СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОПИЙ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК Российский патент 2023 года по МПК G02B5/18 B29D11/00 

Изобретение относится к технологии изготовления копий отражательных дифракционных решеток путем копирования поверхности решетки-матрицы в тонких полимерных слоях на подложках из оптических материалов и может быть использовано в оптико-электронном приборостроении при серийном изготовлении копий дифракционных решеток с высоким коэффициентом отражения и уменьшенным рассеянием света в ультрафиолетовой области длин волн.

Аналогами являются способы изготовления копий отражательных дифракционных решеток и зеркал (US 2464738 А2, МПК G03C 17/34, 15.03.1949; SU 107620 А1, МПК G02B 5/18, 1957; SU 146071 А1, МПК G02B 5/18, 1962; SU 268621 А1, МПК G03C 17/36, 10.04.1970; SU 284262 А2, МПК G03C 17/36, 14.10.1970; SU 404036 А1, МПК G02B 5/18, 26.10.1973; SU 811192 А1, МПК G02B 5/18, 07.03.1981; RU 2717568 С1, МПК B29D 11/00, 24.03.2020; Справочник технолога-оптика /Под. ред. М.А. Окатова. - СПб.: Политехника, 2004. С. 333-334, рис. 7.1).

Прототипом является способ изготовления копии отражательной дифракционной решетки, при котором на решетку-матрицу наносят в вакууме последовательно слои: маннита (разделительный слой), алюминия (отражающий слой) и моноокиси кремния (адгезионный слой), затем, поверх моноокиси кремния, наносят слой полимерной композиции и накладывают на него подложку из стекла, предварительно обработанную метакрилоксиметилтриэтоксисиланом (адгезионный слой), после чего полимерную композицию отверждают с помощью ультрафиолетового облучения, а после отверждения полимерной композиции изготовленную копию дифракционной решетки отделяют от решетки-матрицы и промывают ее в растворителях (SU 1297624 А1, МПК G03F 7/004. Дата публикации - 28.02.1994).

Для формирования отражающего слоя используется, как правило, алюминий, имеющий техническую чистоту с содержанием алюминия от 99,00 до 99,92% (см. ГОСТ 11069-2019. Алюминий первичный. Марки. Москва. Стандартинформ. 2019).

Основным недостатком аналогов и прототипа является выполнение отражающего слоя из алюминия с технической чистотой материала с содержанием алюминия, преимущественно, 99,50%, имеющего относительно низкий коэффициент отражения, равный 0,5, в ультрафиолетовом диапазоне спектра.

Техническим результатом изобретения является повышение оптических характеристик копий отражательных дифракционных решеток, а именно, повышение коэффициента отражения и уменьшение рассеяния света, в ультрафиолетовой области длин волн за счет применения двухслойного отражающего покрытия из алюминия с различной чистотой материала и, соответственно, различными оптическими и физико-механическими свойствами материала.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления копий отражательных дифракционных решеток, включающем нанесение в вакууме на решетку-матрицу разделительного слоя, первого слоя отражающего покрытия, выполненного из алюминия, и адгезионного слоя, нанесение на отражающее покрытие полимерной композиции, прижим подложки, на рабочую поверхность которой предварительно нанесен адгезионный слой, к полимерной композиции, выдерживание до полного отверждения полимерной композиции, в результате которого формируется реплицированная поверхность изготавливаемой копии, отделение готовой копии отражательной дифракционной решетки от решетки-матрицы по разделительному слою, удаление разделительного слоя с готовой копии отражательной дифракционной решетки, согласно настоящему изобретению, перед нанесением полимерной композиции на первый слой отражающего покрытия наносят второй слой толщиной 0,7 - 0,9 мкм из алюминия с высокой чистотой материала с содержанием алюминия 99,95 - 99,995%, при этом первый слой отражающего покрытия выполнен толщиной 0,1 - 0,15 мкм из алюминия с особой чистотой материала с содержанием алюминия 99,999%.

Оптимальные технологические параметры (толщины и чистота первого и второго слоя отражающего покрытия) определены экспериментально путем пробного копирования оптических поверхностей отражательных дифракционных решеток. При этом принято во внимание, что материал особой чистоты первого слоя обеспечивает высокий коэффициент отражения и, благодаря своим физико-механическим свойствам, в частности мягкости и пластичности, обеспечивает высокую точность воспроизведения геометрии штрихов решетки-матрицы. Однако, при последующем склеивании, воздействующая на слой усадка заполимеризовывающейся полимерной композиции будет приводить к его короблению и растрескиванию. Поэтому для предотвращения этого нежелательного явления предложено второй слой выполнять из алюминия высокой чистоты, обладающего более высокой твердостью и обеспечивающего жесткость всего отражающего покрытия.

Изготовление копий отражательных дифракционных решеток с технологическими параметрами, отличающимися от указанных диапазонов, приводит к снижению коэффициента отражения и повышению светорассеяния в ультрафиолетовой области длин волн, из-за коробления и растрескивания отражающего слоя алюминия.

Таким образом, способ изготовления копий отражательных дифракционных решеток включает в себя следующие технологические операции:

1. Нанесение адгезионного слоя на рабочую поверхность подложки для изготавливаемой копии.

2. Нанесение разделительного слоя на рабочую поверхность решетки-матрицы.

3. Нанесение на разделительный слой решетки-матрицы двух слоев отражающего покрытия: вначале наносят первый слой отражающего покрытия, который выполнен толщиной 0,1 - 0,15 мкм, из алюминия с особой чистотой материала с содержанием алюминия 99,999%; затем, на первый слой, наносят второй слой отражающего покрытия, который выполнен толщиной 0,7 - 0,9 мкм, из алюминия с высокой чистотой материала с содержанием алюминия 99,95 - 99,995%.

Алюминий с особой чистотой материала с содержанием алюминия 99,999% по ГОСТ 11069-74 производит «Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт алюминиевой, магниевой и электродной промышленности» (ВАМИ), а алюминий с высокой чистотой материала с содержанием алюминия 99,995% производит АО «Аметист-СТАН».

4. Нанесение на второй слой отражающего покрытия решетки-матрицы адгезионного слоя.

5. Приготовление полимерной композиции.

6. Нанесение полимерной композиции на адгезионный слой решетки-матрицы.

7. Прижим подложки для изготавливаемой копии к полимерной композиции.

8. Отверждение полимерной композиции на подложке для изготавливаемой копии, в результате которого формируется заданная реплицированная оптическая поверхность.

9. Отделение решетки-матрицы от реплицированной оптической поверхности по разделительному слою.

10. Удаление остатков разделительного слоя с изготовленной копии отражательной дифракционной решетки.

Нанесение адгезионных слоев обеспечивает, необходимое сцепление рабочей поверхности подложки с полимерной композицией и полимерной композиции с вторым отражающим слоем алюминиевого покрытия.

Нанесение отражающего покрытия (алюминия особой чистоты и алюминия высокой чистоты), не претерпевающего нарушение поверхности (коробление и растрескивание) в результате воздействия отверждающейся полимерной композиции, обеспечивает высокий коэффициент отражения и уменьшение рассеяния света в ультрафиолетовой области длин волн.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1.

Изготовление копии отражательной дифракционной решетки размером 70×70×10 мм, с частотой штрихов 1200 на 1 мм и рабочим диапазоном длин волн от 150 нм до 350 нм.

Выбирают стандартную подложку из оптического стекла марки ЛК-7, размерами 70×70×10 мм, с общей ошибкой поверхности N=2, местной ошибкой, равной 0,2 интерференционной полосы для длины волны 0,5 мкм и чистотой по 4 классу.

Способ реализован с использованием вакуумной установки ВУ-1 для нанесения адгезионного, разделительного и отражающего слоев.

Согласно предложенному способу процесс изготовления копии отражательной дифракционной решетки включает следующие операции:

1. На рабочую поверхность подложки из стекла ЛК-7 наносят адгезионный слой путем обработки парами метакрилоксиметилтриэтоксисилана.

2. На рабочую поверхность решетки-матрицы наносят разделительный слой из фуксина толщиной 10 нм.

3. На разделительный слой решетки-матрицы последовательно наносят два слоя отражающего покрытия:

первый слой толщиной 0,12 мкм - из алюминия особой чистоты, содержащего 99,999% алюминия,

второй слой толщиной 0,8 мкм - из алюминия высокой чистоты, содержащего 99,95% алюминия.

4. На второй слой отражающего покрытия решетки-матрицы наносят адгезионный слой из моноокиси кремния толщиной 10 нм.

5. Приготавливают полимерную композицию на основе пропиленгликольмалеинатфталата (ПГМФ) в стироле при соотношении (мас.ч.) ПГМФ - 60, стирол - 40 в соответствии с действующей нормативной документацией.

6. На адгезионный слой решетки-матрицы наносят полимерную композицию.

7. К полимерной композиции прижимают подложку копии отражательной дифракционной решетки.

8. Прижатую подложку выдерживают до полного отверждения полимерной композиции, в результате чего формируется реплицированная поверхность изготавливаемой копии отражательной дифракционной решетки.

9. После полного отверждения полимерной композиции на подложке, отделяют полученную копию от решетки-матрицы по разделительному слою.

10. Удаляют остатки разделительного слоя с изготовленной копии отражательной дифракционной решетки.

По окончании процесса изготовления контролируют параметры изготовленной копии отражательной дифракционной решетки на соответствие ее техническим требованиям.

Полученная копия отражательной дифракционной решетки, работающая в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 196 нм, имеет коэффициент отражения 0,60 и светорассеяние 0,000045 по отношению к интенсивности основной линии.

Пример 2.

Копирование оптической поверхности отражательной дифракционной решетки в соответствии с параметрами и технологическим процессом, изложенным в примере 1.

Отличием является то, что в операции нанесения отражающего покрытия первый слой наносят толщиной 0,15 мкм, из алюминия особой чистоты, содержащего 99,999% алюминия, а второй слой наносят толщиной 0,7 мкм из алюминия высокой чистоты, содержащего 99,97% алюминия.

Полученная копия отражательной дифракционной решетки, работающая в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 196 нм, имеет коэффициент отражения 0,60 и светорассеяние 0,00005 по отношению к интенсивности основной линии.

Пример 3.

Копирование оптической поверхности отражательной дифракционной решетки в соответствии с параметрами и технологическим процессом, изложенным в примере 1.

Отличием является то, что в операции нанесения отражающего покрытия первый слой наносят толщиной 0,1 мкм из алюминия с особой чистотой материала, с содержанием алюминия 99,999% а второй слой наносят толщиной 0,9 мкм из алюминия с высокой чистотой материала с содержанием алюминия 99,995%.

Полученная копия отражательной дифракционной решетки, работающая в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 196 нм, имеет коэффициент отражения 0,60 и светорассеяние 0,00004 по отношению к интенсивности основной линии.

Пример 4 (прототип).

Копирование оптической поверхности отражательной дифракционной решетки в соответствии с параметрами и технологическим процессом, изложенным в примере 1.

Отличием является то, что на рабочую поверхность решетки-матрицы наносят разделительный слой из фуксина и только один слой отражающего покрытия толщиной 1,0 мкм из алюминия технической чистоты, содержащего 99,50% алюминия, а в качестве полимерной композиции используют олигоуретанакрилат с инициатором (изобутиловым эфиром бензоина).

Полученная копия отражательной дифракционной решетки, работающая в ультрафиолетовой области спектра на длине волны 196 нм, имеет коэффициент отражения 0,50 и светорассеяние 0,0001 по отношению к интенсивности основной линии.

Таким образом, по сравнению с копией, полученной в соответствии с примером 4 (по способу-прототипу), копии отражательной дифракционной решетки, полученные в соответствии с примерами 1-3, показали увеличение коэффициента отражения с 0,50 до 0,60 и уменьшение рассеянного света с 0,0001 до 0,00004 по отношению к интенсивности основной линии.

Изложенная технология изготовления копий оптических поверхностей может быть использована при серийном изготовлении отражательных дифракционных решеток.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения, благодаря выполнению операции нанесения отражающего покрытия, состоящего из двух слоев, содержащих алюминий с различными коэффициентами отражения, твердостью, пластичностью и прочностью для каждого из слоев, позволяет увеличить коэффициент отражения с 0,50 до 0,60 (на 10%) и уменьшить светорассеяние с 0,0001 до 0,00004 в ультрафиолетовой области длин волн за счет того, что первый слой обеспечивает высокую точность воспроизведения геометрии штрихов решетки-матрицы с высоким коэффициентом отражения, а второй слой обеспечивает жесткость всего отражающего покрытия, так как исключает его коробление и растрескивание при отверждении полимерной композиции.

Способ может быть использован при серийном изготовлении копий дифракционных решеток. Способ включает нанесение в вакууме на решетку-матрицу разделительного слоя, первого слоя отражающего покрытия, выполненного из алюминия, и адгезионного слоя, нанесение на отражающее покрытие полимерной композиции, прижим подложки, на рабочую поверхность которой предварительно нанесен адгезионный слой, к полимерной композиции, выдерживание до полного отверждения полимерной композиции, в результате которого формируется реплицированная поверхность изготавливаемой копии, отделение готовой копии отражательной дифракционной решетки от решетки-матрицы. Перед нанесением полимерной композиции на первый слой отражающего покрытия наносят второй слой толщиной 0,7 - 0,9 мкм из алюминия с высокой чистотой материала с содержанием алюминия 99,95 - 99,995%. Первый слой отражающего покрытия выполнен толщиной 0,1 - 0,15 мкм из алюминия с особой чистотой материала с содержанием алюминия 99,999%. Технический результат – увеличение коэффициента отражения и уменьшение светорассеяния в ультрафиолетовой области длин волн.

Способ изготовления копий отражательных дифракционных решеток, включающий нанесение в вакууме на решетку-матрицу разделительного слоя, первого слоя отражающего покрытия, выполненного из алюминия, и адгезионного слоя, нанесение на отражающее покрытие полимерной композиции, прижим подложки, на рабочую поверхность которой предварительно нанесен адгезионный слой, к полимерной композиции, выдерживание до полного отверждения полимерной композиции, в результате которого формируется реплицированная поверхность изготавливаемой копии, отделение готовой копии отражательной дифракционной решетки от решетки-матрицы по разделительному слою, удаление разделительного слоя с копии, отличающийся тем, что перед нанесением полимерной композиции на первый слой отражающего покрытия наносят второй слой толщиной 0,7 - 0,9 мкм из алюминия с высокой чистотой материала с содержанием алюминия 99,95 - 99,995%, при этом первый слой отражающего покрытия выполнен толщиной 0,1 - 0,15 мкм из алюминия с особой чистотой материала с содержанием алюминия 99,999%.