ДИФРАКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G02B5/18 

Изобретение относится к оптике, а именно дифракционному устройству для ИК-излучения, которое может найти широкое применение при работе с лазерами для получения высокой эффективности (10^-1-10^-2) первого порядка дифракции, что необходимо, например, при обработке материалов, или для получения низкой эффективности (3˙10^-4) первого порядка дифракции для оптических приборов исследования лазерного пучка, чтобы осуществлять отбор мощности.

Известно несколько типов дифракционных устройств, которые позволяют добиться либо высокой эффективности первого порядка дифракции, либо низкой эффективности первого порядка дифракции.

С помощью так называемых нарезных дифракционных решеток возможно получение эффективности 10^-2 10^-1 (что составляет от 1 до 10%) в зависимости от глубины рельефа канавок [1]
Наиболее важным фактором является не общий уровень поглощения, который сравнительно легко может быть компенсирован соответствующей системой охлаждения, а неоднородности нагрева поверхности, приводящие к искажению отраженного пучка излучения и дифракционного порядка. В процессе нарезания решетки возникают значительные структурные изменения. Как правило, происходит фрагментация структуры, накопление энергии упругих искажений, концентрация примесей в приповерхностном слое. Эти явления носят неоднородный характер. В результате возникает недопустимая неоднородность коэффициента поглощения и под воздействием мощного луча лазера значительная деформация отражающей поверхности, прежде всего за счет снятия напряжений. Следствием этого являются сильные искажения отраженного пучка и дифракционных порядков. Наличие острых углов в рельефе резко ухудшает в этих местах теплосъем. Возникает локальный перегрев с соответствующей деформацией поверхности. Возникают сложности и при нанесении качественных отражающих покрытий, а также и защитных покрытий. В качестве защитного покрытия, как правило, используется диэлектрик толщиной, большей чем глубина рельефа. В процессе нанесения защитного покрытия при стыковке диэлектрика в углублении рельефа с диэлектриком на исходной поверхности возникают напряжения, приводящие к неоднородностям коэффициента преломления и соответственно к неоднородностям эффективности дифракционной решетки. Существенным недостатком нарезных решеток является то, что изготавливаются только решетки эквидистантного типа. Изготовление фокусирующих решеток или невозможно, или технически очень сложно и дорого.

Большинство из этих недостатков устранено в дифракционном устройстве исследования характеристик лазерного излучения, описанном в вышеуказанном патенте. Это устройство содержит плоскую зеркальную поверхность, покрытую многослойным диэлектрическим покрытием, самый верхний слой которого имеет канавки, образующие решетку, а сама многослойная структура покрыта прозрачным диэлектриком, имеющим коэффициент преломления очень близкий, но не такой же, что и слой с решеткой. Эти слои многослойного покрытия имеют толщины, кратные четверти длины волны и в самом верхнем слое выполнена дифракционная решетка с глубиной канавок около 500 .

Однако такая решетка позволяет получать только малую эффективность дифракции первого порядка и не позволяет заменить ею дифракционные устройства с нарезными решетками.

Общим недостатком существующих в настоящее время дифракционных устройств является тот факт, что каждое из них требует совершенно различныe технологии, что ставит изготовителей в затруднительное положение и в значительной мере сказывается на стоимости самих изделий.

В основу изобретения положена задача разработки такой конструкции дифракционного устройства, которая позволила бы получать дифракционные устройства с различной эффективностью при использовании одинаковой технологии.

Поставленная задача решается тем, что в дифракционном устройстве, содержащем подложку с отражающей поверхностью и многослойное покрытие, например в виде пары слоев, согласно изобретению наружный слой пары имеет толщину менее четверти длины волны и снабжен дифракционной решеткой. Глубина канавок этой дифракционной решетки равна толщине этого слоя. При этом толщина другого слоя отлична от величины, кратной четверти длины волны.

Предлагаемая нами конструкция явилась результатом огромного количества экспериментальных работ с различными многослойными покрытиями, имеющими дифракционные решетки. При этом полученные результаты оказались совершенно неожиданными, особенно в связи с тем, что находятся в противоречии с общепризнанными в оптике положениями. Все ранее известные дифракционные устройства были основаны на использовании четвертьволновых элементов или элементов, имеющих оптические габариты, кратные четверти длины волны. Нами установлено, что при глубине канавок, равной толщине слоя, который меньше четверти длины волны, некоторые неоднородности по толщине, а следовательно, и по глубине не влияют на изменение эффективности решетки. Предлагаемое дифракционное устройство может быть изготовлено с использованием единой технологии для получения дифракционных устройств с эффективностью от 10^-1 до 10^-7.

Для обеспечения заданного значения эффективности дифракции следует только лишь подобрать толщины слоев, а для получения требуемого порядка дифракции необходимо подобрать соотношения коэффициентов преломления.

Нами подобрана эмпирическая формула для определения толщины (h) наружного слоя пары
h 0,5 где n₁ показатель преломления наружного слоя на длину волны λ
τ- заданное значение дифракционной эффективности первого порядка дифракции;
R коэффициент зеркального отражения материала наружного слоя.

Проведенные нами эксперименты показывают, что для достижения требуемой дифракционной эффективности достаточно нанести всего два слоя и способ получения дифракционного устройства разработан применительно к такой конструкции, хотя, само собой разумеется, что возможно нанесение дополнительно интерференционного покрытия на отражающее покрытие до образования верхней пары слоев.

На фиг. 1 схематично показано распределение падающего на дифракционную решетку и отраженного от нее излучения; на фиг.2 дифракционное устройство, разрез; на фиг.3 то же, с дополнительными интерференционными слоями.

На фиг.1 схематично в разрезе показано простейшее дифракционное устройство 1, состоящее из подложки 2 и расположенной на ней дифракционной решетки 3. Монохроматичный пучок 4, например, создаваемый лазером (не показан), направляется на дифракционное устройство 1 и, попадая на дифракционную решетку 3, отражается в направлении пучка 5, одновременно образуя дифракционные пучки 6 и 7 первого порядка, дифракционный пучок 8 второго порядка. При этом пучки, расположенные по направлению часовой стрелки от отраженного пучка 5, принято считать положительными порядками дифракции, а расположенные по направлению против часовой стрелки отрицательными порядками дифракции. В зависимости от назначения дифракционного устройства задается распределение эффективности, а конструкцией дифракционного устройства определяется распределение эффективности в различных порядках.

Предлагаемая конструкция дифракционного устройства приведена на фиг.2, где показано в разрезе дифракционное устройство, в котором путем подбора толщины слоев и их коэффициента преломления можно добиться требуемой эффективности первого порядка дифракции в диапазоне от 10^-1 до 10^-7.

Дифракционное устройство содержит плоскую полированную подложку 9, изготовленную из металла, такого как медь, молибден, инвар, кремния или его соединения, например карбида кремния, на которую нанесен слой 10 высокоотражающего покрытия, выполненный, например, из меди, серебра или золота. На слой 10 нанесено два слоя 11 и 12, образующих верхнюю пару слоев.

Наружный слой 12 имеет толщину менее четверти длины волны ИК-излучения, например для ИК-излучения с длиной волны 10,6 мкм, менее 2,4 мкм при n₁ 1,2. Этот слой 12 снабжен рельефом, образующим дифракционную решетку, имеющую канавки 13, глубина которых равна толщине этого слоя 12. Внутренний слой 11 пары имеет толщину, некратную четверти длины волны ИК-излучения. Коэффициент преломления наружного слоя 12 больше коэффициента преломления внутреннего слоя. В зависимости от заданного распределения эффективности для различных порядков дифракции подбирают толщины слоев и коэффициенты их преломления. Между тем эмпирически установлено, чтобы толщина наружного слоя не превышала
h 0,5 где n₁ показатель преломления наружного слоя для рабочей длины волны (λ);
τ- заданное значение дифракционной эффективности первого порядка дифракции;
R коэффициент зеркального отражения материала наружного слоя.

Дифракционное устройство изготавливалось следующим образом.

Металлическая пластинка, используемая в качестве подложки, тщательно полировалась, затем на полированную поверхность подложки наносилось эпитаксиальное отражающее покрытие. После этого наносят последовательно два диэлектрических слоя. Первый слой наносят непосредственно на отражающее покрытие и толщина этого слоя некратна четверти длины волны ИК-излучения. На этот слой затем наносится слой другого диэлектрического покрытия из материала, имеющего коэффициент преломления, больший чем коэффициент преломления первого слоя. Толщина этого второго слоя менее четверти длины волны ИК-излучения. На внешнюю поверхность верхнего слоя наносят фоторезистивную маску в соответствии с требуемым рисунком дифракционной решетки, а затем методом ионного травления изготавливают рельеф. При травлении верхний слой протравливается на всю толщину верхнего слоя, в результате чего образуется дифракционная решетка с глубиной канавок, равной толщине внешнего слоя. Слежение за глубиной травления осуществляет по изменению физических параметров паровой фазы с использованием масс-спектрометрического способа.

По описанной технологии были получены дифракционные устройства, выполненные, как показано на фиг.2, со слоями из различных материалов.

П р и м е р 1. В дифракционном устройстве на металлическую подложку 9 из меди было нанесено отражающее покрытие 10 из серебра. В паре слоев наружный слой 12 выполнен из сульфида цинка (ZnS) толщиной 300 (0,03 мкм), имеющего коэффициент преломления 2,1. Внутренний слой 11 выполнен из тетрафторида тория (ThF₄) толщиной 2800 (0,28 мкм), имеющего коэффициент преломления 1,45. Эффективность (J_o) зеркально отраженного излучения для длины волны излучения 10,6 мкм составила 98,8% а эффективность первого порядка дифракции (J₊₁) составила 2,6˙10^-5% при коэффициенте поглощения (К%) 1,2%
П р и м е р 2. В дифракционном устройстве на подложку 9 из кремния было нанесено отражающее покрытие 10 из серебра. В паре слоев наружный слой 12 выполнен из оксида циркония (ZrO₂) и имел толщину 1100 (0,11 мкм), а коэффициент преломления 1,90. Внутренний слой 11 выполнен из оксида иттрия-скандия, имел толщину 2100 (0,21 мкм), а коэффициент преломления 1,85. Эффективность зеркального отражения (J_о) для длины волны 10,6 мкм составила 98,8% а эффективность первого порядка дифракции (J₊₁) составила 3,7˙10^-4% при коэффициенте поглощения излучения 1,2%
П р и м е р 3. На подложку 9 из молибдена нанесено отражающее покрытие 10 из золота. Наружный слой 12 выполнен из теллурида кадмия и имеет толщину 400 и коэффициент преломления 2,67, а внутренний слой 11 выполнен из тетрафторида тория (ThF₄) и имеет толщину 2600 (0,26 мкм) и коэффициент преломления 1,45. Эффективность (J_o) зеркально отраженного излучения для длины волны 10,6 мкм составила 98,7% а эффективность первого порядка дифракции (J₊₁%) составляла 2,0x10^-3% коэффициент поглощения излучения 1,3%
П р и м е р 4. На подложку 9 из карбида кремния нанесено отражающее покрытие 10 из меди. Наружный слой 12 выполнен из германия (Ge) и имеет толщину 500 (0,05 мкм), и коэффициент преломления 4,00, а внутренний слой 11 выполнен из ВаF₂ толщиной 2800 (0,28 мкм) и имеет коэффициент преломления 1,40. Эффективность (J_о) зеркально отраженного излучения составляла 98,6% а эффективность первого порядка дифракции 4,2˙10^-2% при коэффициенте поглощения 1,3%
П р и м е р 5. На подложку 9 из инвара нанесено отражающее покрытие из серебра. Наружный слой 12 выполнен из германия (Ge) толщиной 1000 (0,1 мкм) и имеет коэффициент преломления 4,0, а внутренний слой выполнен из фторида бария (ВаF₂) толщиной 4500 (0,45 мкм) и имеет коэффициент преломления 1,40. Эффективность зеркально отраженного излучения составила 97,0% а эффективность первого порядка дифракции 5,7˙10^-1% при коэффициенте отражения 1,8%
П р и м е р 6. На подложку 9 из меди нанесен отражающий слой серебра. Затем нанесен слой 14 (фиг. 3) твердого раствора оксидов гафния и иттрия (HfO₂ + Y₂O₃) четверть волновой оптической толщины. Верхняя пара слоев состояла из наружного слоя германия (1200 ), внутреннего слоя тетрафторида тория (ThF₄) толщиной 4000 (0,4 мкм) и имеет коэффициенты преломления Ge 4,0; ThF₄ 1,45. Эффективность зеркального отраженного излучения составила 93,8, эффективность первого порядка дифракции составила 1,5% при коэффициенте поглощения 1,2.

П р и м е р 7. На подложку 9 из меди нанесен отражающий слой серебра. Затем нанесен слой тетрафторида тория четверть волновой оптической толщины для ИК-излучения с длиной волны 10,6 мкм. Верхняя пара слоев состояла из слоя германия (Ge) толщиной 4500 n 4,0 (0,045 мкм) в качестве наружного слоя и слоя арсенида галлия в качестве внутреннего слоя толщиной 3000 (0,3 мкм) n 3,275. Эффективность зеркального отраженного излучения составила 93,2% эффективность первого порядка дифракции 2,9% при коэффициенте поглощения 1,0%
П р и м е р 8. На подложку 9 из инвара нанесен отражающий слой золота. Наружный слой 12 образован германием (Ge) толщиной 4500 а внутренний слой 11 тетрафторидом тория толщиной 11000 имеющим коэффициент рефракции 1,45. Эффективность зеркально отраженного излучения составила 49,8% а эффективность первого порядка дифракции (1_-1) 49,4% при коэффициенте поглощения 0,8%
П р и м е р 9. На подложку 9 из карбида кремния нанесен отражающий слой серебра. Наружный слой 12 выполнен из селеноида цинка ZnSe толщиной 4000 (n 2,403), а внутренний слой из фторида бария (BaF₂) толщиной 12000 Эффективность зеркально отраженного излучения первого порядка дифракции 47,3% при коэффициенте поглощения излучения 2,3%
Из приведенных выше примеров очевидно, что предлагаемая нами конструкция обеспечивает очень широкий диапазон эффективностей как для зеркально отраженного излучения, так и для первого порядка дифракции. Это позволяет изготавливать дифракционные устройства с применением одной технологии на одном и том же оборудовании, предназначенныe как для использования в качестве активных элементов лазерных устройств, так и для измерительной аппаратуры.

Следует иметь в виду, что описанное устройство позволяет получать сфокусированные пучки, то есть работать как фокусирующие решетки.

Вышеописанное дифракционное устройство успешно работает во всем диапазоне ИК-излучения, обеспечивая эффективности, по существу идентичные приведенным выше в примерах 1-9.

Использование: для получения высокой или низкой эффективности дифракции первого порядка. Сущность изобретения: в дифракционном устройстве, содержащем подложку с отражающей поверхностью, на которой расположена пара слоев диэлектрического покрытия, наружный слой выполнен в виде дифракционной решетки, канавки которой выполнены на всю глубину этого слоя, имеющего толщину меньше четверти длины волны, а толщина другого слоя пара отлична от величины, кратной четверти указанной длины волны. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Дифракционное устройство для ИК-излучения, содержащее подложку с отражающей поврехностью и расположенную на ней пару слоев диэлектрического покрытия, в которой наружный слой пары снабжен дифракционной решеткой и имеет показатель преломления больший, чем показатель преломления внутреннего слоя этой пары, отличающееся тем, что слой с дифракционной решеткой имеет толщину менее четверти длины волны и канавки дифракционной решетки по глубине выполнены на всю толщину этого слоя, а толщина другого слоя отлична от величины, кратной четверти указанной длины волны. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношения показателей преломления выбраны в зависимости от заданного порядка дифракции, а толщина слоя в зависимости от заданной эффективности для указанного заданного порядка. 3. Устройство по п.3, отличающееся тем, что толщина h слоя с решеткой не превышает величины


где n₁ показатель преломления внешнего слоя для заданной длины волны λ;
τ требуемое значение дифракционной интенсивности первого порядка;
R коэффициент зеркального отражения материала наружного слоя. 4. Устройство по п.1, в котором между отражающей поверхностью подложки и внутренним слоем указанной пары слоев расположено множество интерференционных слоев. 5. Способ изготовления дифракционного устройства для ИК-излучения, заключающийся в том, что на подложку с отражающим слоем наносят многослойное покрытие, в верхней паре которого материал наружного слоя имеет коэффициент преломления больший, чем внутренний слой этой пары, маскируют наружный слой покрытия в соответствии с заданным рисунком дифракционной решетки и осуществляют травление, отличающийся тем, что внутренний слой наносят с толщиной, отличной от величины, кратной четверти длины указанной заданной длины волны, и наружный слой наносят толщиной менее четверти длины волны и протравливают канавки на всю глубину нанесенного наружного слоя. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что наносят наружный слой, толщина которого не превышает величины, определяемой по формуле

где n₁ показатель преломления наружного слоя на рабочей длине волны λ
t заданное значение дифракции интенсивности первого порядка дифракции;
R коэффициент зеркального отражения материала наружного слоя.