СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММ Российский патент 1995 года по МПК G03H1/04 

Изобретение относится к голографической оптике и может быть использовано для изготовления голографических оптических элементов (ГОЭ) различного назначения, работающих в видимой и ближней ИК-области спектра.

Одним из важнейших примечаний ГОЭ является дифракционная оптика. Дифракционные структуры получают все большее развитие в различных областях оптического приборостроения, в том числе и крупногабаритной оптике. В ряде применений, например при использовании ГОЭ в контрольных каналах крупногабаритных адаптивных оптических систем, требуемые значения дифракционной эффективности элементов достаточно малы и составляют несколько процентов. При решении задачи изготовления подобных структур возникает ряд технологических проблем, включающих нанесение регистрирующей среды на подложку сложной формы и крупного габарита, освоение мокрой обработки в нескольких проявляющих ваннах большой емкости, стабилизацию температурных и влажностных режимов в процессе изготовления слоя, его экспонирования и обработки.

Указанные проблемы характерны для традиционных регистрирующих сред, используемых в голографии (галогенидсеребряные, термопластические материалы, бихромированная желатина, фоторезисты, халькогенидные стеклообразные полупроводники). В связи с этим представляется актуальным поиск регистрирующих сред, отличающихся технологичностью и позволяющих решать поставленные задачи при наименьших производственных затратах.

Весьма актуально стоит в настоящее время и проблема поиска сред, чувствительных в ИК-диапазоне, так как эффективные регистрирующие среды для ИК-области спектра в настоящее время практически отсутствуют.

Известны способы изготовления стационарных голограмм, осуществляющиеся путем воздействия на регистрирующую среду интерференционного поля импульсного излучения и не требующие проведения послеэкспозиционной обработки. В качестве регистрирующих сред при таких способах могут использоваться тонкопленочные системы, состоящие из различного типа пленок (металлических, полупроводниковых, полимерных), нанесенных на подложку.

В основе механизмов записи голограммы в тонкопленочных системах лежат процессы фототермической абляции, сопровождающиеся удалением вещества пленки за время действия лазерного импульса, а также фотостимулированные переходы вещества пленки из аморфного состояния в кристаллическое, что влечет изменение оптических свойств пленки в местах максимумов интерференционного поля.

Известен способ записи голографических решеток на длине волны импульсного излучения 1,06 мкм на металлических пленках висмута на стеклянной подложке. Основным недостатком этого способа является быстрое окисление тонких пленок висмута в атмосфере, что изменяет их физические свойства.

В качестве прототипа выбран способ изготовления стационарных голограмм [2] , путем помещения полупроводниковой пленки Сd_xHg_1-xTe на стеклянной подложке в область пересечения когерентных световых пучков на длинах волн 0,69 и 1,06 мкм.

Как указывается в прототипе, процесс получения однородных пленок Сd_xHg_1-xTe достаточно сложен и предполагает специальный подбор температуры испарения и объема испаряемого материала, при котором испарение с поверхности источника должно превышать диффузию ртути и теллурида из объема этого источника.

Помимо этого недостатка из приведенных в прототипе данных неясно, какой вклад вносят в величину дифракционной эффективности (ДЭ) рельефно-фазовая и амплитудная составляющие и каким образом учтен коэффициент отражения пленок. Известно, что образующиеся в процессе записи решетки носят в общем случае амплитудно-фазовый характер. Поэтому неясно, в какой мере указанный способ мог бы быть использован, например, в дифракционной оптике, где необходимо наличие отражательной рельефно-фазовой решетки.

В результате проведенных экспериментов выявлен новый регистрирующий материал для получения голограмм при записи импульсным излучением, не требующий послеэкспозиционной обработки. Это полупроводниковая пленка Sb₂S₃. Применение материала позволяет получать голограммы с выраженной рельефно-фазовой модуляцией при записи в видимой и ИК-области спектра, а также использовать при этом не только стеклянную, но и металлическую подложки.

По первому варианту способ изготовления голограмм включает воздействие на регистрирующий полупроводниковый материал на подложке интерференционным полем импульсного излучения, где в качестве регистрирующего материала используют Sb₂S₃, при этом интерференционное поле создают в видимой области спектра.

По второму варианту способа в качестве регистрирующего материала используют Sb₂S₃, интерференционное поле создают в ИК-области спектра, а в качестве подложки для Sb₂S₃ используют медь или другой материал с напыленным слоем меди.

На фиг. 1 представлена зависимость ДЭ металлизированной рельефной решетки в пленке Sb₂S₃ на стеклянной подложке от плотности энергии экспонирующего поля на длине 0,53 мкм с пространственной частотой 100 лин/мм; на фиг. 2 - зависимость ДЭ металлизированной рельефной решетки в пленке Sb₂S₃ на медной подложке от плотности энергии экспонирующего поля на длине волны 1,06 мкм с пространственной частотой 100 лин/мм.

П р и м е р 1. Получают пленки Sb₂S₃ на стеклянной и металлической подложках методом термического испарения в вакууме по стандартной методике, включающей ионную очистку подложек, создание вакуума (2-5) ^. 10^-6 мм рт.ст. и испарение из вольфрамовой или молибденовой лодочки материала Sb₃S₃ из таблетки, изготовленной промышленным способом. Толщина слоя варьировалась. Приводимые ниже экспериментальные данные соответствуют минимальному значению толщины слоя, которое составляет 30-50 нм. Производят запись голографических решеток излучением второй гармоники неодимового лазера на длине волны 0,53 мкм с длительностью 20 нс. Пространственная частота записи составляла 100, 500, 1000 лин/мм.

Обнаружено, что при записи голограммы излучением с длиной волны 0,53 мкм на пленке Sb₂S₃ эффект записи присутствует на всех частотах при использовании как стеклянных, так и металлических подложек. Пороговая плотность энергии Е_пор (плотность энергии, при которой фиксируется появление решетки) составляет 2,5 ^. 10^-2 Дж/см² для пленки на стеклянной подложке, 1,5 ^. 10^-2 Дж/см² для пленки на медной подложке и 4 ^. 10^-2 Дж/см² для пленки на алюминиевой подложке (пленки на различные подложки напылялись одновременно, что обеспечивало их одинаковые толщину и качество).

П р и м е р 2. Аналогично изготавливают пленки Sb₂S₃ , напыленные на медную подложку. Также изготавливают пленки Sb₂S₃ на стеклянной и алюминиевой подложках, но перед напылением активного слоя Sb₂S₃ предварительно напыляют медный подслой толщиной 1 мкм. Осуществляют запись решеток на тех же пространственных частотах излучением неодимового лазера на длине волны 1,06 мкм с длительностью импульса 20 нс.

Обнаружено, что эффект записи в пленке Sb₂S₃ присутствует на всех частотах в случае использования медной подложки, а также стеклянной и алюминиевой подложек с медным подслоем. Е_пор составляет в этом случае 3,2 ^. 10^-2 Дж/см². Обнаружено, что запись голограммы при использовании стеклянной и алюминиевой подложек без подслоя не реализуется.

Полученные в результате записи по примерам 1 и 2 голограммы являются амплитудно-фазовыми. Для выделения фазовой составляющей ДЭ образцы голограмм в пленках Sb₂S₃ металлизируют путем напыления слоя Al толщиной 0,1 мкм в вакууме, коэффициент отражения такого покрытия составляет 90% на длине волны измерения. Затем измеряют ДЭ голограмм в первом порядке дифракции на длине волны гелий-неонового лазера 0,632 мкм. Значение ДЭ представляет собой отношение интенсивности светового пучка, дифрагированного в первый порядок дифракции, к интенсивности пучка, отраженного от поверхности покрытия.

Зависимость ДЭ металлизированного образца голограммы в пленке Sb₂S₃ на стеклянной подложке от плотности энергии экспонирования на длине волны 0,53 мкм с пространственной частотой 100 лин/мм представлена на фиг. 1. Зависимость ДЭ металлизированного образца голограммы в пленке Sb₂S₃ на медной подложке от плотности энергии экспонирования на длине волны 1,06 мкм с пространственной частотой 100 лин/мм представлена на фиг. 2. Приведенные зависимости характеризуют величину рельефно-фазовой составляющей ДЭ голограммы.

Пленки Sb₂S₃ обладают хорошей адгезией к подложкам и устойчивы в атмосфере. Записанные на них по примерам 1 и 2 голограммы в течение длительного срока хранения не меняют своих свойств.

Способ изготовления голограмм позволяет просто и надежно получить голограммы с выраженной рельефно-фазовой модуляцией, что делает возможным использование способа при изготовлении элементов дифракционной оптики. Способ позволяет изготовить голограммы с использованием металлической подложки, что открывает перспективу развития технологий производства голограмм на металлических подложках, при достаточно технологичном способе нанесения регистрирующей среды на металлическую подложку. Актуальность последней задачи связана с тем, что в ряде применений дифракционной оптики в ИК-области спектра дифракционные элементы должны быть выполнены на металлических подложках. Использование данного полупроводникового материала расширяет круг регистрирующих сред для записи голограмм в видимой и ИК-области спектра.

Использование: при изготовлении голографических оптических элементов различного назначения, работающих в видимой и ближней ИК-области спектра. Сущность изобретения: использование Sb₂S₃ в качестве регистрирующего материала при воздействии интерференционным полем импульсного излучения в видимой и ИК-области спектра, а также использование при воздействии в ИК-области спектра на Sb₂S₃ подложки из меди или другого материала с напыленным слоем меди. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОЛОГРАММ, включающий воздействие на регистрирующий полупроводниковый материал на подложке интерференционным полем импульсного излучения, отличающийся тем, что в качестве регистрирующего материала используют Sb₂S₃, а интерференционное поле создают в видимой области спектра. 2. Способ изготовления голограмм, включающий воздействие на регистрирующий полупроводниковый материал на подложке интерференционным полем импульсного излучения, отличающийся тем, что в качестве регистрирующего материала используют Sb₂S₃, интерференционное поле создают в ИК-области спектра, а в качестве подложки для Sb₂S₃ используют медь или другой материал с напыленным слоем меди.