CC BY
5
УДК 681.787 + 535.417
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЗАПИСИ ДВУМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ С НЕЗАВИСИМО ВАРЬИРУЕМЫМИ ПЕРИОДАМИ
Сергей Львович Микерин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-66-55, e-mail: mikerinsl@iae.sbras.ru
Владимир Дмитриевич Угожаев
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-конструктор, тел. (383)330-66-55, e-mail: vdu@iae.nsk.su
Дано описание системы, предназначенной для одновременной записи двумерных ортогональных голографических решеток, например, в гелеобразных фотополимерных образцах. Система включает в себя два перестраиваемых двухлучевых интерферометра и узел совмещения интерференционных картин на образце. Их периоды перестраиваются независимо друг от друга в диапазоне 0,83-1,41 мкм при длине волны излучения 0,54 мкм без перемещения интерферометров и образца в процессе перестройки.
Ключевые слова: двухлучевой интерферометр, интерференционная картина, двумерная голографическая решетка, фотополимер, фотонный кристалл.
INTERFEROMETRIC SYSTEM FOR RECORDING OF TWO-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTALS WITH INDEPENDENTLY VARIABLE PERIODS
Sergey L. Mikerin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Researcher, phone: (383)330-66-55, e-mail: mikerinsl@iae.sbras.ru
Vladimir D. Ugozhaev
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Engineer, phone: (383)330-66-55, e-mail: vdu@iae.nsk.su
A description of a system for simultaneously recording two-dimensional orthogonal holographic gratings, for example, in gel-like photopolymer samples is given. The system includes couple of tunable two-beam interferometers and a unit to superposition of interference patterns on the sample. Periods of the interference patterns are tuned independently of each other in the range 0.83-1.41 ^m at a radiation wavelength of 0.54 p,m without any displacement of the interferometers and the sample during the tuning process.
Key words: two-beam interferometer, interference pattern, two-dimensional holographic grating, photopolymer, photonic crystal.
Введение
Интерференционная фотолитография - эффективный метод изготовления периодических структур на большой площади с масштабом до ~ 10 нм [1]; метод важен также при исследовании голографических материалов [2]. Однако
при его реализации требуются поэтапные экспозиции в фоточувствительном элементе (ФЭ) нескольких элементарных интерференционных картин с разными периодом и ориентацией.
Концепция вращательной перестройки периода интерференционной картины в двухлучевых интерферометрах, допускающая его перестройку без смещения ФЭ относительно интерферометра, предложена и развита в [3-6]. В представленной работе сообщается о разработке интерферометра, в котором применяется механизм имитации вращения, позволяющий перестраивать период при взаимно неподвижных интерферометре, ФЭ и источнике излучения, что сделало возможным совмещать независимо варьируемые интерференционные картины на одном образце.
Результаты и обсуждение
За основу разработки был взят интерферометр, в котором область интерференции практически совмещена с неподвижным относительно интерферометра ФЭ во всей допустимой области перестройки периода [6]. В этой работе перестройка осуществляется путем совместного вращения интерферометра и ФЭ относительно неподвижного источника исходного светового пучка. Его эквивалентное вращение относительно неподвижного интерферометра не всегда возможно, например, из-за значительных габаритов источника. Таким образом, задача сводится к созданию механизма, который имитировал бы требуемое согласование линейного и углового перемещений исходного пучка на входе в светоделитель-ный кубик при неподвижном источнике, описываемое формулой [6]:
гг: ¿5та-(71С05^—^2 эт^) соз(а-Г) . . ,1Ч
Ч— -г-;---, „--\-tgip + 1, (1)
где ц = Q/A — позиция оси исходного пучка 6 на входной поверхности С1С2 (рис. 1), 1 = L/A = const- расстояние между ребром С3 светоделительного кубика и центром симметрии О области интерференции, а = 0 + 2^+45° - половинный угол схождения, в - угол падения исходного пучка на входную поверхность, угол наклона зеркал 3.1 и 3.2 интерферометра к плоскости делительного зеркала в светоделительном кубике, К = Н/А - расстояние между этими зеркалами, у- угол преломления, А - длина ребра. ФЭ должен располагаться внутри области интерференции: ¿0. Расчеты показывают, что полученная из формулы (1) зависимость д(в) близка к линейной (рис. 2) при практически востребованных параметрах разрабатываемого устройства. При малых углах падения (|0| << 1, например, —5° < в <5°) зависимость линейного перемещения от углового оказывается линейной:
w = tв+q- 1/2, (2)
где ^ = Ш / А — перемещение подвижного зеркала, отсчитываемое от его начального положения 8, в котором 0 = 0 и ^ = 1/2; t = Г/Л — расстояние между входной поверхностью и исходным пучком 6. В (2) учтено, что в=2(р.
р
Рис. 1. Оптическая схема
Я
i gq
О.ОСИД 0, deg.
-6 -3 с \3 F /
-0,0005
# cleg.
1-'-i-'-1-'-]-'-1---1-'-г
-б А -2 0 2 4 6
Рис. 2. Зависимость q(6) при l = const. На врезке показано отклонение зависимости от линейной
Для решения этой задачи использовалось подвижное зеркало 5, совершающее одновременно два движения: линейное Ж и угловое ф, воспроизводя требуемые линейное и угловое перемещения исходного пучка по формуле (1). Рис. 3 показывает возможное исполнение механизма, реализующего предписываемую формулой (2) линейную зависимость м/(в). В нем подвижное зеркало 5 закрепляется на рычаге 15 с плечом Я и при его перемещении вдоль оси 2-2 на расстояние Ж поворачивается на угол р благодаря скольжению края этого рычага по направляющей 17, наклоненной под углом т] к оси 2-2:
w = г 6/2], (3)
где г — Я/А. Формула (3) находится из треугольника по условию мало-
сти углов р и т], используя подстановку р— 6/ 2.
Рис. 3. Кинематическая схема механизма согласования перемещений подвижного зеркала
Из (2) выводится соотношение кинематических параметров данного механизма перестройки интерферометра:
^тах = 1-(1 + 1ка, (4)
где = ж2 — дистанция, в пределах которой перемещается подвиж-
ное зеркало, Аа = Ав = в2~ — диапазон изменения половинного угла схождения, который может быть достигнут в исследуемом устройстве. Индексы 1 и 2 соответствуют левому 10 и правому 12 граничным положениям исходного пучка диаметром (1 = И/А (рис. 1). Размеры Я и Т] определяются по конструктивным соображениям из выражения
г/]=2\ктах/Аа, (5)
полученного преобразованием (3) с использованием параметров названных граничных положений.
Опытный образец интерферометра [6] был разработан на основе светоде-лительного кубика с длиной ребра А = 20 мм (рис. 1). Зеркала, ориентированные под углом наклона (= -15°, установлены с малым зазором относительно ребер С2 и С4: расстояние Н = 29,1 мм. Начальное значение половинного угла схождения а0 = 15°, и для исходного пучка диаметром 0 = 5 мм при перемещении подвижного зеркала в интервале —10<^<10 мм этот угол изменяется от 11° до 19°, а период интерференционных полос — от 1,41 до 0,83 мкм соответственно (длина волны 540 нм). В начальном положении исходного пучка центр симметрии интерференционной картины удален от светоделительного кубика на расстояние ¿нач = 80 мм, и ФЭ совмещен с этим центром: ¿0 = Ьнач. В других положениях область интерференции получает смещение вдоль плоскости делительного зеркала из-за нелинейности уравнения согласования (1). Чтобы поддерживать высокий контраст интерференционных полос, данное смещение должно быть малым по сравнению с половиной продольного размера области интерференции, что задается допуском на величину относительного смещения: к3 = 2|АЬ^та/О «1. Рис. 4 показывает, что это относительное смещение, рассчитанное для выбранных параметров опытного образца, с запасом удовлетворяет принятому критерию: максимальное смещение не превышает ± 0,23% и практически не влияет на уровень контраста.
Высший контраст интерференционных полос достигается при использовании линейно поляризованного излучения, причем поляризация должна быть ориентирована перпендикулярно плоскости схождения интерферирующих пучков. Такое обстоятельство позволяет использовать поляризационный кубик для совмещения интерференционных картин от двух интерферометров на поверхности ФЭ таким образом, чтобы их интерференционные полосы оказались перпендикулярными друг другу. Для реализации такого совмещения был разработан оптический узел, в котором одна пара пучков претерпевает поляризационное отражение в поляризационном кубике, а другая проходит сквозь кубик, причем плоскости схождения обеих пар пучков взаимно перпендикулярны. Далее система пучков выводится на ориентированный горизонтально стеклянный столик, на который помещается ФЭ, в частности, жидкая или гелеобразная фоточувствительная среда на прозрачной подложке.
Рис. 4. Зависимость относительного смещения интерференционной картины от угла падения
На основе данной разработки была изготовлена интерферометрическая система (рис. 5), включающая в себя два интерферометра 1 и узел совмещения 2 с предметным столиком 3, неподвижно закрепленные на общем основании; габариты системы — 29x20x12 см. Результаты теста созданных интерферометров показали удовлетворительное согласие экспериментальной и теоретической зависимости угла схождения пучков от смещения подвижного зеркала.
2 3
Рис. 5. Созданная интерферометрическая система: 1 - двухлучевые интерферометры; 2 - узел совмещения с выходной призмой; 3 - столик для размещения образцов
Заключение
Представлены теория, характеристики и конструкция компактной интер-ферометрической системы, позволяющей осуществлять одновременную запись двух взаимно ортогональных интерференционных картин с независимо регулируемыми периодами в диапазоне 0,83-1,41 мкм при длине волны излучения 0,54 мкм. Система строится из двух одинаковых неподвижных перестраиваемых двухлучевых интерферометров, плоскости симметрии которых перпендикулярны друг к другу, и установленного в области их пересечения узла совмещения интерференционных картин на образце. Эти картины остаются неподвижными при перестройке любого из интерферометров, и перемещение образца при переходе от одной экспозиции к другой не требуется. Система рассчитана на использование любых образцов, в том числе жидких или гелеобразных фоточувствительных сред на прозрачных подложках. Она позволяет использовать один общий источник для обоих интерферометров или два взаимно независимых источника светового излучения с вертикальной поляризацией генерируемого излучения.
Практическая реализация интерферометра выполнена с использованием точного обрабатывающего оборудования Центра коллективного пользования «Спектроскопия и оптика» (http://ckp-rf.ru/ckp/3046/).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Lu C., Lipson R. H. Interference lithography: a powerful tool for fabricating periodic structures // Laser photonics rev. 2010. - V. 4, N. 4. - P. 568-580.
2. Shelkovnikov V. V., Vasil'ev E. V., Gerasimova T. N., Pen E. F., Plekhanov A. I. Dynamics of pulsed recording of holographic diffraction gratings in photopolymer materials // Optics and spectroscopy. - 2005. - V. 99, N. 5. - P. 806-815.
3. Mikerin S. L., Ugozhaev V. D. A Simple Two-Ray Interferometer Based on a Beamsplitter Cube // Optics and spectroscopy. - 2011. - V. 111, N. 6. - P. 973-979.
4. Mikerin S. L., Ugozhaev V. D. Reconfigurable Holographic Interferometer with Fixed Mirrors // Optoelectronics, instrumentation and data processing. - 2012. - V. 48, N. 4. -P. 341-350.
5. Mikerin S. L., Ugozhaev V. D. A simple two-ray interferometer tuned by rotation; Tuning of interference pattern period by rotation of interferometer itself; A rotational tuning of convergence angle in a two-ray interferometer with fixed mirrors. In: Interferometers: Fundamentals, Methods and Applications / K. Harmon Eds. Hauppauge, New York: Nova Science Publishers. - 2015. -277 p.
6. Ugozhaev V.D. Rotationally tunable two-beam interferometer with a fixed photosensitive element. Part I. Interferometer based on a beam-splitter cube // Optoelectrincs, instrumentation and data processing. - 2016. - V. 52, N. 2. - P. 153-160.
7. Mikerin S. L., Ugozhaev V. D. Dvukhluchevoy interferometr (varianty) [Two-beam interferometer (versions)]. Patent application for invention No. 2017141671. 29.11.2017.
© С. Л. Микерин, В. Д. Угожаев, 2018
