ОГЛАВЛЕНИЕ
2
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..........................................5
ВВЕДЕНИЕ...................................................6
1 ГЛАВА. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ ДИФАКЦИОННОГО РЕЛЬЕФА.........................................18
1.1. Дифракционный рельеф и его микроструктура.............18
1.2. Анализ методов формирования дифракционного рельефа на диэлектрических подложках...........................................22
1.2.1. Метод прямой электронной литографической записи....22
1.2.2. Метод степенного литографического травления диэлектрических подложек......................................................24
1.2.3. Метод прямой лазерной абляции алмазных пленок.......25
1.2.4. Метод прямой лазерной абляции кварцевых пластин.....29
1.3. Экспериментальное исследование микроструктуры дифракционного рельефа.......................................................31
1.4. Численная оптимизация дифракционного рельефа с учетом его технологической микроструктуры...................................32
Выводы Главы 1............................................47
2 ГЛАВА. ФОРМИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЬЕФА ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ.......................................................48
2.1. Актуальность задачи синтеза элементов оптики мощных
лазеров ИК-диапазона........................................48
2.2. Синтез и исследование плоских линз на алмазных пленках 52
2.3. ДОЭ, фокусирующие излучение СОг - лазера
в двумерные области........................................62
3
2.4. Анализ влияния технологических погрешностей на характеристики алмазных ДОЭ...................................................70
2.5. Анализ антиотражающей субволновой структуры, нанесенной на алмазную пленку..................................................74
2.6. Определение параметров микрорельефа на основе электромагнитной теории.........................................................82
2.7. Формирование микрорельефа на алмазной пленке с помощью литографического травления.........................................89
2.8. Оптимизация микрорельефа с учетом технологических погрешностей изготовления...................................................90
2.9. Экспериментальное исследование фокусатора в круг.........102
Выводы Главы 2................................................108
3 ГЛАВА. МОДУЛИРОВАННЫЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОДИНОЧНЫХ МОД В ВОЛНОВОДАХ...........................................................109
3.1. Актуальность оптимизации микрорельефа дифракционных решеток, формирующих одиночные волноводные моды........................109
3.2. Оптимизация и исследование ДОЭ, формирующих заданное ампли-тудно—фазовое одномодовое распределение.......................118
3.3. Формирование одиночных мод линзоподобных сред с помощью модулированных дифракционных решеток..............................145
3.4. Синтез и исследование ДОЭ, формирующих моду ступенчатого волокна.........................................................165
Выводы Главы 3
177
4
4 ГЛАВА. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ВОЛНОВОДНЫХ МОД............................179
4.1. Метод повышения пропускной способности систем оптической связи с помощью селекции поперечных мод..........................179
4.2. Экспериментальное исследование возможности уплотнения каналов оптической связи с помощью мод Гаусса — Эрмита.............185
4.3. Экспериментальное исследование возможности применения полупроводниковых лазеров в системе оптической связи с модовым уплотнением каналов....................................................191
4.4. Построение и исследование реальной модели системы волоконно-оптической связи с модовым уплотнением каналов в ступенчатом волокне.........................................................198
Выводы Главы 4.............................................214
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................215
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Расчет фокусаторов лазерного излучения в радиально-симметричные области с помощью итерационной процедуры.........................................................218
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Синтез фокусатора Гауссова пучка в прямоугольник методом степенного травления кварца..........230
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчет и исследование дифракционных оптических элементов для анализа амплитудно-фазовой структуры лазерного
пучка в режиме реального времени..........................251
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................265
5
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ДОЭ - дифракционный оптический элемент МОП — метод обобщенных проекций АП — полнкристаллическая алмазная пленка ВОЛС — полоконно — оптические линии связи Рис. - рисунок Табл. - таблица
6
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена разработке методов анализа и оптимизации структуры микрорельефа лазерной оптики на прозрачных диэлектриках.
Актуальность темы.
Бурное развитие современных методов лазерной физики и компьютерных технологий позволило создать целый ряд новых дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для преобразования и анализа световых когерентных пучков: фокусаторов /40,41/, моданов /31,35/, корреляционных фильтров /33,135/, цифровых голограмм /77,84/ и т.д. Значительная часть этих элементов реализуется в виде прозрачных в видимом и ИК-диапазонах волн пластин из оптических диэлектрических материалов (кварцевое стекло, кварц, селе-нид цинка, полимерные материалы) с дифракционным микрорельефом /75,189,21/. К актуальным проблемам науки и техники, для которых успешное решение задачи оптимизации микрорельефа ДОЭ на прозрачных диэлектриках имеет большое значение, относятся: создание элементов дифракционной лазерной оптики для фокусировки пучков лазеров ИК-диапазона средней и большой мощности в сложные двумерные области /73,52*,38,10,113*/ и синтез модулированных дифракционных решеток для анализа спектра поперечных мод и формирования лазерных пучков с заданными параметрами распространения в волноводной среде /79,31,11 */.
Актуальность оптимизации рельефа дифракционных оптических элементов, предназначенных для преобразования лазерных пучков, обусловлена широким применением мощных лазеров (преимущественно ИК-диапазона) для решения задач технологии: резки, сварки, гибки, закалки и др.
* Здесь и далее звездочкой отмечены ссылки на работы автора
7
Специфика решаемых задач выдвигает особые требования к оптимизации структуры дифракционного рельефа:
• рассчитанный микрорельеф должен обеспечивать заданное распределение энергии (интенсивности) в фокальной плоскости;
• элемент должен обеспечивать стабильность по отношению к высокой мощности освещающего пучка, для чего рассчитанный микрорельеф должен быть реализован на подложке из соответствующего диэлектрика;
• элемент должен обладать высокой энергетической эффективностью, для чего необходимо минимизировать как потери на френелевское отражение и пропускание, так и дифракционные потери. Требование максимальной энергетической эффективности в данном случае объясняется не только желанием максимально использовать энергию источника излучения, но и соображениями безопасности лазерной технологической установки.
Трудность заключается в том, что перечисленные выше требования часто противоречат друг другу; в частности, технологии микроструктурирования диэлектрических материалов, способных выдержать излучение большой мощности, обладают систематическими погрешностями, способными привести к значительным дифракционным потерям /24*, 179*/.
Особую важность имеет выбор материала подложки для элементов оптики мощных лазеров. Хорошо известны работы по синтезу оптических элементов, фокусирующих излучение мощных лазеров дальнего ИК-диапазона, из селенида цинка. Обработка подложек из селенида цинка сопряжена с решением проблемы утилизации экологически опасных отходов производства. Кроме того, работоспособность дифракционных оптических элементов из селенида цинка ограничена мощностью лазерного излучения до 2-5 кВт. Последние достижения в области газофазного синтеза, представленные в работах К.Б. ЗиэБтапп /167/ и др., позволяют получать поли-
кристаллические алмазные пленки (АП) с оптическими и теплофизическими свойствами, близкими к свойствам монокристаллов алмаза (теплопроводность =18-20 Вт/см-К и коэффициент поглощения = 5*1 О*2 см'1, показатель преломления «=2,38-2,42 для Х=\0,6 мкм). Значительный интерес к использованию подобных алмазных пластин толщиной до 1-2 мм и площадью до 100 см2 в качестве выходных окон для СО2 лазеров мощностью 10-20 кВт /167/ и делителей пучка для ИК диапазона /94,95/ обусловлен их более высокими порогами тепловой стабильности и разрушения, чем у традиционных материалов ИК оптики (ZnSe, GaAs, KCl и др.) /188/.
В данной работе задачу управления пучками мощных лазеров ИК-диапазона предлагается решать с помощью дифракционных оптических элементов на алмазных пленках, микрорельеф которых сначала рассчитывался на компьютере, а затем формировался методом прямой лазерной абляции поверхности алмазной пленки. Ранее, в работах /152/ метод прямой лазерной абляции применялся для формирования антиотражающих структур на поверхности алмазных пленок.
Актуальным является также исследование возможности формирования микрорельефа на алмазных пленках с помощью методов ионнохимического и плазмохимического травления, применявшегося ранее для структурирования кремниевых, стеклянных и кварцевых подложек/7,19/.
Наличие систематических технологических погрешностей методов прямой лазерной абляции и плазмохимического травления определяет актуальность разработки методов анализа влияния технологических микроструктур на работу оптических элементов и соответствующих методов оптимизации дифракционного микрорельефа ДОЭ на алмазных пленках. В /19/ предложена методика оценки влияния систематических погрешностей изготовления ДОЭ, возникающих при литографическом травлении подложки, основанная на использовании скалярной теории дифракции. Однако, технологические погрешности, возникающие при использовании метода прямой лазерной аб-
9
ляции поверхности алмазной пленки, имеют субволновые размеры /24*,25*/ и для анализа их влияния необходимо использовать электромагнитную теорию света.
Актуальность проблемы синтеза модулированных решеток для формирования пучков с заданными параметрами распространения в волноводной среде обусловлена практическими задачами формирования эталонов мод лазерного излучения /31,192/, эффективной передачи энергии освещающего пучка по многомодовому оптическом}' волноводу без уширения импульса (т.е. в условии отсутствия межмодовой дисперсии), формирования одной волноводной моды из другой /31,192,57/, организации многоканальной волоконно-оптической линии связи на основе селекции поперечных мод /192/, построения волоконных преобразователей физических величин /79/ и т.д. Впервые задача формирования комплекснозначного одномодового распределения с помощью дифракционного оптического элемента была поставлена и решена в работах М.А. Голуба, И.Н. Сисакяна и В.А. Сойфера. Специфика данного типа задач состоит в невозможности управления одновременно амплитудой и фазой пучка исключительно с помощью модуляции высоты микрорельефа пропускающего ДОЭ. Поэтому представляется актуальной разработка методов, позволяющих находить приемлемый компромисс между энергетической эффективностью решетки и содержанием заданной моды в формируемом пучке /192,177*/. Далеко не во всех прикладных задачах волноводная мода однозначно задана своим амплитудно-фазовым распределением. Исходя из этого, представляется актуальным переформулировать задачу - найти собственную функцию оператора распространения света в волноводной среде, имеющую амплитудное распределение, максимально близкое к распределению освещающего пучка /62*/. Фаза найденной собственной функции может быть выбрана в качестве фазы дифракционного оптического элемента, формирующего соответствующую моду.
10
Широкое распространение оптических и оптоэлектронных средств передачи, хранения и обработки информации поставило много практических задач преобразования световых полей, которые могут быть с успехом решены с помощью дифракционных оптических элементов с широкими функциональными возможностями /177*, 168,159,102,56,13,55,87,137, 146*,151,189*/.
Таким образом, разработку методов оптимизации рельефа модулированных дифракционных решеток можно интерпретировать как развитие современной элементной базы для построения высокоэффективных оптических и оптоэлектронных систем передачи и обработки информации.
Повышение пропускной способности современных телекоммуникационных систем является важнейшей научно-технической задачей, требующей дальнейшего исследования физических (в том числе оптических) эффектов. Одним из наиболее привлекательных подходов к решению этой задачи является поиск возможностей увеличения числа каналов без построения дополнительных физических линий связи. В случае, если в качестве носителя информации рассматривается когерентный световой пучок, а в качестве линии связи используется линейная волноводная среда (например, оптический световод), весьма перспективным представляется параллельное использование различных мод лазерного излучения (как продольных, так и поперечных) для организации отдельных каналов передачи данных. В работах В.А. Сойфера и М.А. Голуба /192, 31/ рассмотрена общая концепция построения волоконно-оптических многоканальных систем связи на базе селекции поперечных мод лазерного излучения /192/ с помощью ДОЭ, а также результаты исследования первых ДОЭ, согласованных с модами градиентных волокон - моданов. Разработка методов оптимизации и исследования дифракционных решеток для формирования и селекции поперечных мод связных волноводов, а также построение и ис-
11
следование экспериментальной модели системы связи с поперечномодовым уплотнением является актуальной задачей.
Нелыо работы является теоретическое и экспериментальное исследование процедур формирования дифракционного микрорельефа на прозрачных диэлектриках и его оптимизация для создания фокусирующих элементов оптики мощных лазеров и модулированных дифракционных решеток, согласованных с модами лазерного излучения.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
1. Разработка методов оптимизации рельефа ДОЭ для фокусировки ИК излучения в заданные двумерные области с учетом специфики технологических процедур формирования микрорельефа на диэлектрических подложках, в том числе на алмазных пленках.
2. Разработка методов численного исследования и оптимизации субволно-вых микроструктур на поверхностях оптически плотных диэлектрических материалов, используемых для создания оптики мощных лазеров.
3. Разработка численных и экспериментальных методов оптимизации микрорельефа дифракционных решеток, формирующих одиночные волноводные моды.
4. Расчет фокусаторов на алмазных пленках и модулированных дифракционных решеток с помощью разработанных методов и их экспериментальное исследование.
12
Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех Глав, Заключения и трех Приложений.
В первой Главе рассмотрено описание рельефа дифракционного оптического элемента и его структуры, дана общая постановка задачи оптимизации микрорельефа на подложках из прозрачных диэлектриков, проведен анализ методов исследования, оптимизации и реализации технологической структуры микрорельефа.
Вторая Глава посвящена исследованию и оптимизации микроструктуры дифракционного рельефа в задаче синтеза алмазных оптических элементов для фокусировки излучения мощных лазеров ИК-диапазона. Рассчитаны и исследованы методами натурного и численного эксперимента алмазные линзы и ДОЭ, фокусирующие излучение СОг-лазера в заданные
двумерные области (прямоугольник, круг, контур квадрата). Созданные
*%
алмазные ДОЭ работоспособны при плотностях энергии до 50 кВт/см . Разработан метод исследования технологической микроструктуры дифракционного рельефа алмазных ДОЭ и антиотражающих структур, основанный на применении численного решения уравнений Максвелла. Разработаны методы оптимизации микрорельефа ДОЭ с учетом погрешностей технологии реализации микрорельефа на алмазных пленках. Разработанные методы оптимизации микрорельефа алмазных ДОЭ исследованы с помощью численных и натурных экспериментов.
В третьей Главе рассмотрена задача оптимизации микрорельефа дифракционных решеток, предназначенных для формирования одиночных волноводных мод. Предложены методы оптимизации и исследования микрорельефа элементов, предназначенных для формирования одиночных мод градиентных и ступенчатых волноводов. Впервые задача синтеза ДОЭ, согласованных с модами лазерного излучения, была поставлена в работах И.Н. Сисакяна, В.А. Сойфера и М.А. Голуба. В этих работах зада-
13
чу формирования мод Гаусса-Лагерра и Гаусса-Эрмита предлагалось решать как задачу синтеза цифровой голограммы соответствующего амплитудно-фазового образа. Кодирование амплитудно-фазовой функции пропускания голограммы в чисто фазовую осуществлялось с помощью введения в фазу элемента модулированной несущей. Такой подход позволял создавать элементы, формирующие одномодовое распределение с высокой точностью. Однако, энергетическая эффективность таких голограмм была низкой из-за сильных отличий амплитудных распределений формируемых мод от освещающего пучка (обычно равномерного или Гауссова ).
В третьей Главе разработана итерационная процедура оптимизации рельефа ДОЭ с целью формирования заданного одномодового распределения с большей эффективностью, чем при использовании методов кодирования, основанных на введении несущей в фазу ДОЭ. Повышение энергетической эффективности происходит за счет добавления в формируемый пучок вспомогательных «паразитных» мод. В этом случае модовое амплитудно-фазовое распределение формируется с большей погрешностью и разработанная процедура позволяет находить компромисс между эффективностью ДОЭ и качеством формирования образа моды. Показана целесообразность выбора в качестве вспомогательных мод неканалируемых мод волновода. В этом случае волновод играет роль фильтра вспомогательных мод, введенных для повышения энергетической эффективности ДОЭ. Приведены вычислительные и натурные эксперименты по исследованию ДОЭ, рассчитанных с помощью разработанной процедуры. Отметим, что не во всех приложениях задача формирования одиночной моды обязательно интерпретируется как формирование заданного амплитудно-фазового распределения. Учитывая актуальность задачи эффективного формирования одиночной моды в линзоподобных средах, обусловленную главным образом потенциальными телекоммуникационными приложениями , в третьей Главе предлагается пере-
14
формулировать задачу: найти собственную функцию оператора распространения в линзоподобной среде, соответствующую заданному собственному значению, с амплитудой, максимально близкой к амплитуде освещающего пучка. Фаза найденной собственной функции может быть выбрана в качестве фазы формирующего ДОЭ. В силу ортогональности собственных функций, соответствующих различным собственным значениям, модовые пучки будут разделимы методами компьютерной оптики. Приведены результаты натурных исследований элементов, формирующих пучки, состоящие из нескольких мод Гаусса-Эрмита, обладающих одинаковым значением постоянной распространения. В третьей Главе рассмотрены также методы расчета и изготовления ДОЭ, предназначенных для формирования одиночных мод ступенчатых волноводов.
В четвертой Главе рассмотрены методы оптимизации и исследования ДОЭ для решения задач передачи информации по оптическим каналам связи. Показана целесообразность использования многомодовых бездис-персионных пучков с амплитудным распределением, близким к амплитуде освещающего пучка, для организации эффективной связи в идеальной линзоподобной среде с параболическим профилем.
Приведены результаты исследования экспериментальной модели двухканальной оптоволоконной связи на расстояние 50 м, построенной на основе селекции поперечных мод ступенчатого оптоволокна с помощью созданных дифракционных элементов. Экспериментально показана возможность использования взаимнонскогерентных источников для поперечно-модового уплотнения каналов оптической связи
В Приложении 1 рассмотрен расчет фокусаторов лазерного излучения в радиально-симметричные области с помощью итерационной процедуры.
В Приложении 2 рассмотрен синтез фокусатора гауссова пучка в прямоугольник на отражение.
15
В Приложении 3 рассмотрен расчет и исследование дифракционных
оптических элементов для анализа амплитудно-фазовой структуры пучка в
режиме реального времени.
Научная новизна работы.
1. Решена задача синтеза ДОЭ на алмазных пленках для фокусировки излучения мощных технологических ИК лазеров в сложные двумерные области.
2. Разработаны методы численного исследования технологической микроструктуры рельефа ДОЭ и антиотражающих структур на алмазной подложке. Получены результаты численного исследования микроструктур, формируемых на алмазных пленках.
3. Разработаны методы оптимизации микрорельефа на алмазных пленках с учетом технологической микроструктуры.
4. Разработана оптимизационная процедура эффективного расчета ДОЭ, предназначенного для формирования одиночной моды, заданной амплитудно-фазовым распределением в сечении модового пучка. Изготовлены и исследованы элементы, рассчитанные с помощью разработанной процедуры.
5. Предложено решать в два этапа задачу синтеза дифракционных решеток, предназначенных для эффективного формирования одиночных мод линзоподобной среды. На первом этапе осуществляется поиск волноводной моды с амплитудным распределением, близким к распределению освещающего пучка, на втором - синтез ДОЭ, согласованного с найденной модой.
6. Экспериментально исследована многоканальная передача сигналов в оптическом волноводе на основе селекции мод лазерного излучения.
16
На защиту выносятся:
- численные и численно-экспериментальные методы оптимизации микрорельефа ДОЭ на алмазных пленках для фокусировки излучения мощных ИК - лазеров в сложные двумерные области;
численные методы исследования влияния технологической субволно-вой микроструктуры ДОЭ;
результаты экспериментального и численного исследования ДОЭ на поликристалличсских алмазных пленках;
итерационные процедуры расчета ДОЭ, предназначенных для эффективного формирования волноводных одиночных мод, заданных поперечным комплекснозначным распределением;
- подход к эффективному формированию волноводных одиночных мод с помощью ДОЭ, заключающийся в поиске моды с амплитудным распределением, близким к амплитудному распределению освещающего пучка, с последующим выбором фазы найденной моды в качестве фазовой функции элемента;
- результаты численного и экспериментального исследования ДОЭ, формирующих одиночные волноводные моды в свободном пространстве и оптических световодах;
результаты исследований экспериментальной модели многоканальной системы связи с поперечно-модовым уплотнением каналов, созданной на основе использования элементов, рассчитанных разработанными методами.
17
Практическая ценность работы
Практическая ценность проведенных в диссертационной работе исследований заключается в создании опытных образцов дифракционных оптических элементов на алмазных пленках для управления пучками мощных лазеров ИК-диапазона, а также модулированных дифракционных решеток для модового уплотнения каналов связи. Разработанные по материалам диссертации программные продукты включены в состав программного обеспечения по расчету элементов дифракционной оптики и цифровой голографии ИСОИ РАН, прошедшего несколько поставок в российские и зарубежные научные организации, в том числе: исследовательский центр фирмы FIAT (Италия), фирма NanoVia (США), институты ИАЭ РАН (Россия), IPHT (Германия), BIFO (Германия), IAO (Германия).
18
1 ГЛАВА. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ ДИФРАКЦИОННОГО РЕЛЬЕФА
1.1. Дифракционный рельеф и его микроструктура
Развитие вычислительной техники и методов лазерной физики позволило создать ряд оптических элементов для преобразования и анализа световых пучков: фокусаторы /22,40,75/, моданы /23,31,35,46/, корреляционные фильтры /32,34,49*,5,6/, цифровые голограммы /77,84/ и т.д. Элементы реализуются в виде прозрачных пластин с микрорельефом из оптических диэлектрических материалов - кварца и кварцевых стекол /19,70*/, поликристаллических алмазных пленок /51 *,52*/, полимерных материалов /177*/, хапькогенидных стекол /156/ и др. Удобно описывать эти элементы с помощью функции рельефа Л(и*у)> соответствующей локальной высоте прозрачной пластины в точке (и,у). Если высота рельефа имеет порядок длины волны освещающего монохроматического пучка, то такие элементы называют пропускающими дифракционными оптическими элементами (ДОЭ) /189/. Отметим универсальность такого описания пропускающего оптического элемента: если такие понятия как фазовая функция /75/, эйконал /113*,138/, функция комплексного пропускания /189/ и т.д. имеют смысл лишь при использовании определенных физических моделей, описывающих взаимодействие света с элементом, то рельеф однозначно описывает оптический элемент.
При расчете и формировании микрорельефа ДОЭ на него накладываются ограничения, определяемые:
a) назначением ДОЭ;
b) технологическими возможностями, которыми располагает исследователь;
c) физической моделью, в рамках которой рассматривается взаимодействие света с микрорельефом.
19
Цифровое представление данных на ЭВМ /36,37,72/ и известная специфика методов компьютерного управления процессом изготовления ДОЭ /19,9,93,86,136/ не позволяют говорить о расчетной функции рельефа, непрерывной на всей области апертуры оптического элемента. Введем понятие расчетного рельефа. Рассмотрим двумерную область £> в плоскости установки ДОЭ, соответствующую апертуре элемента. Выберем некоторое разбиение Ь области й: £> = {о,|/е0,/,../У-/}. Построим отображение И разбиения Ь на некоторое множество вещественных неотрицательных значений высоты рельефа Н = {н ъ
И:Ь-+Н. (1.1)
Отображение И будем называть расчетным рельефом. Расчетный рельеф может задаваться в виде матрицы значений, заданных на прямоугольной сетке (прямоугольно-растровый формат представления, Рис. 1.1а) /189/, описаний полигонов (многоугольников), заданных координатами вершин углов, и соответствующих значений (векторный формат представления) /64*/, массива значений, соответствующих кольцевым зонам (Рис. 1.16) /189,54/ (в случае радиально-симметричного элемента), и т.д..
Ь
а
Рис. 1.1 Примеры заданий расчетного рельефа а) прямоугольный растр, Ь)
кольцевой растр
20
Элементы разбиения Д. будем называть областями
микроструктурирования. Элемент разбиения://(Л^п) = шт//(Д), где //-
некоторая мера, вводимая на области апертуры (например, функция геометрической площади элемента Д, линейный размер ^ стороны одного элемента прямоугольной сетки или ширина кольцевой зоны), будем называть минимальной областью микроструктурирования. Величину йтах ~ махНI будем называть максимальной высотой рельефа.
будем называть параметрами расчетного микрорельефа, а число М -числом уровней квантования. Выбор разбиения Ь определяется имеющейся технологией (например, в случае наличия круговой записывающей системы фотошаблонов /180/ реализация расчетного микрорельефа, заданного на кольцевом растре, потребует меньших затрат) или спецификой задачи .
Физическим рельефом или технологической микроструктурой рельефа будем называть непрерывную в общем случае функцию высоты (или толщины) ь(и.у), определенную на области £>. Каждая конкретная технология изготовления ДОЭ определяет множество реализуемых физических рельефов Ак ={//(ы,у)}. Погрешностью изготовления расчетного рельефа будем называть величину следующего вида:
где л(м,у) - физический рельеф, реализованный по расчетному рельефу (1.1), //*- значение высоты рельефа, соответствующее элементу разбиения Д. Технологически реализуемым расчетным рельефом будем называть расчетный рельеф (1.1) с такими значениями параметров (1.2), при
Значения
(1.2)
(1.3)
которых величиной 5
тах “
И(иу)сАх
тах (6Т) можно пренебречь (для конкретной
технологии), исходя из условий решаемой прикладной задачи. Выбор параметров технологически реализуемого рельефа (1.2) может осуществляться с помощью реализации и исследования тестовых структур /177*,130*/ (Рис. 1.2).
Рис. 1.2 Результат микроскопического исследования тестовой структуры с минимальной областью микроструктурирования 40*40 мкм, изготовленной методом лазерной абляции поликристаллической алмазной
пленки
Отметим, однако, что в силу сложного характера взаимодействия света со структурированной поверхностью построения оценки (1.3) может оказаться недостаточно для выбора параметров технологически реал и зу е м о го м и к pope л ье фа.
В работах /66*/ рассмотрен выбор параметров технологически реализуемого рельефа с помощью постановки численного эксперимента по моделированию работы ДОЭ с систематическими технологическими погрешностями в рамках электромагнитной теории света с целью оценки влияния погрешностей на работу ДОЭ. Анализ вычислительных и натурных экспериментов /166*,179*/ показал целесообразность такого подхода.
22
1.2. Анализ методов формирования дифракционного рельефа на диэлектрических подложках
В данной работе исследовались следующие методы формирования микрорельефа на диэлектрических подложках: прямая электронная
литографическая запись на полимерных резистах /178*/, степенное литографическое травление диэлектрических подложек /113*/, прямая лазерная абляция поли кристаллических алмазных пленок /153 *,154*, 155*/, прямая лазерная абляция кварцевого стекла /70*/.
1.2.1. Метод прямой электронной литографической записи
В работах /178*,118*,177*/ описано формирование микрорельефа ДОЭ, предназначенных для работы в видимом диапазоне с маломощными источниками лазерного излучения, с помощью прямой электронной литографической записи. Технологическая реализация таких элементов производится равномерной электронно-лучевой обработкой резиста на основе полиметилметакрилата (ПММА), нанесенного на кварцевое стекло, по заданному числу уровней квантования фазы М (обычно А/=2—16). Для этого по рассчитанной полутоновой фазовой маске элемента рассчитывался комплект технологических бинарных файлов (виртуальных бинарных масок), определяющих пошаговый процесс структурирования. Значения фазовой функции ДОЭ, лежащие в промежутке [0, 2я), трансформировались в соответствующие значения высоты микрорельефа пропускающего элемента с учетом показателя преломления резиста. Количество бинарных файлов, соответствующих виртуальным маскам, на единицу меньше количества уровней квантования. Схематичное изображение процесса изготовления элемента представлено на Рис.1.3.
23
Электронный пучок | | |
(М-1) -я виртуальная бинарная маска
Кварцевое
стекло
I-я виртуальная бинарная маска
Химическая обработка ДОЭ
Рис. 1.3. Последовательность технологических операций формирования
многоуровнево й структуры
В качестве исходной заготовки в /178*/ использовалась пластина кварцевого стекла, покрытая слоем ПММЛ (толщина порядка 2 — 3 мкм). М-уровневый микрорельеф ДОЭ формировался путем (М-У)-кратной равномерной электронной обработки с помощью электронного микролитографа (использовался ZBA-23, производство г. Йена, Германия) по соответствующим виртуальным бинарным маскам. Разогрев резиста, возникающий из-за обработки близкорасположенных областей структурирования, (т.н. эффект близости), приводил к определенным отклонениям от заданного рельефа /118*/. Для того, чтобы достичь реализации расчетного профиля, в /118*/ рекомендуется сначала осуществлять травление лишь до 80% расчетной глубины, замерить реально полученную максимальную глубину травления оптическим микропрофилометром, и завершить процедуру травления одним или несколькими дополнительными циклами "травление — профилометрия" . Для увеличения эффективности этой процедуры при замере глубины использовалась регулярная ступенчатая тестовая структура вместо нерегулярного сложного дифракционного профиля, рассчитанного, например, итерационной процедурой /191*/. Обычно такая тестовая структура размещается на подложке вне апертуры ДОЭ для того, чтобы не
24
нарушать функцию комплексного пропускания ДОЭ, или на апертуре тестового ДОЭ. Для контроля сформированного микрорельефа в/178*,63*/ использовался интерфсрометрический микропрофилометр MICROMAP-512. Тем не менее, эффект близости приводит к трудноконтролируемым отклонениям трехмерной технологической микроструктуры от расчетного рельефа. В то же время, возможность реализации большого числа уровней квантования (Л/=16-32) позволяет пренебречь погрешностью квантования /196*/.
1.2.2. Метод степенного литографического травления диэлектрических подложек
В /19,112*,113*/ описаны процедуры создания ДОЭ видимого или ИК-диапазона с использованием метода степенного травления кварцевого стекла (с возможным нанесением отражающего покрытия на оптическую поверхность, если оптический элемент предназначен для работы на отражение /113*/). Для формирования микрорельефа ДОЭ используется, как правило, плазменное или химическое травление подложки по М=2} уровням, для чего на литографе выводится комплект, соответственно, из j бинарных фотошаблонов. На Рис. 1.4 представлен результат профилометрического исследования микрорельефа фокусатора в прямоугольник /112*,113*/ изготовленного шестнадцатиуровневым травлением кварцевого стекла.
ПТ if-.r ЗЙШГаС* ИЮГІІ.К 5127LAV 9тш.шт+Ъ |.М
Рис. 1.4 Профилограмма микрорельефа фокусатора в прямоугольник
25
Представленная профилограмма позволяет говорить о высоком качестве проработки микрорельефа ДОЗ. Результат измерения распределения интенсивности (длина волны Л.= 10,6 мкм), формируемого изготовленным фокусатором лазерного излучения ИК-диапазона /112*, 113*/, камерой МАС-2 представлен на Рис. 1.5.
Рис. 1.5 Распределение интенсивности в фокальной плоскости фокусатора в прямоугольник, профилограмма рельефа которого представлена на
Рис. 1.4.
Необходимо отметить, что трудность совмещения фотошаблонов с необходимой точностью при травлении ограничивает число уровней квантования до М= 4-8 (реже - М= 16), что определяет актуальность разработки процедур расчета ДОЗ с учетом погрешности квантования.
1.2.3. Метод прямой лазерной абляции алмазных пленок
В работах /51 *,153*,154*,155*,147,179*/ описано применение метода прямой лазерной абляции поверхности алмазных пленок для формирования микрорельефа ДОЗ , фокусирующих излучение лазера ИК диапазона (цилиндрических линз /51 *,147*,175*/ и линз Френеля /154*/, фокусаторов лазерного излучения в двумерные фокальные области /179*/). Ранее этот метод, разработанный в Центре естественно-научных исследований Института общей физики РАН (ЦЕНИ ИОФАН),
26
использовалась для формирования антиотражающих субволновых структур /152/. Алмазные пластины толщиной 300 - 400 мкм
выращивались в ЦЕНИ ИОФАН на полированных кремниевых подложках путем применения плазменной СУО технологии. После отделения получившихся алмазных пленок от подложки, они разрезались с помощью лазерной резки на куски площадью порядка 1 см2, полировались, и затем на их поверхности формировался микрорельеф. В экспериментальной установке (Рис. 1.6) для обработки поверхности алмазных пластин источником излучения служил импульсный эксимерный ЮТ лазер (длина волны Х=248 нм). Энергия лазерного импульса составляла =200 мДж при частоте следования импульсов 50 Гц и длительности лазерного импульса 20 не. Стабильность импульсов контролировалась пироэлектрическим датчиком с чувствительностью 18 В/Дж и осциллографом. При частоте излучения 50 Гц неустойчивость энергии от импульса к импульсу достигала 10%. Набор интерференционных фильтров позволял варьировать энергию излучения. Сканирование образцов осуществлялось с помощью двухкоординатного электромеханического стола с минимальным шагом 1 мкм. Компьютерный контроль позволял согласовывать перемещение образца и порядок следования лазерных импульсов (Рис. 1.6). Таким образом, экспериментальная установка обеспечивала одновременное управление перемещением образца и освещением алмазной поверхности требуемым числом лазерных импульсов.
После лазерной обработки поверхности графитизованный слой удалялся путем отжига в воздухе при температурах (500-600 С).
В общем случае рельеф, индуцированный лазерным излучением, зависит от распределения энергии на облучаемой поверхности, физических свойств материала и характера сканирования образца.
- Київ+380960830922