CC BY
45
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ
Стенограмма научного сообщения на совместном семинаре ИСОИ РАН и Института компьютерных исследований СГАУ 28 апреля 2006 года
Н.Л. Казанский Институт систем обработки изображений РАН Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева
Аннотация
В сообщении дан обзор методов и приборов, предназначенных для формирования и исследования дифракционных оптических элементов. В основу обзора положены возможности центра коллективного пользования «Микроэлектроники и дифракционной оптики», созданного совместными усилиями Института систем обработки изображений РАН и Самарского государственного аэрокосмического университета (см. «Центры коллективного пользования Российской академии наук» - М.: Наука, 2004, с. 176-177).
Подводя итоги четвертого, - финишного, - года выполнения проекта российско-американской программы «Фундаментальные исследования и высшее образование» интересно проанализировать, какие возможности для создания и исследования дифракционных оптических элементов (ДОЭ) открывает наша перенесенная в 1-ый корпус СГАУ и обновленная приборная база. Данный ракурс также важен в связи с подготовкой статьи для журнала «Приборы и техника эксперимента». Презентация подготовлена при участии А.В. Волкова, Л.Л. Досколовича, С.В. Карпеева, О.Ю. Моисеева, В.С. Павельева и В. А. Сойфера. Дизайн слайдов - Я.Е. Тахтаров.
Свое сообщение я предполагаю сделать в соответствии с данным планом (слайд 2).
Дифракционные оптические элементы работают на основе дифракции монохроматического света на микрорельефе (слайд 3). Благодаря гибкости компьютерного проектирования и возможностям современного прецизионного оборудования для формирования микрорельефа мы получаем уникальный оптический инструмент для требуемого управления волновым фронтом или заданного преобразования световых пучков. Идеальный микрорельеф ДОЭ получил название «непрерывный», а его реализация в форме аппроксимирующих ступенек называется «многоуровневым» или «ступенчатым» микрорельефом, в простейшем варианте, представленном на слайде, ДОЭ называется «бинарным».
На слайде 4 крупными мазками представлены этапы создания ДОЭ (и их реализация в нашем научно-образовательном центре). В частности, для сложных расчетов может быть использована модульная многопроцессорная вычислительная система «Kraftway G-Scale S-330», включающая 6 процессоров Itanium2-1,5GHz(4Mb) с общей оперативной памятью 12 Gb и общим объемом дисковой памяти 750 Gb. Для хранения матриц, содержащих результаты расчета фазовых функций в форме, предназначенной для вывода на станцию лазерной записи, дополнительно может использоваться сервер «HP ProLiant DL100 Storage Server» долговременного хранения данных с дисковой емкостью
640 Гб. В соответствии с представленными этапами синтеза ДОЭ планируется и последующее изложение материала.
Расчет ДОЭ (слайд 5) состоит обычно из следующих шагов. Сначала в рамках более грубого физического подхода (например, в рамках геометрической оптики или скалярной теории) происходит решение обратной задачи теории дифракции и получается первоначальное приближение фазовой функции ДОЭ. Затем в рамках более строгого физического подхода, обычно с учетом технологических ограничений и технологических особенностей формирования микрорельефа, осуществляется численное решение прямой задачи теории дифракции. На основе анализа, рассчитанного при этом светового поля, делается заключение о приемлемости полученного решения или (в противном случае) запускается процедура итерационной оптимизации первоначального приближения. Особенности и проблемы расчета дифракционных оптических элементов представлены на слайде 5. Учитывая перечисленные сложности, проектировщик обычно создает для каждого типа ДОЭ, его параметров и метода формирования дифракционного микрорельефа свое программное обеспечение. Тем не менее, ряд наиболее интересных и часто встречающихся решений нами был доработан до законченных программных продуктов, нашедших своих пользователей в Италии, Германии и США (слайд 6). Для обучения студентов и использования широких возможностей, заложенных в создаваемом большой специализированной фирмой программном обеспечении (обмен данными с разнообразными CAD-системами, наличие программно реализованных описаний работы различных выпускаемых по всему миру оптических элементов и источников света и т.п.), нами была приобретена сетевая версия (10 компьютеров) программного обеспечения "TracePro Expert" фирмы "Lambda Research Corporation" (США). Возможно, более эффективным для выполнения заказов на расчет светотехнических устройств является программное обеспечение "ASAP" фирмы "BRO" (США), но фирма отказалась продавать нам свое
программное обеспечение. Если же вести речь о рынке программных продуктов для расчета ДОЭ, то он достаточно узок, и относительный успех возможен в случае «заточки» такого продукта под решение лабораторных задач вузовского обучения. Положительный пример такого успеха - созданное под руководством Франка Вировского фирмой "LightTrans GmbH" (Германия) программное обеспечение "VirtualLab".
Результатом работы нашего программного обеспечения обычно является файл в формате, предназначенном для вывода на электронном литографе, лазерном построителе или ионной пушке. Данный формат определяется тем методом формирования дифракционного микрорельефа, который мы собираемся применить. На слайде 7 приведен список таких методов. Например, есть в Государственном оптическом институте прецизионные станки с алмазным резцом, и они на них режут ДОЭ с вращательной симметрией. Более могучие фирмы могут формировать на дорогих станках с ЧПУ и неосесимметричный микрорельеф. Однако на микрорельефе имеются узкие места (там, где фаза делает скачок на 2п), куда резец проникает с большим трудом и не может сформировать эти участки без погрешностей. Поэтому в мире развивается целый комплекс технологий, основанных на лазерном, электронном или ионном микроструктурировании (абляции) материала подложки или резиста. Наиболее эффективным средством является электронная литография, однако стоимость современного электронного литографа составляет сотни миллионов долларов, к тому же ряд фирм (например, IBM) создают их только для себя, а не на продажу. Устройства, позволяющие осуществлять микроструктурирование с помощью ионного пучка, имеются в некоторых вузах Москвы и Санкт-Петербурга, но реально с их помощью можно сформировать оптический элемент с размером рабочей области в несколько десятков микрон. Тем не менее, с их помощью было бы интересно экспериментально исследовать работу спектральных ДОЭ, микрорельеф которых в несколько раз выше обычного дифракционного рельефа ДОЭ, рассчитанного на работу на одной длине волны. Правда, на прошлой неделе профессор Яри Турунен (университет Йонсуу, Финляндии) сообщил, что они изготовили спектральный ДОЭ по расчетам доктора физ.-мат. наук Л. Л. Досколовича в рамках нашего совместного проекта ИНТАС.
На слайде представлена установка, предназначенная для выращивания непрерывного микрорельефа в слоях жидких фотополимеризующихся композиций. Данный метод, обладающий целым рядом достоинств (простота, оптическая гладкость получаемой поверхности, возможность формирования «высокого» рельефа, эквивалентного максимуму фазы в 10-100 раз по 2п), нуждается в увеличении пространственного разрешения. Над решением этой задачи один из авторов метода В. С. Соловьев сейчас работает в докторантуре химфака МГУ.
Формирование многоуровневого микрорельефа условно-схематично можно представить в виде следующих шагов (слайд 8): исходный контроль материалов и подложек, запись шаблонов, итеративное повторение фотолитографических операций (создание защитных покрытий, травление микрорельефа, совмещение) и контроль полученного микрорельефа.
Перечень приборов, используемых нами на этапе предварительного контроля, представлен на слайде 9. Установка экспресс-контроля степени чистоты поверхности подложек, разработанная в нашем институте, основана на анализе поведения упавшей на поверхность подложки капли жидкости. На первый вариант такого устройства получен патент на полезную модель, в настоящее время разработан новый вариант устройства, защита которого будет оформлена в виде патента на изобретение.
На следующем слайде 10 приведены параметры станции лазерной записи CLWS-200, спроектированной в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. Проведя в 2002 году анализ рынка, мы пришли к выводу, что данный вариант решения проблемы создания шаблонов ДОЭ единственный для нас приемлемый. Альтернативные варианты установок лазерной записи - "Riso National Laboratory" (Дания) стоимостью 1,4 миллиона долларов США и "Heptagon Oy" (Швейцария) стоимостью 525 тысяч евро (без монтажа оборудования в Самаре) - в несколько раз дороже новосибирской станции. К тому же из-за построчного сканирования швейцарская установка крайне медлительна - время записи шаблона размером 5х5 мм - 2,5 часа; 10х10 мм - 6,5 часов; 20х20 мм - 15,5 часов. Новосибирская станция основана на круговом сканировании (слайд 11), поэтому на порядок производительнее; она была запущена в январе этого года и в настоящий момент находится на стадии освоения. Образцы записанных на ней шаблонов были приведены на предыдущем слайде.
Важным этапом фотолитографии является создание защитных покрытий. Для этого мы используем установку магнетронного напыления «Отелло», параметры которой приведены на слайде 12. Для «сухого» травления рельефа нами используется установка плазмохимического травления «Оратория» (слайд 13), на которой были созданы рельефы на кремнии, стекле, кварце, сапфире, поликристаллических алмазных пленках с разрешением до 0,1 мкм.
Пример микрорельефа, созданного на поликристаллических алмазных пленках, и литографические этапы его получения показаны на слайде 14. Основная проблема заключается в особой прочности алмазной пленки, поэтому выбор режимов травления и защитного покрытия (в данном случае удалось подобрать эффективные защитные пленки на основе ниобия) играют решающую роль.
Для того чтобы получить многоуровневый рельеф, используется установка экспонирования и совмещения ЭМ 5006А (слайд 15). Все три вышепере-
численные установки специально доработаны нами для задач дифракционной оптики. Необходимость такой доработки обусловлена наличием разных размеров подложек и существенной (с точки зрения микроэлектроники, для решения задач которой создавались установки) высотой получаемого микрорельефа. Нами предложен и апробирован новый способ формирования микрорельефа на основе его послойного наращивания. При формировании микрорельефа этим простым, но достаточно трудоемким способом исключается этап травления и вносимые им погрешности, а используются центрифуга и установка экспонирования и совмещения. Например, этим запатентованным способом был изготовлен фокусатор в кольцо для СО2-лазера (10,6 мкм), на основе которого в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН создана установка выращивания волокон методом пьедестала.
На слайде 16 приведен перечень оборудования, используемого нами для контроля микрорельефа ДОЭ. Сканирующий зондовый микроскоп обеспечивает контроль с точностью 10 нм на микронных участках, а трехмерно-отображающий анализатор поверхности "NewView 5000" с микронной точностью на площадках размером 20х20 см.
На слайде 17 приведен перечень методов создания микрорельефа, используемых в нашем институте, для разных материалов и рабочих длин волн.
На слайде 18 приведен перечень оборудования, используемого для исследования характеристик ДОЭ. Динамический транспарант позволяет для ряда задач экспериментально проверить результаты расчета без изготовления ДОЭ. Наличие лазеров на средний ИК (10,6 мкм), ближний ИК (1,06 мкм) и видимый диапазон позволяет исследовать оптические элементы, работающие в данных диапазонах. В частности, на слайде 19 представлена фотография установки и приведены результаты эксперимента по оценке энергетической эффективности бинарного фокусатора, концентрирующего излучение ближнего ИК-диапазона в тонкий прямоугольник («штрих») размером 14x0,5 мм. Исследуемый двух-порядковый фокусатор рассчитан таким образом, что +1-ый и -1-ый порядки дифракции работают каждый на свою половину прямоугольника. В результате в фокальной плоскости (центральный график с надписью «0 мм») фокальное пятно выглядит как «уширенный» отрезок прямой требуемых размеров (около 14 мм длины). При удалении от фокальной области (см. результаты измерений в плоскостях, параллельных фокальной - ближе на 20 мм и дальше на 15 мм) фокальное изображение разбивается на две подобласти, каждая из которых имеет существенно большую (чем требуется) толщину.
Таким образом, были рассмотрены все этапы создания и исследования дифракционных оптических элементов, а также имеющийся в нашем распоряжении для реализации этих этапов исследовательский комплекс. Какие же классы дифракционных
оптических элементов мы умеем считать и, соответственно, можем синтезировать с помощью нашего оборудования? См. слайд 20. Во-первых, это обычные ДОЭ - линзы, призмы, решетки, корректоры аберраций. Во-вторых, это - всевозможные фокуса-торы лазерного излучения. Их достаточно много и к ним идеологически примыкают итерационно рассчитываемые ДОЭ, фокусирующие излучение в заданную область пространства с требуемым распределением интенсивности внутри нее, а также многопорядковые, спектральные и многофокусные ДОЭ. Далее - моданы, компенсаторы, пространственные фильтры, ДОЭ для формирования требуемых диаграмм направленности излучения и ДОЭ для формирования лазерных пучков с заданными свойствами (периодичности, вращения, повторяемости и т.п.), о которых речь шла в первом докладе.
В этом году исполняется 25 лет со дня выхода первой публикации о фокусаторах (слайд 21). За эти годы было множество публикаций у нас в стране и за границей, патенты Франции, Италии, Великобритании, Германии, Швейцарии и США, государственная премия России за достижения в области науки и техники. В последние годы новый импульс данные исследования получили в связи с появлением поликристаллических алмазных пленок, толщина которых не позволяет изготавливать из них обычные линзы, но на которых можно формировать дифракционный микрорельеф. Исследования в этом направлении отмечены государственной премией для молодых ученых.
В качестве иллюстраций приведу два слайда. На первом (номер 22) представлены результаты фокусировки излучения СО2-лазера в отрезок, кольцо и 4 точки при использовании «классического» металлического фокусатора, отражающего лазерный пучок под углом 450. На втором слайде (номер 23) представлены результаты моделирования и оптического эксперимента для фокусаторов на алмазных пленках, концентрирующих излучение СО2-лазера в прямоугольник и контур квадрата.
Результаты исследований по фокусаторам и ДОЭ, формирующим требуемую диаграмму направленности, последние годы усилиями Л.Л. Досколо-вича и Ко были распространены на расчет линз и зеркал, формирующих заданную диаграмму направленности для некогерентного компактного источника света. В качестве примера на слайде 24 показаны поверхности линз и результаты моделирования формирования диаграммы направленности в виде полуэллипса и равностороннего треугольника.
Другой важный класс оптических элементов, созданный школой В.А. Сойфера в сотрудничестве с Институтом общей физики РАН в лице академика А.М. Прохорова и профессора И.Н. Сисакяна, это моданы - ДОЭ для селекции мод лазерного излучения (слайд 25). Разложение белого света по длинам волн осуществляется с помощью дифракционной призмы, что подтверждает наличие в белом свете
всего спектра волн. Наличие в лазерном пучке мод Гаусса-Эрмита, Гаусса-Лагерра или Бесселя доказывается с помощью специальных ДОЭ, согласованных с интересующими нас модами. Разработанные нами методы расчета позволяют сформировать на одной подложке оптический элемент, предназначенный для формирования множества мод в различных дифракционных порядках (слайд 26). В частности, моей последней работой в качестве программиста был расчет и вывод на фотопостроитель Photomation P-1700 в Институте проблем передачи информации РАН шес-типучкого модана, маска которого представлена на слайде. Однако моданы имеют не только чисто научный интерес, но могут быть использованы при создании волоконно-оптических датчиков, для повышения пропускной способности и защиты информации в линиях связи. На слайде 27 представлен эксперимент по передаче данных по волоконно-оптической линии связи на основе модового уплотнения. На входе и на выходе линии связи ставятся согласованные моданы, которые обеспечивают уплотнение (т.е. кроме уплотнения по длинам волн становится возможным уплотнение по модам) и физическую защиту передаваемой информации - без такого элемента декодирование сигнала становится невозможным. Для практического использования моданов важно формирование микрорельефа на торце волокна. Пример реализации методом горячей штамповки дифракционной решетки на торце халькогенидного ИК-волокна представлен на слайде 28. Необходимо продолжить данные исследования в направлении формирования микрорельефа более сложной формы (моданов) и для меньшей длины волны (оптического волокна), так как волокно с микрорельефом на торце становится существенной (подчас ключевой) частью оптического прибора.
На слайде 29 представлены примеры использования ДОЭ, запатентованные за последние несколько лет, и фотография макета компланарного осветителя. Данный осветитель, выполняющий функции секции заднего фонаря автомобиля, реализует запатентованное устройство направленного излучения. Достоинствами такого устройства являются минимальная глубина и высокая надежность работы.
В заключение (слайд 30) хотелось бы отметить следующее. Во-первых, после переезда из 3-го корпуса, после получения и запуска ряда ключевых установок можно констатировать, что исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики функционирует и обеспечивает реализацию всех этапов создания и исследования ДОЭ. Во-вторых, конечно, основной наш научный задел заключается в создании новых классов оптических элементов и разработке новых методов расчета и моделирования ДОЭ. Тем не менее, этот задел успешно дополняется созданием оригинальных методов формирования дифракционного микрорельефа, что позволяет перейти к практическому использованию полученных результатов.
В-третьих, для инновационного применения полученных результатов желательно дополнение имеющейся автоматизированной линии средствами тиражирования ДОЭ, но делать это должны не ИСОИ РАН, не СГАУ, а создаваемые при ОКБ микротехнологии ИСОИ РАН и УНЦ микроэлектроники СГАУ малые предприятия.
И, наконец, в преддверии праздника весны и труда хотелось бы высказать некоторые пожелания (слайд 31). За тот период, когда электронный литограф у нас не работал, а лазерный фотопостроитель ЕЕЛв-300 не устраивал нас по своим параметрам, наши ученые и программисты привыкли выводить рассчитанные элементы в Финляндии, Германии, Новосибирске и Зеленограде или ограничиваться в своих исследованиях только расчетом и численным моделированием. Теперь, в связи с запуском станции лазерной записи, хотелось бы, чтобы наши ученые, особенно молодые, активнее ее использовали и создавали для нее разнообразные программные продукты.
Во-вторых, руководство отечественной наукой все больше внимания уделяет наличию у научных коллективов интеллектуальной собственности, показателем которой является количество патентов на изобретения и регистраций прав на разработанное программное обеспечение. Этот показатель становится крайне важным для победы в конкурсах, проводимых Федеральным агентством по науке и инновациям и Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Поэтому я прошу всех присутствующих прежде, чем публиковать полученный результат, посмотреть, не нужно ли сначала запатентовать Вашу идею, а, получив патент на изобретение (или хотя бы приоритетную справку), уже отсылать статью в журнал. Когда мы в прошлом году делали презентацию для Интел, нас с той стороны океана резонно спрашивали, а «что Вы нам предлагаете - то, о чем Вы говорите, Вами уже опубликовано, и мы это уже читали».
И, наконец, третье. Полученные нами результаты образуют достаточную критическую массу для решения комплексных проблем, например, таких как дефектоскопия в микроэлектронике. Там присутствует обратная задача теории дифракции, когда по отраженному от микроэлектронной структуры световому полю надо воссоздать исследуемую структуру. Далее на исследуемой структуре необходимо выявить дефекты, для чего нужно использовать методы распознавания образов. Таким образом, для эффективного решения данной проблемы должны объединиться специалисты по решению обратных задач теории дифракции, микротехнологи и специалисты в области обработки изображений. Такие комплексные проекты с большей вероятностью вызовут интерес заказчиков и будут поддержаны научным советом и экспертной комиссией Роснауки, в основном финансирующей проекты на сумму не менее чем 3 миллиона рублей.
Слайд 1
мсом^ран
ПЛАН СООБЩЕНИЯ
1. Этапы создания дифракционных оптических элементов (ДОЭ)
2. Программное обеспечение для расчета и исследования ДОЭ
3. Оборудование и методы формирования дифракционного микрорельефа
4. Приборы и методики контроля параметров при создании ДОЭ
5. Примеры создания дифракционных элементов и оптических устройств на их основе
6. Заключение
исом^ран
ДИФРАКЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ДОЭ)
Основные свойства:
использование явления дифракции;
приведение фазы к интервалу [0, 2л); квантование фазы.
Дифракционная решетка Фраунгофера
Амплитудная
маска
Фазовый микрорельеф
Линза
Френеля
\Щ
Зонная пластинка Релея-Сорэ
Базовые характеристики ДОЭ:
- длина волны А;
- границы зон;
- профиль зон.
Амплитудная маска
Фазовый микрорельеф
Слайд 3
ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
3
±
I К*1 ^Н
±
ж шя
*
8
Программное обеспечение, хранилище данных, вычислительный кластер.
Фотолитография, ЖФПК, средства записи и контроля.
Средства регистрации для ИК и видимого диапазонов, лазеры, оптическое оборудование.
Макетные образцы оптических устройств.
£ ИСОМ^РАН
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Решение обратной задачи теории дифракции относительно границ и профиля зон ДОЭ.
и и I Фазовый 7 ¡-д макрорельеф
Ш Ш
Щ»)
Входное поле
Выходное поле Wfch)
Типы условий: Заданная интенсивность
Заданная фаза
Заданные амплитуда и фаза
Расчет рельефа h(u) состоит в минимизации невязки, например
min z(h)= min IW(\-,Н)\" - I(x)
4 ' h(u)sN 1 1 Ixe D
в классе дискретных функций # = { ^ =i-Ä/(n-\)/M,i = l,2,...,M} методами математического программирования. Основные проблемы - некорректность обратной задачи синтеза, высокая размерность массивов данных, необходимость применения микро- и нанотехнологий.
2 ОС
06
исследовательский комплекс для реш
я задач компькл
слайд)
Слайд 5
WCOW^PAH
СОСТАВ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Наши разработки: "Quick-DOE", "RadialDOE", "Iter-DOE", "Iter-MODE", "Grating Solver", "FanOut", "SimuLight" Имеющиеся:
"TracePro Expert" фирмы "Lambda Research Corporation" (США) Альтернативы: "VirtualLab" фирмы "LightTrans GmbH" (Германия); "ASAP" ("BRO", США)
Визуализация GDS-файла с рассчитанным микрорельефом массива дифракционных линз
UCOL<l£|PAH
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИФРАКЦИОННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
На станках с ЧПУ (ВНЦ «ГОИ»; "ЗМ Optics Technology Center", USA; "Lawrence Livermore Laboratory", USA) Лазерное микроструктурирование ("Potomac Photonics, Inc.", USA; ЦЕНИ ИОФАН, "LCH", Germany; ИАиЭ CO PAH) Полимерные и другие технологии, использующие полутоновые маски (ИСОИ РАН; ЦКБ УП РАН; ИАиЭ СО РАН; "CSEM", Switzerland; "Lockheed Company", USA)
Литографические технологии (ИСОИ РАН; ИОНТ; ИАиЭ СО РАН; "MIT Lincoln Laboratory"; USA; Fridrich Schiller University, Germany; Jonsuu University, Finland; "Micro Mask, Inc.", USA; и др.)
Установка «Микрорельеф» для выращивания микрорельефа в слоях ЖФПК и изготовления фотошаблонов с высоким разрешением
Слайд 7
МСОМ@РАН
ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОУРОВНЕВОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
ucol<i£|pah
КОНТРОЛЬ ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОДЛОЖЕК
Высокопроизводительная система анализа спектров оптического излучения "SR303r riOT-Orie! GmbH & Со", Германия)
Сканирующий зондовый микроскоп «SOLVER-Pro» («НТ-МДТ», Зеленоград) Микроскоп контроля микродефектов МКД-Р («ЛОМО»)
Установка «ИЧ-2» для экспресс-контроля степени чистоты поверхности подложек на базе высокоскоростной камеры VS-FAST/C/G6
Растровый электронный микроскоп "JEOL JSM-6380LA" ("Tokyo boeki ltd ", Япония)
Установка «ИЧ-2»
Патент на полезную модель от 10.01,2006г. «Устройство контроля чистоты поверхности»
Слайд 9
ИСОМ^РАН СТАНЦИЯ ЛАЗЕРНОЙ ЗАПИСИ СЬИЭ-200
НАЗНАЧЕНИЕ
Станция прямой записи микроструктур - управляемая от ЭВМ прецизионная лазерная записывающая система, работающая с субмикронным разрешением в полярной системе координат. Записывает элементы дифракционной оптики с произвольно заданной топологией, изделия микромеханики, фотошаблоны интегральных схем и оригиналы мастер дисков для оптической памяти.
ОСНОВНЫЕ ОБРАЗЦЫ ПОЛУЧЕННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИФРАКЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Минимальный размер
элемента записи - 0,6 мкм
Максимальный
диаметр подложки - 200 мм
Точность
позиционирования - 50 нм
исои£|рлн
СХЕМА РАБОТЫ С1_1Л/8-200
Слайд 11
ИСОИ@РАН
СОЗДАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ (МАСОК)
Установка магнетронного напыления «Отелло» предназначена для магнетронного напыления на керамические и кремниевые подложки диаметром 60 мм металлических плёнок из материалов типа медь, никель, хром.
Размеры подложек, мм (Яат. 60 или 60x48x0,5-2.
Количество подложек в кассете, шт.-8.
Исходное давление в рабочей камере, Па - 1*10-2.
Рабочее давление в
камере, Па - 1*10-2 - 4*10-1.
Количество магнетронов с резист, мишенью, шт. 1.
Ток ионного источника, А - 0,20,5.
Напряжение ионного
источника), В 2000-3000.
Время очистки изделий, мин-3-5.
ИСОМ^РАН
ТРАВЛЕНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА
Установка плазмохимического травления «Оратория» предназначена для травления плёнок алюминия и его сплавов, поликремния и нитрида кремния в условиях промышленного производства, а также двуокиси кремния в лабораторных условиях.
Диаметр обрабатываемых пластин - 76, 100 мм.
Количество одновременно обрабатываемых пластин - 10.
Производительность в автоматическом режиме работы - не менее 20шт/ч.
Неравномерность травления по пластине ±(5/10)%.
Поддержание отношений падающей мощности к отражённой - не менее чем 1:1
* исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики • слайд 13
Слайд 13
ИСОИ^РАН
ПРИМЕР ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОКУСАТОРОВ НА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ
Схема плазмохимического формирования микрорельефа на алмазной пленке
Способ изготовления дифракционных оптических элементов на алмазных и алмазоподобных пленках// Патент на изобретение № 2197006 от 20.01.2003. Бюл. № 2,
шедви • исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики • слайд ■
ucou£|pah
СОВМЕЩЕНИЕ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МНОГОУРОВНЕВОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
Установка экспонирования и совмещения ЭМ 5006А предназначена для совмещения изображений на фотошаблоне и полупроводниковой пластине и переноса изображений
Размеры обрабатываемых пластин-76x76 и 2x102 мм.
Толщина -1.6...3 мм.
Допуск плоскостности рабочей поверхности -омкм.
Спектральный диапазон -225-260 нм и 436 нм.
Погрешность совмещения элементов шаблона и подложки - не более 0,25 мкм.
Способ изготовления дифракционных оптических элементов И Патент на изобретение № 2231812 от 27 июня 2004 года. Бюл. № 18.
[^7.2006 • исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики ■
Слайд 15
КОНТРОЛЬ СФОРМИРОВАННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
Трехмерно-отображающий анализатор структуры поверхности "NewView 5000" ("Zygo Corporation ", США) Сканирующий зондовый микроскоп "SOLVER-Рго" («НТ-МДТ», Зеленоград) Микроскоп контроля микродефектов МКД-Р («ЛОМО») Автоматизированный интерферометр белого света "WLI-DMR" (Институт Фраунгофера, Германия) Растровый электронный микроскоп "JEOL JSM-6380LA" ("Tokyo boeki Itd ", Япония) Комплекс исследования структуры поверхности "NANOPICS" ("Теп со г", США) Профилометр-профилограф 170311 («СКТ»)
ЁйЙГ
К
и®.
I
NEWVIEW 5000 обеспечивает контроль микрорельефа на участках размером до 20x20см.
UCOU@PAH
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА
Способ Оборудование Материалы Выс отз ступеньки
Жидкостное травление МИИА МКД, лрофилометр-профилограф Стекло 0,1 -5мхм
Плазмохимическое травление УТП-ПДЭ 012 5-OOS, NewView-SOO Стекло, кварц, Si, сапфир, алмазопо-добные подложки 0,1-бмкм
Послойное наращивание фоторезиста Центрифуга, МИИ-4, МКД ФП051, ФПЭ51 0,2-1,5м км
Окисление тонких металлических пленок •Оратория», МИИ-4, СЗМ, МКД Nb, Ti, AI 0,06-1,0мкм
Физическая запись Топографическая установка УИГ-22 голографические пластины 0,1-10мкм
Жидкие фотополимеризующиеся комрозиции Установка «Микро рельеф» 1-100 мкм
Приоритеты (способы, методы, устройства)
A.c.: №1316297 от 08.02.1987г.; №1491029 от 01.08.1989г.; №1493084 dt 08 08 1989г ; №1741032 от 15.02.19Э2г.;
N01784868 от 01 09 1992г. №1821688 от 12.10 1992г; №1824457 от 12 10 1992г Патенты: №2094256 ОТ 27.10.97r . №2148849 от 10 05.2000Г ; №2197006 ОТ 27.03.2001Г . №2210625 от 20 08.2003г. №2213985 ОТ 10.10.2003г. №2094256 от 27.10.97г.; №2123660 ОТ 20.12.98г.; №2125227 ОТ 20.01 99г . №2148849 от 10.05.2000г.; №2197006 от 27.03.2001г .; №2210625 от 20.08.2003г.; №2213985 от 10.10.2003г.; №2231812 от 27 06 2004г. № 2259577 от 27 08 2005г
rv«.2006 • исследовательский комплекс для решения задач компьютерной оптики • слайд
Слайд 17
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДОЭ
1. Динамический транспарант (микродисплей) SXGA-R2-H1 ("CRL Opto Ltd.", Великобритания)
2. Приставка для анализа параметров пучка лазерного излучения "BeamProfiler" (ООО
«Техносфера») *
3. СОглазер, Nd-Уад-лазер, , | -аргоновый лазер Д-20, гелий-
неоновые лазеры. 4 Система для регистрации и
анализа инфракрасного излучени; "XPORT" ("L O T - Oriel GmbH & Со", Германия) 5. Оптические и голографические столы, столик для прецизионных микроперемещений, оптические элементы и крепеж.
иСОи@РАН
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОЭ
Базовый оптический стол -УГМ-1.
Фотоприемник -телекамера КТП-67-1.
Источник излучения - ЛГН-303 (1,064мкм).
Комбинированный
измеритель мощности - ПВЦ-2.
Измеренное распределение интенсивности в сечениях фокальной области для двухпорядкового бинарного фокусатора в прямоугольник размером 14 мм на 0,5 мм
Слайд 19
иСОЫ^РАН
КЛАССЫ СИНТЕЗИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
• Дифракционные линзы, призмы, решетки, корректоры аберраций, линзовые растры,
• Фокусаторы лазерного излучения:
-аналитически рассчитанные ДОЭ для фокусировки излучения в продольный отрезок, в поперечный отрезок, в тонкое кольцо, кольцо заданной ширины, в полукольцо, прямоугольник, дугу и пр. для плоского и Гауссова освещающих пучков круглой и прямоугольной формы;
- итерационно рассчитываемые ДОЭ;
- высокоэффективные бинарные и малоуровневые ДОЭ;
- высокоэффективные спектральные и многофокусные ДОЭ.
• Моданы - ДОЭ для анализа и формирования модового состава лазерного излучения (в том числе для мод Гаусса-Эрмита, Гаусса-Лагерра, мод Бесселя).
• Компенсаторы - ДОЭ для формирования волновых фронтов требуемой формы, в том числе неосесимметричных.
• ДОЭ для формирования лазерных пучков требуемой формы.
• ДОЭ для формирования требуемой диаграммы направленности.
• Пространственные фильтры
[^^.2006 • ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ • СЛАЙД
иСОЫ^РАН
ФОКУСИРОВКА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Фокусаторы - оптические элементы, фокусирующие лазерное излучение в фокальную область заданной формы с заданным распределением интенсивности.
Первый фокусатор [Письма в ЖТФ, т. 7, аып. 10, 1981]
ШиттаЬпд Ьеат
Фаза фокусатора
Длина волны: Ая0,63мкм Фокальная область:
продольный отрезок Материал: стекло
[Государственная премия России, 1992]
Фокусаторы на алмазных пленках [Государственная премия России, 2003]
Длина волны: Д.=10,6мкм Мощность лазера: до 20 кВт Материал: алмазные пленки Фокальная область:
поперечный отрезок Энергетическая эффективность: 90%
Фрагмент фазового рельефа фокусатора
Области применения: лазерная обработка материалов, оптическое приборостроение
Щ*Я.2006 - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ • СЛАЙД 21
Слайд 21
и СОБРАН
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОКУСАТОРОВ ИК-ДИАПАЗОНА
11 Ж 1
Распределение интенсивности излучения СОг- лазера, сформированные фокусаторами: в поперечный отрезок (а), в кольцо (б) и четыре точки (в)
Фокусаторы нашли применение в лазерных технологических установках мощностью до 100 кВт, в устройствах считывания информации из оптической памяти, матричных устройствах ввода излучения в волокно, научных приборах и медицинских установках
исои@рлн
фокусаторы на алмазных пленках для с02-лазера Фокусатор Гауссова пучка в прямоугольник
Рассчитанная Результат
фазовая функция ЭЕМ-микроскопии
рел ьефа
Результат численного моделирования
Распределение интенсивности (эксперимент)
Фокусатор Гауссова пучка в контур прямоугольника
Слайд 23
иСОЫ^РАН
ПЛОСКО-ВЫПУКЛЫЕ ЛИНЗЫ ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ В ПОЛОВИНКУ ЭЛЛИПСА И ПРЯМОУГОЛЬНИК
Внутренние поверхности плоско-выпуклых линз (радиус Ч=15мм, показатель преломления п= 1.5) для фокусировки излучения от компактного источника света (г=-30мм) а полу-эллипс 50x1 Омм и в равносторонний треугольник с размером стороны 40 мм в плоскости г=100мм
Рассчитанные освещенности, создаваемые линзами для ламбертовского источника света (диск радиусом 0.25мм)
ФОРМИРОВАНИЕ И СЕЛЕКЦИЯ МОД ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
исои£|рлн
Моды - собственные функции оператора распространения светового излучения _(базисы Гаусса-Эрмита, Гаусса-Лагерра, Бесселя и др.)
• •
(Р.е)сС
многомодовыи
пучок
Дифракционная призма
Белый сеет
мода Гаусса- мода Гаусса-Лагерра (2,0) Эрмита (1,0)
Селекция мод с помощью ДОЭ
Исследуемый ДОЭ пучок
Спектр продольных мод
Плоскость наблюдения
Спектр поперечных мод
Слайд 25
ИСОИ^РАН
МОДАНЫ - НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, СОГЛАСОВАННЫЕ С МОДАМИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Разработаны методы синтеза одноканальных и многоканальных моданов, предназначенных для формирования лазерных модовых пучков и для ступенчатых волноводах
Фазовая функция многоканального модана (а). Моды Гаусса-Лагерра, сформированные многоканальным фазовым моданом (б). Интенсивность моды, сформированной моданом на выходе ступенчатого волновода (в)
ггж:
ИСОЫ^РАН
уплотнение и обеспечение безопасности передачи данных в волоконно-оптических линиях связи
Повышение пропускной способности систем волоконно-оптической связи на основе модового уплотнения
оптические элементы
- лазер 1
первая \иодв
2 качал
пазер 2
I 1 1
1 £ вторая мультиплексор
мода
N канал
N-33 IVом
Организация передачи данных в ступенчатом волокне
Наличие сигнала в 1 канале во 2 канале
2 ос
06 • ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОМПЬК
слайд 27
Слайд 27
КСОи^РАН
ФОРМИРОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ТОРЦЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА
Дифракционная решетка с периодом 30 мкм, сформированная на торце ИК-волновода с диаметром 800 мкм. Использовалась технология горячей штамповки. Стеклянная матрица была изготовлена в ИСОИ РАН по технологи микролитографии с использованием станции лазерной записи С1_\Л/3-200.
Микрорельеф дифракционной решетки на торце оптического волокна (а) и его увеличенный фрагмент (б), снятый в ИСОИ РАН на интерферометре У\/и-ОМК
IП= .2006 • ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ •
ИСОИ@РАН
ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОЭ
• Устройство для наблюдения в видимой и инфракрасной областях спектра I! Патентна изобретение № 2148849 от 10.05.2000, бюл № 13.
• Оптический мультиплексор-демультиплексор // Патент на изобретение № 2199823 от 27,02.2003. Бюл. №6.
■ Устройство направленного излучения // Патент на изобретение № 2213985 от 10.10.2003. Бюл. № 28.
• Многоканальная система безопасной передачи информации по многомодовому волоконному световоду // Патент на полезную модель № 39242 от 20.06.2004.
• Способ создания поляризующей ячейки Н Патент РФ на изобретение № 225977 от 27.08.2005.
Слайд 29
ЫСОЫ^РАН
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В научно-образовательном центре СГАУ и ИСОИ РАН (НОЦ) сформирован исследовательский комплекс, обеспечивающий реализацию на современном уровне всех этапов создания и исследования дифракционных оптических элементов.
Научный задел в области создания новых классов ДОЭ, воплощенный в форме программных продуктов АЛКО и дополненный оригинальными методами формирования дифракционного микрорельефа и методиками контроля, позволил перейти к практическому использованию полученных результатов и проектированию оптических устройств на основе ДОЭ.
Для инновационного использования полученных результатов представляется перспективным дополнение имеющегося исследовательского комплекса средствами тиражирования ДОЭ.
мсои@ран
ПЕРВОМАЙСКИЕ ЛОЗУНГИ
■ Необходимо активнее использовать возможности созданного комплекса, развивать программное обеспечение для эффективного использования станции лазерной записи С1_\Л/3-200.
■ Шире патентовать результаты научных исследований, в том числе, официально регистрировать создаваемые программные продукты.
* Плотнее взаимодействовать друг с другом и предлагать комплексные проекты; в частности, ученым НОЦ, ведущим исследования в разных научных направлениях, продумать возможности использования синергетического эффекта объединения результатов в распознавании, обработке изображений, компьютерной оптике с целью получения прорывных и коммерчески выгодных результатов в микро- и нанотехнологиях.
Слайд 31
