Голографические оптические элементы

Голографические оптические элементы

Автор к.ф.м.н. Власов В.И.

---

Голографическая дифракционная решетка являясь простой по своей структуре, вместе с тем представляет собой сложный и дорогостоящий технологический элемент. Сфера применения таких дифракционных решеток, а в более общем случае, голографических оптических элементов поражает своей широтой. Сюда, например, относится оптика и спектроскопия, лазерная техника и оптоэлетроника, интегральная и волноводная оптика, а также массовое тиражирование голографических защитных элементов, голографической фольги и самоклеящейся пленки для целей полиграфии. Будучи ключевым элементом для применений, периодическая структура, какой является голографическая дифрауционная решетка, служит тест-объектом для оценки и оптимизации голографических регистрирующих сред и всех технологических стадий иготовления ГДР.

Таким образом была показана перспективность применения неорганических (сухих) фоторезистов для создания голографической элементной базы и голографии в широком понимании. Такие фоторезисты отличаются технологичностью и контролируемостью процесса получения заготовок для производства голографических дифракционных решеток/элементов. Здесь представлены некоторые результаты исследования и совершенствования технологии изготовления рельефных голографических дифракционных решеток, а также их основные оптимизированные эксплуатационные характеристики, полученные благодаря современным методам наблюдения за процессом формирования поверхностного рельефа и его сопоставления с характеристиками формируемых ГДР.

Исследования проводились на пленках фоторезиста, полученных термическим испарением в вакууме. При этом скорость нанесения выбиралась такой, чтобы обеспечить изначально максимальную светочувствительность фоторезиста. Состав материала контролировался до и после напыления с помощью микрорентгеноспектрального анализа. Лазерный интерфереционный контроль толщины на длине волны неактиничного света обеспечивал выход на заданную толщину голографического фоторезиста, а планетарное вращение подложки в процессе напыления вместе с использованием специальных эффузионных ячеек для распыляемого вещества – равномерность толщины по рабочей поверхности фотопластины. Исходя из прецезионности изготовления голографических дифракционных решеток напыление осуществлялось на специально изготовленные стеклянные подложки с плоскостностью λ/10.

В зависимости от задачи (пространственной частоты голографической дифракционной решетки, эксплуатационных параметров, площади элемента, его назначения) выбирается длина волны записывающего излучения. Обычно это источнки синего, зеленого и красного излучения в одномодовом и одночастотном исполнении. 

В данных фоторезистах нет наперед заданного параметра светочувствительности. Благодаря уникальным возможностям процесса послеэкспозиционного химического процесса существует возможность существенного увеличения светочувствительности через создание поверхностного рельефа. В результате селективного химического травления (разные скорости травления экспонированных и неэкспонированных участков) исходно амплитудно-фазовая дифракционная решетка преобразуется в рельефно-фазовую. Коэффициент химического усиления по дифракционной эффективности может составлять 1000 – 2000 единиц, что эквивалентно существенному увеличению светочувствительности фоторезиста­­.__ Голографические дифракционные решетки формировались по симметричной схеме двулучевого интерферометра. При этом синусоидальная интерференционная картина записывающего излучения в конечном счете преобразуется в поверхностный рельеф с симметричным профилем штриха. Для записи использовались две длины волны (0.48 и 0.51 мкм) одномодового, одночастотного аргонового лазера. После преобразования голографической дифракционной решетки в рельефно-фазовую ее поверхность металлизируется – на нее в вакууме наносится алюминиевое покрытие. ГДР становится отражательной. Дифракционная эффективность измерялясь в режиме автоколлимации для двух взаимоортогональных поляризаций света и рассчитывалась для неполяризованного света. Пространственная частота отражательных дифракционных решеток составляла 600, 1200, 2400 мм^-1. , Характеристики поверхностного рельефа соответствующих голографических дифракционных решеток исследовались с помощью атомно-силового микроскопа АСМ Carl Zeiss Ultra Objective. Полученные результаты представлены на рисунках 1 и 2. Они наглядно демонстрируют высокое качество постадийной обработки ГДР в процессе изготовления. На стадии химической обработки в оригинальных травителях на поверхности рельефной голографической дифракционной решетки не образуется никаких центров рассеяния, стенки голографического гофра имеют гладкую поверхность. Как результат-низкий уровень рассеянного света. Интенсивность рассеянного света для исследованного интервала пространственых частот отражательных ГДР не превышала (2-5)10^-7 на расстоянии 10 Å от центра спектральной линии. 

На рисунке представлен профиль рельефа, по которому уточняется пространственная частота рельефа и определяются его параметры. В данном случае период решетки равен 1.74 мкм, что соответствует пространственной частоте 575 мм^-1.  Высота рельефного выступа составляет 0.18 периода решетки. При этом график спектральной зависимости дифракционной эффективности отражательной ГДР для поляризованного и неполяризованного света имеет вид, показанный на рисунке. 

К ленте новостей