Технология изготовления плоских фокусирующих элементов. Изготовление кусочно-непрерывного рельефа
Плоские фокусирующие элементы могут быть изготовлены в виде профилированных зонных пластинок. Остановимся более подробно на характере рельефа поверхности элемента, который мы должны получить.
Ряд проблем технологии изготовления плоских оптических элементов связан с понятием зон, возникающих при переходе от элемента с непрерывным рельефом к его плоскому аналогу. Для простоты будем рассматривать задачу фокусировки в точку, на примере которой можно проиллюстрировать все основные особенности фазовых элементов с кусочно-непрерывным рельефом - зонных пластин. При делении на зоны мы получаем отражающую (к примеру) поверхность с зонами, границы которых находятся на расстоянии 
от центра, ширина этих зон 
. В пределах каждой зоны высота изменяется по параболическому закону от 0 до l/2 (для перпендикулярного падения пучка). Минимальный размер (ширина) зон:
(3.2)
Способ изготовления таких структур будет зависеть от того, в каком диапазоне длин волн мы собираемся работать. В настоящее время лазерами активно освоен диапазон от 0,2 до 10 мкм. Следовательно, диапазон высот рельефа должен быть от 0,1 до 5-10 мкм.
Еще один характерный технологический параметр элемента - минимальный размер зоны Drmin, который, как видно из формулы (3.2), зависит от l и от относительного отверстия D/ f. Естественно, выбор материала и технологии изготовления будет зависеть от этих параметров, от условий эксплуатации элемента, мощности излучения. В любом случае наиболее сложной остается задача создания первоначального рельефа, соответствующего рассчитанной фазовой функции, поскольку впоследствии этот рельеф можно многократно копировать, используя различные материалы.
Диапазон волн с длинами 0,2-10 мкм можно условно разбить на три участка по наиболее широко употребляемым типам лазеров:
1) ультрафиолетовый и видимый диапазоны с l ~ 0,2-0,7 мкм;
2) ближний ИК-диапазон с l ~ 1 мкм, характерный для широко распространенных твердотельных лазеров.
3) средний ИК-диапазон с l ~ 10 мкм у технологических CO2 -лазеров.
Относительные отверстия D / f также зависят от конкретных задач. Для лазерной технологии, как правило, используют оптические системы с D /f = 1/5: 1/10 при l= 1,06 и 10,6 мкм. В задачах оптической обработки изображений, фотографий, микроскопии используются системы D / f ~ 1 при l = 0,5 мкм.
Таким образом, для вышеназванных характерных диапазонов необходимо реализовать элементы со следующими параметрами:
1) l» 0,5 мкм, h» 0,5 мкм, Drmin» 22¸5 мкм;
2) l» 1 мкм, h» 1 мкм, Drmin» 20¸40 мкм;
3) l» 10 мкм, h» 5¸10 мкм, Drmin» 200 мкм.
Рассмотрим теперь возможные способы формирования рельефа на поверхности подложки. Традиционные способы •формообразования поверхности, такие, например, как механическая обработка, либо не обеспечивают необходимой точности, либо ограничены в возможностях. Так, алмазное точение на токарных станках с ЧПУ позволяет изготавливать асферическую оптику для ИК-диапазона с формой поверхности только в виде фигур вращения. Поэтому довольно естественным представляется использование различных фотохимических способов, поскольку существует много веществ, изменяющих под воздействием света свои химические свойства, в том числе скорость растворения в различных растворителях. Если засветить поверхность такого вещества через полутоновую маску, а затем поместить в растворитель, то на разных участках поверхности скорость растворения будет различна в зависимости от количества света, поглощенного данным участком. В результате после обработки будет различна и высота рельефа.
Таким образом, варьируя количество света, попадающего на светочувствительный слой в соответствии с имеющейся в ЭВМ информацией о форме поверхности, можно получить требуемый рельеф. А получить заданное распределение интенсивности света на плоскости элемента можно двумя способами: либо засвечивая поверхность сканирующим/ источником, например лучом лазера, либо освещая его через маску, в которой плотность почернения соответствует рельефу.
Последний способ в настоящее время является более предпочтительным, так как вывод из ЭВМ информации в десятки и сотни Мбайт и позиционирование светового пятна с заданной точностью занимают достаточно большое время - до нескольких часов. Поэтому сейчас в качестве промежуточного носителя информации, как правило, используется так называемая амплитудная маска, в которой плотность почернения и определяет впоследствии высоту рельефа. По сути дела, это топограмма поверхности, где границы зон являются линиями равной высоты, и по ней легко можно восстановить форму эквивалентной гладкой (неразрезанной) поверхности.
Амплитудная маска рисуется на прецизионных фотопостроителях (например, фототелеграфного типа) растровым способом. На существующих фотопостроителях можно записать полутоновое изображение с шагом растра 10 мкм и с 256 градациями потемнения на поле 30*30 см и более. Используя стандартную технологию, можно увеличить (например, в 10 раз) разрешение за счет уменьшения поля. Далее светочувствительный материал экспонируется через полученную маску контактным или проекционным способом. Время экспозиции составляет уже не часы, а от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от чувствительности слоя.
Среди способов формирования рельефа особое место занимает технология фотолитографии, позволяющая получить ступенчатый рельеф, аппроксимирующий заданную форму поверхности в каждой точке. Этой технологии посвящен §2 данной главы.
Часто материалы, пригодные для получения поверхностного рельефа, оказываются недостаточно стойкими к воздействию излучения. Поэтому встает вопрос о возможности копирования и тиражирования полученного рельефа на материалах с лучшими эксплуатационными характеристиками. Эта задача может быть решена путем копирования рельефных оптических элементов, например методами гальванопластики.
В целом же задача создания оптических элементов с заданными фокусирующими свойствами состоит из следующих основных этапов:
1) выбора математической модели и получения исходных уравнений для расчета формы поверхности;
2) расчета на ЭВМ формы поверхности оптического элемента;
3) изготовления на прецизионном оборудовании полутоновой маски или комплекта фотошаблонов для фотолитографии;
4) изготовления поверхностного рельефа с заданными параметрами на светочувствительном материале;
5) копирования и тиражирования элементов с изготовленного оригинала.
Поскольку вопросы расчета поверхности уже описаны в предыдущих главах, ниже мы остановимся более детально на проблемах технологии изготовления оптических элементов.
Какие же существуют материалы и процессы, позволяющие перевести изменения почернения в маске в изменения высоты рельефа? Наиболее известным и широко применяемым материалом такого типа является желатин, представляющий собой высокомолекулярное органическое соединение животного происхождения. Он растворяется в теплой воде, причем температура растворения зависит от способа приготовления желатина, наличия в нем добавок. Под воздействием некоторых веществ происходит поперечная сшивка длинных молекул желатина, так называемое задубливание, в результате чего желатин теряет способность растворяться в воде.
Идея использовать желатин в качестве рельефообразующего материала заключается в том, что нужно сильнее задубить желатин в тех местах, где должна быть большая высота рельефа, а затем в горячей воде вымыть менее задубленный слой. Существуют, по крайней мере, три хорошо известных способа селективного задубливания желатина:
1) метод дубящего проявления;
2) дубящее отбеливание фотографических слоев с галогенидами серебра;
3) световое дубление слоев бихромированного желатина.
В первых двух способах в качестве материала используется фотографическая эмульсия, состоящая из желатина с растворенными в нем светочувствительными солями серебра.
Метод дубящего проявления заключается в том, что засвеченный через амплитудную маску фотографический слой обрабатывается проявителем, не содержащим или содержащим малое количество сохраняющего вещества. В наиболее сильно экспонированных местах под действием проявляющего компонента происходит энергичное восстановление металлического серебра, а продукты окисления проявителя локально задубливают желатин. При дальнейшей обработке в теплой воде менее задубленные участки желатинового слоя растворяются, в результате чего на поверхности после высыхания образуется рельеф, соответствующий почернению фотоэмульсии. Этот метод позволяет на стандартных фотопластинках с толщиной эмульсионного слоя 10-15 мкм получить полутоновый рельеф глубиной 5-6 мкм. Именно таким способом были изготовлены первые зонные фокусирующие элементы (фокусаторы) для СО2-лазеров, позволяющие сфокусировать излучение в точку, несложные кривые линии, отрезки [59].
Другим способом получения рельефа на желатине является дубящее отбеливание. Суть его состоит в том, что восстановленное обычным способом металлическое серебро полученного изображения при взаимодействии с солями хрома переходит в растворимые соединения, а выделяющийся при этом трехвалентный хром реагирует с желатином, образуя поперечные сшивки, и тем самым селективно задубливает слой [70, 156, 171, 180, 182]. Процесс вымывания рельефа аналогичен предыдущему.
Наконец, третьим способом является прямое световое задубливание желатина. Отличие его от первых двух состоит в том, что здесь не используются галогеносеребряные эмульсии. Дубление желатина происходит непосредственно при экспонировании его ультрафиолетовым излучением. Инициатором дубления, как и в случае дубящего отбеливания, является трехвалентный ион хрома. Но здесь он образуется при разложении под воздействием света солей хрома (бихромата калия или аммония), введенных предварительно в желатиновый слой (так называемый бихромированный желатин) [24,123].
Все эти разновидности метода вымывного рельефа хороши своей простотой. Действительно, рельеф получается после засветки через амплитудную маску в процессе нескольких простейших последовательных операций, не требуется сложное технологическое оборудование. Если после высыхания слоя обнаружится, что рельеф недостаточно глубок, можно продолжить отмывку, пока не получится рельеф необходимой глубины.
Но есть у этого метода и существенные недостатки. Во-первых, для соблюдения соответствия профиля рельефа заданному необходимо высокое качество амплитудной маски: отсутствие зернистости, строгое соблюдение линейности передачи полутонов. В противном случае форма рельефа будет искажена, что повлечет за собой энергетические потери. Следует отметить и нестабильность процессов дубления, недостаточно хорошую сохраняемость слоев очувствленного бихромированного желатина. Кроме того, метод вымывания рельефа имеет довольно низкую разрешающую способность - на слоях желатина практически невозможно создать зоны размером меньше 150-200 мкм с глубиной 5-7 мкм.
Опыт работы со слоями желатина позволяет сделать вывод об эффективности метода вымывного рельефа на этапе лабораторных исследований фокусирующих элементов, когда не предъявляются высокие требования по энергетической эффективности, несущественны искажения формы рельефа зон, а также нет необходимости в создании зон размером меньше 100-200 мкм.
Альтернативой желатиновым слоям при создании рельефа высотой 5-7 мкм могут послужить полимерные светочувствительные материалы, разрабатываемые в полиграфии для глубокой печати. Следует отметить, что техника работы со слоями бихромированного желатина тоже пришла из полиграфии. Поскольку искусственные полимеры обладают более стабильными свойствами, более высокой разрешающей способностью, они могут, видимо, служить материалом для создания профилированных зонных оптических элементов. В качестве примера полимера с более стабильными свойствами, чем у желатина, можно назвать поливиниловый спирт. При добавлении в него солей хрома он приобретает светочувствительность работы оптического элемента достаточно иметь 6-8 градаций рельефа, следовательно, необходимо 5-7 раз с помощью 5-7 разных шаблонов выполнить операции фотолитографии, что занимает достаточно много времени.
В то же время существует несколько иной метод, сокращающий количество шаблонов и совмещений. При первом экспонировании мы создаем двухградационный элемент с высотой рельефа 
(набег фазы p). Следующее травление проводится через маску, имеющую вдвое большее число зон, на глубину 
. Затем через третью маску производится травление на глубину 
. Таким образом, с помощью трех травлении мысможем создать восемь градаций рельефа. В общем случае для 2м градаций необходимо М фотошаблонов. Кроме уменьшения числа шаблонов такая технология привлекательна еще и тем, что после каждого последующего травления мы получаем оптический элемент полностью работоспособный, с данным числом градаций. При двух градациях получится элемент с эффективностью 40%, при четырех - 80% и т.д. На каждом этапе мы можем выбраковывать недостаточно качественные по эффективности элементы, повышая, таким образом, выход годных.
Еще одним способом улучшения качества элементов является изготовление на подложках N слоев толщиной 
каждый из разных материалов, подобранных таким образом, чтобы травитель для одного из них не реагировал с другим. В этом случае травление автоматически будет происходить на глубину , что снимет вопрос контроля глубины травления.
Это только два примера того, в каких направлениях можно улучшать технологию фотолитографии применительно к задаче создания дифракционных фокусирующих элементов. В дальнейшем могут открыться и другие возможности улучшения качества элементов и развития технологии создания микрорельефа.
Таким образом, перед началом изготовления необходимо рассчитать параметры изменения интенсивности в зависимости от колебаний таких параметров как длина волны, излучение по экспозиции и угол расходимости светового пучка (диаграмма направленности).
Математически данная задача сводится к расчету передаточных функций (диаграммы направленности) простейшей фазовой дифракционной решетки.
