зонная пластина; д — амплитудный ГОЭ с радиально-окружной структурой; е — амплитудный ГОЭ с квадратно-гнездовой структурой; ж — бинарно-фазовый ГОЭ со стохастической структурой
Особенно ценным является возможность использования технологии и оборудования, применяемых в производстве полупроводниковых приборов. Методы фотолитографии позволяют с предварительно изготовленной рельефной матрицы ДОЭ тиражировать изделия большими партиями аналогично тиражированию компакт-дисков и дифракционных решеток. Таким способом изготовляют фазовые маски со случайным рисунком для повышения качества изображения в голографических системах, линзовые растры и экраны из линзовых растров для высокоточных проекторов, оптику лазерных головок считывания и датчиков, фокусаторы лазерного излучения. Для изготовления фазовых структур с непрерывным профилем были разработаны различные многоуровневые дифракционные микроструктуры и фотолитографические методы получения микрорельефа (рис. 1.2). Рис. 1.2. Разновидности микрорельефа дифракционных микроструктур: а — бинарная фазовая структура; б — многоуровневый фазовый микрорельеф; в — непрерывный фазовый микрорельеф (киноформ) Метод, при котором применяют n = log2M фотошаблонов для создания М фазовых уровней, позволил значительно упростить процесс изготовления ДОЭ. Однако возможности традиционных фотолитографических технологий при изготовлении ДОЭ с малым размером зон Т ограниченны. Это обусловлено тем, что соотношение размеров элементарной «ступеньки» составляет Т/М = 0,5…1,0 мкм (дифракционная линза с числовой апертурой NA = 0,1… 0,2 для видимого участка спектра имеет Т = 4…8 мкм). При таких малых размерах «ступенек» рельефа точность изготовления структуры и совмещения фотошаблонов (доли микрометра в лучших установках) начинает играть ведущую роль, приводя к снижению дифракционной эффективности и возрастанию рассеиваемости света.
Рис. 1.3. Объективы с идентичными оптическими свойствами: а, в — без киноформных корректоров; б, г — с киноформными корректорами Рис. 1.4. Схема КЭ