close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;doc

код для вставкиСкачать
КРЕМНИЕВАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ОПТИКА ДЛЯ
УПРАВЛЕНИЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Павельев В.С., Агафонов А.Н., Володкин Б.О. , Кавеев А.К.,
Качалов Д.Г. ,Князев Б.А., Кропотов Г.И., Тукмаков К.Н., Цыганкова Е.В., Цыпишка
Д.И., Чопорова Ю.Ю.
Новосибирск
2014
ДИФРАКЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ДОЭ)
Основные идеи: использование явления дифракции;
сведения фазы к интервалу [0, 2π); квантование фазы
Первые дифракционные решётки: 1673 — J. Gregory (перо)
1785 — D. Rittenhouse (волос) ; 1821 — J. Fraunhofer (проволока)
Зонная пластинка – конец 19 века, Франция.
ФОКУСАТОРЫ - ПЕРВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ОПТИКИ
Основная идея: решение обратной задачи
дифракции относительно границ и размера зон
Фокусатор в соосный отрезок
λ=0,63 мкм
В 1982-1988 годах были синтезированы первые ДОЭ, формирующие заданные аксиальные
распределения, осуществляющие фокусировку лазерного излучения в заданные двумерные
области (фокусаторы),
а также селекцию и формирование пространственных мод лазерного
излучения. Созданные элементы работали в видимом и инфракрасном диапазонах (0,63 мкм — 10,6
мкм).
Дифракционная компьютерная оптика. под ред. В.А. Сойфера 2007. М.: Физматлит.
ПОДХОДЫ К РАСЧЕТУ ДОЭ
1. Методы геометрической оптики (аналитические методы)
2. Методы скалярной теории дифракции (итерационные методы типа ГерчбергаСакстона, стохастические методы, методы цифровой голографии)
3. Методы строгой теории света (основанные на численном решении уравнений
Максвелла)
ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ
Технологии
Материалы
Диапазон
Литография+плазмохими
ческое травление
Кремний,
алмазные от видимого до ТГц
пленки, кварц, стекла
УФ-лазерная абляция
Алмазные пленки
Средний ИК (λ=10.6 µm)
Интерференционная
литография
Фоторезист
Видимый и ближний ИК
Технология
Алмазные
фокусированных ионных Кремний
пучков (ФИП)
пленки, Видимый и ближний ИК
Микромеханическая
обработка
Стекла, Кварц
Видимый и ближний ИК
Многофотонная
полимеризация
Фоторезист
Видимый и ближний ИК
МИКРООПТИКА НА АП ДЛЯ CO2-ЛАЗЕРОВ
a
b
Алмазная дифракционная линза до (а) и после (b)
удаления графита
V.S. Pavelyev, V. A. Soifer, V. I. Konov et al. in: High-Power and Femtosecond Lasers,
Editor: Paul-Henri Barret and Michael Palmer, 2009, Nova Science Publishers, Inc.
ЗАДАЧА УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫМ ТГц ИЗЛУЧЕНИЕМ
НОВОСИБИРСКОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ
(НовоФЭЛ)
Рабочий диапазон 100 – 300
мкм
Области применения ДОЭ ТГц
диапазона:
-”мягкая” абляция,
-материаловедение,
-биомедицина.
НИИЯФ СО РАН имени Г.И. Будкера, г. Новосибирскк
ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА
а) подготовка пластины; б) нанесение металлического
и
фоторезистивного слоя; в) экспонирование фоторезиста и
жидкостное травление низлежащего слоя металла; г) травление
кремния д) удаление металлической маски.
СХЕМАТИЧЕСКАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ Bosch-ПРОЦЕССА
Method of anisotropically etching silicon. United States Patent 5501893
ЭТАПЫ Bosch-ПРОЦЕССА
Yeom, Junghoon; Wu, Yan; Selby, John C.; Shannon, Mark A. (31 October 2005).
"Maximum achievable aspect ratio in deep reactive ion etching of silicon due to aspect
ratio dependent transport and the microloading effect". J. Vac. Sci. Technol. B.
УСТАНОВКА ПХТ ЭТНА 100-ПТ в НОЦ НТ СГАУ (НТ- МДТ)
УСТАНОВКА
МАГНЕТРОННОГО
РАСПЫЛЕНИЯ ЭТНА 100-МТ В
НОЦ НТ СГАУ ( НТ-МДТ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗГОТОВЛЕННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА С
ПОМОЩЬЮ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ БЕЛОГО СВЕТА
(НА ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ WLI-DMR (ГЕРМАНИЯ))
Расчетная высота микрорельефа 27 мкм, измеренная - 26,7 мкм
ЭЛЕКТРОННЫЕ ФОТОГРАФИИ МИКРОРЕЛЬЕФА
Микрорельеф
делителя пучка 1:2
Микрорельеф
Линзы Френеля
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТГц-ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ В НОЦ НТ СГАУ
Экспериментальное исследование ДОЭ на рабочей
станции лазера на свободных электронах (NovoFEL).
Дифракционная эффективность составила для линзы без
антиотражающего покрытия 24% для линзы с
антиотражающим покрытием 40%
Длина волны λ=141 μm, апертура 30 mm. Материал: высокоомный кремний HRFZ-Si; полимер (Parilene С) –
для антиотражающего покрытия. Технология: плазмохимическое травления (Bosch-процесс), рабочие газы:
C4F8/Ar (пассивация) и SF6/Ar (травление). Максимальная глубина травления - 27 μm.
Агафонов А.Н. и др.// Дифракционные линзы для мощных пучков терагерцового
излучения. Известия Российской академии наук. Серия физическая, т. 77, N 9,
2013.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЗЫ ФРЕНЕЛЯ НА NovoFEL
Осевое распределение интенсивности, сформированное бинарной дифракционной линзой
ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИОТРАЖАЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ
Покрытие выдержало без повреждений облучение со средней
плотностью мощности излучения 4 кВт/см2, пиковая мощность в 100пикосекундном импульсе при этом составляла почти 8 МВт/см2
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТГц ДЕЛИТЕЛЯ ПУЧКА 1:2
Экспериментальное исследование ДОЭ на рабочей
станции лазера на свободных электронах (NovoFEL).
Расчетная дифракционная эффективность 82%.
Измеренная дифракционная эффективность 79%.
Агафонов А.Н. и др.//Кремниевые дифракционные
оптические
элементы
для
мощного
монохроматического
терагерцового
излучения.
Автометрия. 2013. Т. 49. №2. С. 98-105.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТГц-ФОКУСАТОРА В КВАДРАТ
Фокусатор в прямоугольник
на этапе изготовления маски
Сравнение экспериментальных результатов с данными
моделирования. Результаты моделирования для пучка: а) диаметром 9
мм b) диаметром 11 мм. Экспериментальные результаты для пучка
диаметром 11 мм c) 3D изображение
Агафонов А.Н. и др.//Кремниевая
оптика для
фокусировки лазерного излучения терагерцового
диапазона в заданные двумерные области.
Компьютерная оптика. 2013. Т. 37. №4. С. 464-470.
ДОЭ С УВЕЛИЧЕННОЙ ГЛУБИНОЙ ФОКУСА
Постановка задачи создания ДОЭ с увеличенной глубиной фокуса
D. G. Kachalov, S.N. Khonina, R.V. Skidanov, O. Yu. Moiseev, V.S. Pavelyev,
Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal
distribution, Journal of Modern Optics, 58: 1, 69 — 76 (2011).
ФОКУСАТОР В СООСНЫЙ ОТРЕЗОК
Рассчитанная фаза элемента,
фокусирующего гауссов пучок
NovoFEL-а в соосный отрезокк
Изготовленный элемент
Результаты
исследования
изготовленного микрорельефа
методами
электронной
микроскопии
Расчет основан на минимизации функционала следующего вида:к
⎛ I ( zi ) − μI ( zi ) Cm ⎞
Φ( φ( r ) ) = ∑Q⎜
⎟⎟− > min
⎜
μI ( zi ) Cm ⎠
i=1 ⎝
N
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОКУСАТОРОВ НА NOVOFEL
Scanning from 298 to 411 mm
Scanning from 90 to 160 mm
Фокусатор в квадрат
Фокусатор в соосный отрезок
Microbolometer
focal plane array
Motorized translation stage
Binary Fresnel lens
ФОРМИРОВАНИЕ МОД ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ФАЗОВЫМИ БИНАРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Ранее в [1] было показано, что в случае формирования из освещающего
гауссова пучка гауссовых мод низкого порядка с помощью чисто фазового
элемента целесообразно выбирать в качестве фазовой функции бинарного
элемента фазовый портрет формируемой моды, так как в этом случае,
несмотря на воздействие только на фазу освещающего пучка, парциальная
мощность формируемой моды в пучке после элемента будет составлять
свыше 70%.
1. Дифракционная компьютерная оптика. под ред. В.А. Сойфера 2007. М.:
Физматлит.
ФОРМИРОВАНИЕ МОД ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Фаза моды Гаусса-Эрмита
(1,0)к
Фаза моды Гаусса-Эрмита
(1,1)к
Фаза моды Гаусса-Лагерра
(2,2)к
Pavelyev V.S., Soifer V.A. Chapter 6. Selection of laser light modes. pp. 445-532.
Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, Ed. V.A. Soifer,
Wiley&Sons, Inc., 2002.
ФОРМИРОВАНИЕ ГАУССОВЫХ МОД ИЗ ПУЧКА NOVOFEL
Гаусса-Эрмита (1,0)
Гаусса-Эрмита (1,1)
Гаусса-Лагерра (2,2)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.
Рассчитаны, изготовлены и исследованы кремниевые ДОЭ,
предназначенные для фокусировки излучения Новосибирского лазера на
свободных электронах терагерцового диапазона в соосный отрезок и
квадрат
2. Рассчитаны,
изготовлены
и
исследованы
кремниевые
ДОЭ,
предназначенные для формирования заданных мод лазерного излучения
Гаусса-Эрмита и Гаусса-Лагерра из освещающего пучка Новосибирского
лазера на свободных электронах
3.
Увеличение числа уровней квантования микрорельефа и разработка
методов синтеза дифракционных оптических элементов с субволновым
дифракционным микрорельефом позволят увеличить дифракционную
эффективность дифракционных оптических элементов терагерцового
диапазона
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа