Контроль параметров микрорельефа синтезированных голограмм методом анализа дифракционной картины Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.421

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ МИКРОРЕЛЬЕФА СИНТЕЗИРОВАННЫХ ГОЛОГРАММ МЕТОДОМ АНАЛИЗА ДИФРАКЦИОННОЙ КАРТИНЫ

Дмитрий Александрович Белоусов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-программист, тел. (961)228-82-68, e-mail: [email protected]

Александр Григорьевич Полещук

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией дифракционной оптики, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Владимир Николаевич Хомутов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,

пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Представлены результаты исследования оптоволоконного экрана для оперативного контроля параметров лазерного излучения рассеянного на микрорельефе синтезированных голограмм, в диапазоне углов до +/- 80°. Показана возможность определения периодов и ориентации структур синтезированных голограмм, по анализу дифракционной картины.

Ключевые слова: дифракционная оптика, синтезированные голограммы, компьютерная оптика, обработка изображения.

THE PARAMETERS CONTROL OF THE MICRORELIEF SYNTHESIZED HOLOGRAMS BY DIFFRACTION PATTERN ANALYSIS METHOD

Dmitrij A. Belousov

Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, software engineer, tel. (961)228-82-68, e-mail: [email protected]

Alexander G. Poleshchuk

Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., head of laboratory of the diffraction optics, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

Vladimir N. Khomutov

Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-30-91, e-mail: [email protected]

The results of investigation of the fiber-optic screen for the operation control parameters of the laser radiation scattered on the synthesized holograms microrelief in the angle range up to +/-80 degrees are shown. The possibility of the periods and structure orientation determination of the synthesized holograms on the diffraction pattern analysis is presented.

Key words: diffraction optics, synthesized holograms, computer optics, image processing.

Синтезированные голограммы (СГ) широко применятся в различных отраслях науки и техники. СГ действуют как оптический преобразователь волнового фронта. Искажения преобразованного волнового фронта, которые вносят СГ, могут быть связаны с ошибками, при формирование квазипериодической структуры на оптической подложке. Многие методы контроля структуры СГ используемые в настоящее время, такие как методы атомно-силовой микроскопии, конфокальной и лазерной профилометрии, микроскопии электронным пучком, основываются на непосредственном сканировании микрорельефа и оценки его качественных параметров [1].

Альтернативным методом контроля параметров микрорельефа является метод, основанный на анализе дифракционной картины СГ. Световой поток, пройдя или отразившись от квазипериодической структуры СГ, раскладывается в угловой спектр на ряд дифракционных порядков. Нулевой порядок, имеющий интенсивность 10 распространяется вдоль оптической оси падающего излучения, а боковые дифракционные порядки с интенсивностью /„,; распространяются под углами ф„, к оптической оси:

т • Л

Ы<Фт) = —7" > (1)

а

где т - номер дифракционного порядка, й - период микрорельефа СГ, Я - длина волны лазерного излучения. Соответственно, измерив угловое распределение дифракционных порядков и зная длину волны падающего излучения Я можно по формуле (1) определить период микрорельефа СГ. Помимо этого измерив интенсивности всех дифракционных порядков 1т можно определить глубину и форму микрорельефа [2].

Ряд автоматизированных методов для оперативного контроля параметров дифрагированного излучения, рассеянного на микрорельефе СГ, описаны в работах [3], [4] и [5]. Сложность автоматизации данного метода связана с тем, что необходимо направить весь дифрагированный свет, расходящийся в широком телесном угле на светочувствительную матрицу регистрирующей видеокамеры. Для этого чаще всего применяется рассеивающий экран, расположенный между исследуемой СГ и объективом видеокамеры. В работе [5], было проведено исследование применения рассеивающих экранов различной формы и отмечены их недостатки, главными из которых является изменение формы дифрагированного пучка на рассеивающем экране в зависимости от угла дифракции, а так же ухудшение разрешения измерительной системы с увеличением угла дифракции.

В настоящей работе приводятся результаты исследования оптоволоконного экрана, который представляет собой систему спечённых между собой оптических волокон. Одна из поверхностей оптоволоконного экрана выполнена в виде полости полусферической формы. Такая конфигурация позволяет направлять в сторону светочувствительной матрицы видеокамеры излучения, дифрагированное в диапазоне углов до +/- 80°.

Также представлены результаты разработки экспериментального стенда для контроля параметров дифрагированного излучения, в котором источником излучения служит гелий-неоновый лазер с длиной волны 632,8 нм. Схема экспериментального стенда указана на рис. 1. Оптическое излучение лазера падает на исследуемую СГ, которая устанавливается на Х-У координатной системе. Излучение, дифрагированное на микрорельефе исследуемой СГ, попадая на внутреннюю поверхность оптоволоконного экрана, которая выполнена в виде полости полусферической формы, проецируется на его внешней поверхности и затем фиксируется видеокамерой. Полученные данные обрабатываются управляющим компьютером.

Рис. 1. Схема контроляпараметров дифрагированного излучения:

1 - источник излучения; 2 -фокусирующая линза; 3 - исследуемая СГ; 4 - Х-У координатная система; 5 - оптоволоконный экран; 6 - объектив; 7 - видеокамера, 8 - управляющий компьютер, 9 - коллективная линза

Оптоволоконный экран устанавливается таким образом, чтобы сфокусированное излучение на поверхности СГ находилось в центре кривизны полости выполненной в нижней его части. Это позволяет избежать искажения формы дифракционных порядков в зависимости от угла дифракции. Внешняя сторона оптоволоконного экрана, на которую проецируется изображение со внутренней его части, может иметь как плоскую, так и выпуклую форму (штриховая линия на рис. 1), формируя таким образом на поверхности оптоволоконного экрана коллективную линзу, что увеличит светопередачу дифрагированного излучения на светочувствительную матрицу видеокамеры.

На описанном стенде был проведён эксперимент по контролю параметров дифракционного излучения, рассеянного на структуре эталонной СГ, период которой составляет 6 мкм. Далее, по полученным данным углового распределения дифракционных порядков, определялся период исследуемого элемента.

Для калибровки системы использовалась эталонная СГ, период которой составляет 8 мкм. Угловое распределение дифракционных порядков калибровочного элемента лежит в диапазоне +/- 71,7°. На рис. 2, а представлена зафик-

сированная видеокамерой с помощью оптоволоконного экрана дифракционная картина от калибровочной СГ с периодом 8 мкм. На рис. 2, б показана дифракционная картина, зафиксированная при исследовании СГ с периодом 6 мкм.

а) б)

Рис. 2. Зафиксированные видеокамерой дифракционные картины:

а) калибровочная СГ с периодом 8 мкм; б) исследуемая СГ с периодом 6 мкм

Угловое распределение дифракционных порядков, полученное в результате анализа дифракционной картины, и определённый по нему период исследуемой СГ представлены в таблице.

Таблица

Полученное угловое распределение дифракционных порядков и рассчитанный

по нему период исследуемой СГ

м Измеренный угол дифракции Рассчитанный период СГ

-9 -72,75° 5,97 мкм

-8 -58,57° 5,94 мкм

-7 -47,83° 5,98 мкм

-6 -38,74° 6,07 мкм

-5 -31,26° 6,1 мкм

-4 -24,62 6,08 мкм

-3 -18,25° 6,07 мкм

-2 -12,05° 6,06 мкм

-1 -6,13° 5,93 мкм

+1 6,13° 5,93 мкм

+2 12,13 6,03 мкм

+3 18,04 6,13 мкм

+4 24,62° 6,08 мкм

+5 31,37° 6,08 мкм

+6 38,51° 6,1 мкм

+7 46,79° 6,08 мкм

+8 56,86° 6,05 мкм

Полученный период СГ 6,04 мкм

Преимуществом использования оптоволоконного экрана над обычными рассеивающими экранами является то, что при контроле параметров дифрагированного излучения в широком диапазоне углов, форма дифракционных порядков не зависит от угла дифракции, а также то, что использование оптоволоконного экрана позволяет выполнить практически любое линейное или нелинейное преобразование угловой координаты дифрагированного излучения на матрицу регистрирующей видеокамеры.

Показано, что предложенный метод позволяет проводить оперативное измерение параметров лазерного излучения дифрагированного на микрорельефе СГ в диапазоне углов до +/- 80°. Экспериментально продемонстрирована возможность измерения периодов и ориентации квазипериодических структур СГ, по анализу дифракционной картины.

Данная работа поддержана частично грантом РФФИ ОФИ-М № 4-2907227, междисциплинарным интеграционным проектом № 112 Сибирского отделения РАН и проектом Комплексной программы фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН на 2016 год № П.2П/ПЛ0-6.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Gale M. T., Rossi M., Schütz H., Ehberts P., Herzig H. P., Pronque D. Continuous-reliefdiffractiveopticalelementsfortwo-dimensional array generation // Appl. Opt. - 1993. -№ 32. -P. 2526-2533.

2. Ekberg M., Nikolajeff F. Proximity-compensated blazed transmission grating manufacture with direct-writing, electron-beam lithography // Appl. Opt. - 1994. - № 33. - P. 103-107.

3. Хомутов В. Н., Полещук А. Г., Черкашин В. В. Измерение дифракционной эффективности ДОЭ по многим порядкам дифракции // «Компьютернаяоптика». - 2011. - Т. 35. -С.196-201.

4. WenruiCai, Ping Zhou, Chunyu Zhao, James H. Burge. Diffractive optics calibrator: measurement of etching variations for binary computer-generated holograms // Appl. Opt. - 2014. - № 53. - P. 2477-2486.

5. Белоусов Д.А., Полещук А. Г., Хомутов В. Н. Контроль пространственного распределения оптического излучения, рассеянного дифракционной структурой // «Компьютерная оптика». - 2015. - Т.39, №5. - С.678-687.

© Д. А. Белоусов, А. Г. Полещук, В. Н. Хомутов, 2016