2016

Исследование метода сверхлокальной лазерно–индуцированной термохимической нанолитографии

Исследовалось пространственное разрешение прямой записи сфокусированным лазерным пучком по тонким пленкам хрома на установке «круговая лазерная записывающая система» (КДЗС), разработанной ранее в ИАиЭ СО РАН. Исследовалось изменение  размеров экспонируемой зоны при конечных размерах (~0.5 мкм на уровне ½ ) сфокусированного лазерного пучка (метод сверхлокализации). Пленки хрома толщиной около 80 нм напылялись магнетронным методом на стеклянные пластины (50х50мм).  Экспонирование осуществлялось при относительной скорости движения лазерного пучка  от 0.1 до 2 м/сек и мощности излучения около от 1 до 20 мВт в пятне на длине волны 532 нм. На рисунке приведен пример микрофотографий дифракционных структур записанных в пленках хрома при скорости движения записывающего пучка 1.1 м/сек и мощности излучения в записывающем пятне на уровне 0.6 (а) и 0.7 (б) от критической (мощности Рк, соответствующей началу плавления). Видно,  что  при мощности равной 0.7 Рк зазор между хромовыми треками (б) составляет около 0.1 мкм.

Полученные с помощью РЭМ микрофотографии дифракционных структур записанных в пленках хрома и проявленных в селективном травителе. Период структуры 1 мкм.

1. Полещук А.Г., Хомутов В.Н., Маточкин А.Е., Насыров Р.К., Черкашин В.В. Лазерные интерферометры для контроля формы оптических поверхностей // Фотоника, 2016, №4, С. 38-50.
2. Белоусов Д.А., Полещук А.Г., Хомутов В.Н. Контроль параметров микрорельефа синтезированных голограмм методом анализа дифракционной картины // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016, XII Междунар. науч. конгр., 18–22 апреля 2016 г., Сборник материалов Междунар. науч. конф. «СибОптика-2016», Т. 2, Новосибирск, СГУГиТ, 2016 г., стр. 42–46.

Исследование методов увеличения точности лазерной записи

Показано, что основным недостатком используемых методов изготовления внеосевых ДОЭ является их недостаточная точность, обусловленная отсутствием точного (погрешность не более 10-20 нм) совмещения точки начала системы координат системы позиционирования лазерного пятна с осью вращения оптической заготовки и дрейфом точки начала системы координат относительно оси вращения оптической заготовки на протяжении процесса записи.

Для обеспечения долговременной нанометровой точности позиционирования записывающего лазерного пучка предложено проводить записи одной или нескольких реперных структур в светочувствительном слое оптической заготовки с последующим использованием данных структур для определения абсолютной погрешности и динамической коррекции позиционирования пучка лазерного излучения относительно положения оси вращения шпинделя, как вдоль радиального направления перемещения, так и поперек его в процессе записи ДОЭ.

Разработаны и исследованы алгоритмы, реализующие поиск относительного положения оси вращения шпинделя и центра записывающего пятна и алгоритма динамической коррекции положения лазерного пятна в процессе записи.

1. Патент РФ 2587528. Способ контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов (доэ). Авторы А.Г. Полещук, Шиманский. Опубл. 20.06.2016. Бюл. № 17.
2. Р.В. Шиманский, А.Г. Полещук, В.П. Корольков, В.В. Черкашин, Совмещение записывающего пучка с осью вращения дифракционной структуры при синтезе дифракционных оптических элементов в полярной системе координат. //Автометрия, 2017, №2, стр. 30-38

Зеркально-дифракционный объектив для фокусировки лазерного радиально поляризованного пучка в пятно предельно малого размера

Для реализации предельно малых размеров записывающего лазерного пучка, предложен новый тип «сухого» высокоаперурного (NA~1) объектива с большим рабочим отрезком (порядка 1 мм).

Расчетный диаметр лазерного пятна в фокальной плоскости объектива составляет 105 нм (FWHM) при рабочей длине волны технологического лазера 266 нм. Функция рассеяния точки данного объектива близка к бесселевой. На рисунке приведена оптическая схема высокоапертурной фокусировки лазерного пучка, где ДОЭ – дифракционный элемент, ФПЧ – фильтр пространственных частот, КСЗ – кольцевое сферическое зеркало, ТПП – тонкопленочный поляризатор. Стопа ТПП рассчитана на освещение под углом Брюстера:

На рисунке показана функции рассеяния точки F при различных типах поляризации, О - обычный объектив, ОКСЗ – кольцевое сфер. зеркало. На рисунке  приведены характеристики тонкопленочного поляризатора: пропускания радиальных и азимутальных компонентов волнового поля, коэффициент экстинкции (отношение пропусканий) и разность фаз  25-слойного поляризатора в зависимости от длины волны. Желтым цветом выделена рабочая область длин волн.

Схема высокоапертурного дифракционно-зеркального объектива (а),
функция рассеяния точки (б) и характеристики поляризатора (б).

1. Полещук А.Г., Седухин А.Г. Высокоапертурный объектив для фокусировки оптического излучения. Патент РФ на полезную модель № 162920 // Официальный бюллетень Роспатента «Изобретения. Полезные модели», 2016, № 18 (опубл. 27.06.2016).
2. Полещук А.Г., Седухин А.Г., Дифракционно-зеркальный высокоапертурный микрообъектив для фокусировки лазерного излучения в устройствах записи // Сборник трудов 13-ой Международной конференции “Голография ЭКСПО-2016” (13 - 15 сентября 2016 г., г. Ярославль, Россия) 2016 г. С. 255-258. М.: Изд-во ООО “Голография-Сервис”.

2015

Оптический контроль световых полей
в сверхмощных широкоапертурных лазерных системах

Контроль волновых полей в сверхмощных лазерных системах фемтосекундного диапазона длин волн (с относительно широким спектром излучения) в настоящее время осуществляют, в основном, с помощью датчиков Гартмана и Шэка-Гартмана. Однако, поверка таких датчтков перед их экспериментальным использованием для целей контроля слабых и высокочастоных вариаций волновых фронтов, наталкивается на целый ряд ранее нерешенных проблем. В этой связи, был разработан новый метод контроля разрешающей способности таких датчиков, а также их чувствительности ко слабым фазовым осцилляциям. Рисунок 1 поясняет данный метод и иллюстрирует две характерные операции по регистрации модулированного (а) и немодулированного (б) волновых фронтов.

Рис. 1

Для разработанного высокоразрешающего датчика Шэка-Гартмана с числом элементов микролинзового растра равным на апертуре мм (с помощью которого проводилась апробация метода), на рис. 2 показано сравнение теоретических [] и экспериментальных [] графиков распределения интенсивности световой волны, а также теоретические [] и экспериментальные [] графики распределения ее фазы. Экран располагался на расстоянии Z = 3,22 м при рабочей длине волны λ = 532 нм. Теоретические и экспериментальные графики интенсивности и фазы были совмещены по максимумам и минимумам своих первых пиков. Как видно из графиков, данный метод позволяет оценивать разрешающую способность и чувствительность датчиков к слабым вариациям волновых фронтов до величин порядка λ/20 и менее.

Рис. 2

A.G. Poleshchuk and A.G. Sedukhin, Diffraction technique for testing the resolution and sensitivity of Hartmann and Shack–Hartmann sensors, Opt. Lett., 40(21) 5050-5053 (2015).

2014

Разработка фотолитографического метода свободного формообразования для синтеза асферических рефракционных корректоров с минимальным светорассеянием по заданной карте искажений волнового фронта

Разработан новый фотолитографический метод свободного формообразования для синтеза асферических рефракционных корректоров. Изготовлены дифракционные и гибридные корректоры для трех активных элементов диаметром 20 мм с амплитудой искажений до 3 длин волн (Рис. 1). Принцип работы дифракционных корректоров основан на искривлении дифракционных зон линейной дифракционной решетки с кусочно-непрерывным рельефом, причем локальная величина искривления зон корректора пропорциональна локальной инвертированной амплитуде искажений волнового фронта излучения проходящего через активный элемент. В отличие от конформальных корректоров, дифракционные позволяют корректировать существенно большие искажения волнового фронта, но их применимость ограничена потерями света в паразитных дифракционных порядках. Для повышения дифракционной эффективности можгут быть использованы оптимизация распределения экспозиции или метод контурной маски. Гибридный корректор выполнен на основе плоско-вогнутой линзы с конформальным корректирующим элементом на плоской поверхности линзы. Он позволяет корректировать как тепловую линзу так и статические аберрации активного элемента. Изготовлены гибридные корректоры с фокусами от 1.5 до 15 м.

Рис. 1. Интерферограммы и фазовые карты активного элемента (сверху) и конформального корректора (снизу) диаметром 45 мм.

V.P. Korolkov,  R.K. Nasyrov, A.G. Poleshchuk, Y.D. Arapov, A.F. Ivanov, Freeform corrector for laser with large aperture YAG:ND3+ active element, Opt. Eng., 53(7), 075105 (2014).

2013

Развитие физических принципов формирования и контроля асферических волновых фронтов с нанометровой точностью, а также разработка, изготовление и сертификация дифракционных корректоров и имитаторов асферического волнового фронта для контроля главного зеркала Большого Азимутального Телескопа РАН

Разработаны физические и экспериментальные основы синтеза дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для формирования и сертификации эталонных асферических волновых фронтов (АВФ) с погрешностью порядка нанометров. Предложены и реализованы на практике новые методы сертификации, основанные на применении комбинированных ДОЭ, дифракционных корректоров и имитаторов АВФ в сочетании с лазерными интерферометрами. Показано, что одним из основных источников ошибок является погрешность взаимного положения в пространстве интерферометра, ДОЭ и имитатора. Разработан и исследован метод интерференционного контроля и юстировки взаимного положения (5 степеней свободы) этих элементов с погрешностью в доли микрона.

Для одновременного формирования двух волновых фронтов (эталонного и асферического) разработаны и исследованы компьютерно-синтезированные голограммы (КСГ), выполненные в виде многослойной структуры. Исследованы дифракционные и интерференционные эффекты в многослойных дифракционно-интерференционных структурах, приводящих к появлению неоднородностей волнового фронта, и рассмотрены методы их минимизации. Разработан метод изготовления КСГ в многослойных тонкопленочных структурах и изготовлены тестовые элементы для проведения интерферометрических исследований. Экспериментально получены с помощью разработанных КСГ и интерферометрически измерены тестовые волновые фронты с погрешностью около 5 нм. Проведен анализ источников искажений волнового фронта КСГ, обусловленных ионным травлением подложки голограммы в процессе изготовления. Разработан метод формирования и контроля глубины КСГ с бинарным профилем микрорельефа

Разработанные методы применены для изготовление и сертификация дифракционного корректора и имитатора асферического волнового фронта для контроля нового главного 6-метрового зеркала Большого Азимутального Телескопа РАН (Рис.1а). Предложено имитатор и корректор (рис.1б) однозначно устанавливать по интерференционной картине относительно точечного источника света с помощью дополнительных дифракционных структур (Рис. 1 в, г). Погрешность установки – менее 0.5 мкм. Погрешность формирования АВФ W_асфер корректором менее 5 нм (Рис.1д). На рис. 1е приведена карта эталонного АВФ сертифицированная с помощью имитатора с погрешностью не более 5 нм, при требуемой величине 30 нм.

Рис.1. Большой Азимутальный Телескоп РАН (а), комплект ДОЭ (б) для контроля главного зеркала, оптические схемы (в.г) и результаты (д, е) контроля и сертификации АВФ.

A.G. Poleshchuk, R.K. Nasyrov. Aspherical wavefront shaping with combined computer generated holograms// Opt. Eng., 52(9), 091709-1- 091709-6 (2013).