Формирование микрорельефа фокусаторов на слоях жидких фотополимеризующихся композиций тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

САМАРСКИЙ ФИЛИАЛ ЦЕНТРАЛЬНОГО КОНСТРУКТОРСКОГО БЮРО УНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ Владимир Степанович

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА ФОНУСАТОРОВ НА СЛОЯХ ЖИДКИХ Ф0Т0П0ЛЙМЕРИЗУЮЩИХСЯ композиции

Специальность 01.04.01 — Техника физического эксперимента,

физика приборов, автоматизация физических исследоиснкй

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САМАРА 1991

Работа выполнена в Самарском филиале ЦКБ Уникального приборостроения АН СССР.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

М. А- ГОЛУБ

Научный консультант: кандидат химических наук

В. М. ГРАНЧАК

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор И. С. КЛИМЕНКО, кандидат физико-математических наук С. В. БАБИН.

Ведущая организация — Институт Химической физики АН СССР.

Защита состоится __19

г.

Ж

.часов на заседании Специализированного совета Д003.77.01 при ЦКБ Уникального приборостроения АН СССР по адресу: 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦКБ Уникального приборостроения АН СССР.

Автореферат разослан «_ £ » декабря 1991г.

Ученый секретарь Специализированного совета Д 003.77.01

кандидат физико-математических ___

наУк ЕЛ. Отлтанчик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена формированию и исследованию дифракционного микрорельефа элементов * компьютерной оптики на слоях жидких фотополимеризующихся композиций.

Актуальность темы. В настоящее время хорошо разработан математический аппарат для решения обратных задач фокусировки лазерного излучения в заданную фокальную область. Имеются алгоритмы и пакеты компьютерных программ для синтеза фокусаторов, т. е. фазовых элементов компьютерной оптики, фокусирующих когерентное излучение в отрезок, кольцо, буквенные и цифровые символы. Представляется актуальной задача физической реализации фокусаторов инфракрасного диапазона длин волн, имеющих высоту дифракционного микрорельефа ~ ЮмкМ. Оптическое качество микрорельефа непосредственно определяет энергетическую (дифракционную) эффективность и форму фокальной области.

Полутоновые фоторезисты типа СК-17, СК-502 позволяют получить высоту рельефа не более 2 мкМ. Получение микрорельефа высотой ~ ЮмкМ на желатине и на полиграфическом материале «целлофот» сопряжено с процессом вымывания материала, вызывающим шероховатость поверхности рельефа. Этап вымывания также существенно затрудняет текущий контроль процесса образования микрорельефа. Литографические способы многоградационного травления субстрата используют большое число высокоразрешающих фотошаблонов и имеют значительную чувствительность к глубине каждого травления и качеству совмещения слоев.

Таким образом, остается нерешенной задача разработки одностадийной технологии изготовления фокусаторов с оптически гладким в каждой зоне микрорельефом высоты ~ 10 мкМ гфи обеспечении эффективного контроля процесса образования микрорельефа.

Цель диссертационной работы — разработка новых механизмов рельефообразовання в слоях жидких фотополимерн-зующнхся композиций, позволяющих формировать оптически гладкий профиль микрорельефа для дифракционных оптических элементов —фокусаторов, работающих в среднем и дальнем ИК диапазоне. Исследование нового механизма рельефообразовання.

Научная новизна

1. Впервые обнаружен эффект образования и темпового роста рельефа в слоях частично отвержденных олигоэфира-крнлатов после предварительного облучения световым полем с пространственным градиентом интенсивности.

2. Показано, что наблюдаемый эффект рельефообразовання обусловлен массопереносом олнгомера из более темных участков светового поля в более светлые.

3. Установлено, что для экспозиции и мощности актинич-ного излучения существуют некоторые пороговые значения, выше которых происходит резкое уменьшение высоты образующегося микрорельефа.

4. Найдено оптимальное соотношение ингредиентов жидкой фотополимеризующейся композиции, обеспечивающее максимальную высоту и минимальные рассеивающие свойства микрорельефа.

5- На основе нового эффекта рельефообразовання созданы фокусаторы с непрерывно меняющимся профилем микрорельефа в каждой зоне.

Практическая значимость работы. Разработана оригинальная жидкая фотополимеризующаяся композиция (ЖФПК), на основе которой изготовлены высококачественные фокусаторы для СОг лазеров в отрезок, а также в букву «л», имеющие шероховатость микрорельефа, меньшую на два порядка, чем у аналогичных фокусаторов, изготовленных на желатиновой бумаге, и энергетическую эффективность фокусировки, большую на 10%. Созданы методика и приборы интерференционного контроля толщины слоя ЖФПК, в динамическом режиме. Разработаны методика н установка дифракционного контроля процесса рельефообразовання с помощью не-актиничного лазерного излучения.

На основе предложенного способа формирования микрорельефа с непрерывно меняющимся профилем разработана

воспроизводимая технология изготовления фокусаторов для СОг лазеров.

По результатам работы сделано изобретение.

На защиту выносятся:

— физический механизм, лежащий в основе формирования одностороннего микрорельефа, в том числе с непрерывно меняющимся профилем, на слоях жидких фотополимернзую-щихся композиций;

— физические условия снижения светорассеяния на поверхности микрорельефа при записи высокоэффективных отражательных дифракционных оптических элементов для СОг лазеров;

-— новый состав жидкой фотополимеризугощейся композиции на основе олигоэфиров, фотошшщшрованных к ультрафиолетовому излучению.

Апробация работы. Основные материалы, включенные в диссертацию, докладывались на Международной конференции по трехмерной голографии (г. Киев, 1989); четвертом Всесоюзном совещании по полимерным оптическим материалам (г. Черноголовка, 1990); Всесоюзном совещании «Комыотер-иая оптика» (г. Тольятти, 1990); на семинаре в институте Химической физики (г. Москва, 1991); на семинарах в СФЦКБ Уникального приборостроения АН СССР (г. Самара).

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (145 наименований). Изложена на/<г^гграшщах, иллюстрирована 56 рисунками и б таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются элементы компьютерной оптики (ЭКО) н фокусаторы лазерного излучения как одно из применений интенсивно развивающегося направления «Компьютерная оптика». Обозначены области пауки и техники, где могут найти применение фокусаторы инфракрасного диапазона длин волн.

Обоснованы актуальность, научная новизна работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, описаны структура и краткое содержание диссертации,

В первой главе сформулированы основные требования к микрорельефу фокусаторов инфракрасного лазерного излучения. Сделан обзор известных методов формирования микрорельефа, необходимого для работы ЭКО в области длин волн 10,6 мкМ. Проводится обзор исследований по жидким фото-полимеризующимся композициям для изготовления гологра-фнческих оптических элементов и делается вывод о необходимости более детального исследования процессов формирования микрорельефа с позиций изготовления фокусаторов ИК лазерного излучения.

Во второй главе исследован новый процесс формирования микрорельефа высотой более 1 мкМ в тонких слоях ЖФПК. Процесс формирования микрорельефа включает три стадии: экспонирование, проявление (темповой режим), фиксирование (общая засветка УФ). Оптически гладкая поверхность дифракционного элемента достигается благодаря отсутствию процесса вымывания незаполимеризовавшегося олигомера.

Микрорельеф формировался в процессе проецирования полутонового фотошаблона оптического элемента, освещенного ультрафиолетовым светом (длима волны 0,305 мкМ) в тонкий зазор между двумя пластинами, формирующими слой ЖФПК (рис. 1).

Пластины предварительно обрабатывались так, чтобы обеспечить одной из них гидрофнльность, а другой — гидро-Фобность к образовавшемуся после экспозиции форполимеру. Первичная экспозиция ведется до образования форполимера. Для контроля за процессом рельефообразовання на фотошаблоне ЭКО предложено дополнительно записывать амплитудную синусоидальную или бинарную дифракционную решетку с частотой Юл/мм, которая во время экспозиции ЖФПК просвечивается неактииичным излучением Не — Ые лазера (рис. 1). График мощности пулевого порядка дифракции Не — Ые лазера в зависимости от времени экспозиции приведен на рис. 2.

Пока система иластин, формирующих слои ЖФПК, находится в неразобранном виде, рельеф реализуется лишь потен циально, в виде поля напряжений, соответствующего проецируемому изображению. По достижении момента времени toPt (рис. 2) гидрофобное стекло снимается. При этом слой форполимера остается на гидрофильной пластине- На поверхности слоя регистрируется рельеф высотой до 1 2 мкМ.

В работе установлено, что дальнейший рост рельефа эффективно происходит в темповом режиме при контроле иа мнкроннтерферометре МИИ-4, С

-71Г

~7П~

I I

У Ф

8

Рис. 1. Проекционный способ получения микрорельефа: 1—полутоновой фотошаблон фокуса-тора; 2—объектив; 3—гидрофобная пластина; ■1—гидрофильная пластина; о—слой ЖФПК; 6— прокладки; 7—зеркало; 8—Не—Ые лазер; 9—измеритель мощности

Рис. 2. Зависимость относительной мощности нулевого порядка зондирующего излучения от временн экспонирования

Проведенные эксперименты показали, что высота рельефа в темновом режиме может увеличиваться в 10-^-15 раз от первоначального значения, фиксируемого в момент съема гидрофобной пластины. Темновой рост рельефа от 1 до 7,5 мкМ идет в течение 10 -ь 15 часов. По достижении заданного значения рельефа производится общая фиксация слоя УФ излучением в вакуумной камере или в атмосфере инертного газа (аргона, азота). Решена задача минимизации толщины слоя ЖФПК., обеспечивающего требуемую высоту микрорельефа. При этом используется факт, что при переходе интенсивности экспонирующего излучения через определенный порог максимально достижимая высота рельефа, образующегося после отделения гидрофобной пластины, также будет падать (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость максимальной высоты рельефообразовання Лтах от интенсивности засвсткки У при различных концентрациях триэтиленглнкольдиметакрилата (ТГМ-3)

Достигнутые высоты рельефа в диапазоне 1 — 200 мкМ определяются толщиной слоя ЖФПК и составляют ~ 1/3 его первоначальной толщины. Максимальная высота микрорельефа снижается с ростом пространственной частоты и таким образом ограничивается требуемым пространственным разрешением (рис. 4).

При разрешающей способности 10 4-40 линий/мм можно формировать микрорельеф высотой 1 -г 200 мкМ, перекрывая всю инфракрасную область (рис. 4).

Экспериментально подтверждено, что механизм формирования микрорельефа в световом поле заключается в перекач-

Рис. 4. Зависимость высоты рельефа Ь от пространственной частоты V при разных адгезиях к формирующим поверхностям; 1, 3—необработанные поверхности; 2, 4—одна из пластин обработана диметил-дихлорсиланом; 1, 2—толщина слоя ЖФПК Л — 30 мкМ; 3, 4—толщина слоя ЖФПК <1 — 50 мкМ; 5~толщина слоя ЖФПК ¿=60 мкМ

ке олигомера из более темных участков в светлые, в результате чего происходит увеличение массы и вспучивание полимера в более светлых местах. С помощью набора амплитудных решеток с разным контрастом показано, что имеется оптимальное значение контраста фотошаблона. При увеличении найденного оптимального контраста возрастают шумы рассеяния света на рельефной поверхности, а при уменьшении — падают максимально достижимая высота рельефа и пространственное разрешение.

На сканирующем денситометре были сняты микроденсито-граммы оптической плотности полутоновых фотошаблонов фокусаторов. Затем были записаны профилограммы микрорельефа фокусаторов, изготовленных на этих фотошаблонах. При сравнении полученных характеристик установлено, что

новая среда па основе жидких фотополимсрпзующихся композиций имеет линейную функцию передачи микрорельефа и зависимости от интенсивности инициирующего излучения.

Предложена теоретическая модель рельефообразоваипя-Она не претендует на полноту, но не противоречит принципам термодинамического равновесия в многокомпонентных системах. С помощью предложенной модели объясняются все экспериментальные факты рельефообразоваипя, приведенные в работе. В частности показано, что контракция слоя (усадка) жидкой фотоиолимеризующейся композиции не влияет на рельефообразование.

В третьей главе рассматривается формирование микрорельефа фокусаторов контактным способом проекции на основе предложенной в работе технологии формирования микрорельефа на ЖФПК. Контактным способом изготовлены фо-кусаторы ПК диапазона размером до 100мм. Для этого на поверхности фотографической эмульсии фотошаблона с изображением оптического элемента формировался вспомогательный полимерный подслой с низкой адгезией к форнолн-меру, образующемуся в результате экспонирования ЖФПК через фотошаблон. Верхней формирующей пластиной служило стекло оптического качества, обработанное адгезивом. Степень конверсии контролировалась измерением мощности нулевого порядка, как и в проекционной схеме изготовления ЭКО (рис. 1).

В работе сообщается об изготовлении фокусаторов дальнего ИК диапазона (к — 10,6 мкМ) с апертурой 40 -ь 80 мм и фокусным расстоянием 250 ч- ]200мм, имеющих оптически гладкие зоны микрорельефа.

В четвертой главе исследуются характеристики полученных фокусаторов дальнего ИК диапазона, а также оптическое качество поверхности их рельефа. Проводится сравнительный анализ с аналогичными фокусаторами, изготовленными на основе пигментной желатиновой бумаги. Измерена форма микрорельефа. Зарегистрированы спектры излучения Не—Ие лазера, отраженного от поверхности. Показано, что мощность излучения в центре пятна рассеяния для фокусаторов, изготовленных на ЖФПК, в 430 раз больше той же характеристики для фокусаторов, изготовленных на основе пигментной бумаги. Приведены микрофотографии и мнкроинтерферо-граммы поверхностей микрорельефа, достоверно подтверждающие, что видимые на поверхности неоднородности соответствуют в основном частицам пыли. Доказано, что ирн ис-

пользовании технологии ЖФПК основным источником шумов рассеяния становится фотошаблон; даны рекомендации по уменьшению шумов.

По разработанной технологии изготовлены экспериментальные образцы отражательных фокусаторов излучения СОг лазеров в фокальный отрезок длиной 12 мм при фокусе 1200 мм и в букву «л» — фокус 500 мм. Фокусаторы рассчитаны на работу под углом 45°, их световая апертура имеет форму эллипса с полуосями 20 и 30 мм, 30 зонами микрорельефа с максимальной высотой 7,5 мкМ каждая. Минимальная ширина зоны 150 мкМ-

Испытания фокусаторов проведены в установке с 30 ваттным непрерывным СО2 лазером. Экспериментальная оценка энергетической эффективности составляет 60 — 70%, что на 10-^20% выше аналогичных образцов, изготовленных на желатиновой бумаге. В диссертации приведены образцы различных материалов, испытавших воздействие лазерного излучения, сфокусированного предложенными фокусаторами.

В заключении приведены результаты работы.

1. Впервые обнаружен и исследован эффект образования и интенсивного темпового роста рельефа в слоях частично отвержденных олигоэфиракрилатов после предварительного ультрафиолетового облучения с оптимальной экспозицией. Экспериментально найдена зависимость скорости лостэкспо-зицнонного роста микрорельефа от глубины конверсии слоя. Показано, что новый эффект обусловлен массопереиосом олн-гомера из более темных участков светового поля в более светлые.

2. Обнаружены и изучены пороговые эффекты для мощности н энергии экспонирующего ультрафиолетового излучения, выше которых происходит резкое уменьшение высоты рельефа.

3. Созданы дифракционные фокусаторы И1\ излучения, имеющие непрерывно меняющийся в каждой зоне оптически гладкий профиль микрорельефа, сформированный на основе эффекта рельефообразовання в оригинальной жидкой фото-иол имсрпзующсйся композиции-

4. Созданы оригинальная жидкая фотонолимеризующая-ся композиция, методика, технология и аппаратура для реализации микрорельефа фокусаторов ИК диапазона с относительным отверстием О// = 0,2. обеспечивающая интерференционный контроль толщины слоя жидкой фотополимеризую-

щейся композиции и дифракционный контроль глубины конверсии слоя во время экспозиции.

5. Эспериментально показано, что степень рассеяния света Не—Ne лазера на поверхности фокусаторов, изготовленных на слоях жидких фотополимеризующихся композиций, на два порядка меньше степени рассеяния от поверхности аналогичных фокусаторов, изготовленных на основе пигментной желатиновой бумаги. Предложен способ снижения шумов по- ' верхности микрорельефа из-за шумов фотоматериала путем выбора диапазона оптических плотностей при специальном копировании полутонового фотошаблона.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Голуб M■ А., Карпеев С. В., Мурзин С. П., Овчинников К. В., Соловьев В. С., Шинкарев М. В. Автоматизированная технология изготовления фокусаторов ИК диапазона // Сб. Оптическая запись и обработка информации. Куйбышев, КуАИ, 1988. — С.14—18.

2. Кудрова Е. В., Соловьев В. С. Синтез голограмм объектов с кольцевой структурой по методам Ломана и Ли // Сб. Оптическая запись и обработка информации. Куйбышев, КуАИ, 1988.—С. 41—45.

3. С, В. Карпеев, В. С. Соловьев. Методы получения рельефных изображений с непрерывным профилем // Сб. Компьютерная оптика. Вып. 4, М„ 1989—С. 60—61.

4. Е. Ю. Арефьев, В. А. Гилев, Л!. А■ Голуб, H. JI. Казанский, С. В. Карпеев, И. H. Сисакян, В. А. Сойфер, В. С. Соловьев, Д. II. Тихонов, Г. В. Уваров. Экспериментальное исследование плоского оптического элемента, фокусирующего в кольцо // Сб- Компьютерная оптика. Вып. 5. М., 1989. — С. 49—54.

5. Соловьев В. С., Бойко Ю. Б. Получение элементов компьютерной оптики на жидких фотополимеризующихся композициях // Сб. Компьютерная оптика. Вып. 8. М., 1990. —С. 74—76.

6. Y игу В. Boiko, Vasiliy M. Granchak, I■ Dilung, Vladimir S. Solovjev, Iosiph N. Sisakian, Vihtor A. Soi fer. Relief holograms recording on liquid phofopolymerizable layers // Proceeding SPIE, V. 1238, P. P. 252—257, January 1990.

7. Шорин В. П., Мордасов В. И., Морозов А. Н„ Мурзин С. П-, Соловьев В. С. Разработка технологического про-

цесса лазерного легирования штампов холодной высадки с использованием фазовых ЭГТО // Тез. докл. VII Всесоюзной научно-технической конференции: Теплофизика технологических процессов. Тольятти, 1988.—С. 71—72.

8. Соловьев В. С. Бойко Ю. Б., Сойфер В. А., Сиса-кян И. //., Гранчак В. М., Дилунг И■ И. Способ изготовления рельефно-фазовых фокусирующих элементов // А. С. № 1624864 СССР. МКИ В 29 Д 11/00 за 1990 г.

9. Щеглов 10. Д., Соловьев В. С. Устройство для контроля формы зеркал // А. С. № 1002828 СССР МКИ 01 В 9/02, 01 В 11/24 за 1981 г.