Сканер на основе плоской отражательной внеосевой параболы в халькогенидном слое Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

СКАНЕР НА ОСНОВЕ ПЛОСКОЙ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ВНЕОСЕВОЙ ПАРАБОЛЫ В ХАЛЬКОГЕНИДНОМ СЛОЕ

Валерий Игоревич Наливайко

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Коптюга, 1, старший научный сотрудник, тел. (383)333-302-92, e-mail: [email protected]

Олег Яковлевич Абель

БИО Технолоджи, 8070, г. Арад, Израиль, ул. Харув, 11/8, директор фирмы «БИО Технолод-жи», тел. 8-913-742-88-46, e-mail: [email protected]

Предложена оптическая схема сканера на основе плоской отражательной внеосевой параболы, микроперемещение которой по нормали к поверхности обеспечивает сканирование сфокусированного отраженного пучка. Представлены результаты компьютерного моделирования, голографической записи и экспериментального исследования полученных параметров сканера.

Ключевые слова: сканер, халькогенидные материалы, парабола.

SCANNER ON BASIS OF FLAT REFLECTIVE OFF-AXIS PARABOLA IN CHALCOGENIDE LAYER

Valery I. Nalivaiko

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1 Koptug str., Novosibirsk, 630090, senior researcher, laboratory of information technology, tel. (383)333-30-92, e-mail: [email protected]

Oleg Ya. Abel

B.I.O. Technology, 8070, Arad, Israel, st. Haruv, 11/8, director of B.I.O. Technology, tel. 8-913-742-88-46, e-mail: [email protected]

Optical scheme of scanner on basis of flat reflective off-axis parabola which micromovement on normal to surface provides scanning of the focused reflected beam is offered. Results of computer modeling, holographic recording and experimental study of received parameters of scanner are presented.

Key words: scanner, chalcogenide materials, parabola.

Схемы сканирования лазерным лучом, основанные на принципе отражения луча от нелинейной отражающей поверхности, сдвиг которой обеспечивается линейным актуатором, например, пьезоактуатором, могли бы обеспечить высокие скорости сканирования при относительно низких затратах на их изготовление. Их быстродействие может превосходить скорости сканирования существующих MEMS дефлекторов более чем на порядок, и достичь скоростей аку-стооптических систем, выигрывая у последних в стоимости, надежности, диапазоне углов отклонения и температурной стабильности. К недостаткам аку-стооптических методов сканирования следует отнести также ограничения по

мощности и ширине пропускаемых световых потоков, которые отсутствуют в отражательных сканерах

Принцип работы и изображение промышленно выпускаемого сканирующего вогнутого отражающего сферического зеркала представлен на рис. 1. Падающий на зеркало луч отражается от нелинейной поверхности при ее сдвиге под разными углами. Касательная в точке падения луча определяет угол сканирования [1].

Рис. 1. Принцип работы и изображение сканирующего вогнутого отражающего сферического зеркала с радиусом кривизны, равным 5 мм

Асферические элементы имеют потенциально широкое применение в оптических приборах, которое ограничивается не технологичностью их изготовления. Например, внеосевые параболические зеркала получают вытачиванием на станке с ЧПУ детали с параболическим законом изменения кривизны поверхности, а затем вырезая её внеосевую часть. Очевидно, что высокая себестоимость такого элемента во многих случаях делает более приемлемым применение сферических зеркал, при этом можно или мириться с вносимыми искажениями волнового фронта, либо применять дополнительные элементы для корректировки этих искажений.

Мы предлагаем эффективную альтернативу - изготовление внеосевых фокусирующих отражательных элементов методами голографической записи на халькогенидных плёнках.

Такие пленки получают методом вакуумного напыления стеклообразных халькогенидных материалов, типичными представителем которых является As2S3 и As2Sе3 . Халькогенидные материалы принято считать аморфными, хотя они состоят из кластеров величиной в несколько ангстрем [2]. Интересующие нас свойства этих материалов - это их способность изменять свою структуру и оптические свойства (коэффициент преломления) под воздействием светового потока мощностью в несколько десятков миливатт в течение нескольких минут. Полезное нам изменение структуры материала заключается в неодинаковом времени травления облученных и необлученных участков, то есть возможности использования такой халькогенидной тонкой плёнки в качестве неорганическо-

го фоторезиста, который обладает значительно более стабильными характеристиками по сравнению с органическими фоторезистами.

Оптическая схема записи и изображение полученного отражающего внеосевого голографического фокусирующего зеркала на халькогенидном слое показана на рис 2. Запись голограммы проводилась с помощью излучения лазера на X = 532 нм мощностью 100 мВт. Длина волны лазера выбрана исходя из того, что халькогениды обладают фоточувствительностью в этом диапазоне. Особенностью схемы записи является выбор корректированного микрообъектива, эмитирующего параболический волновой фронт. Для оптимального контраста интерферограммы делитель луча выбран 1:1 для зелёной длины волны. Зеркала сводят разделённые лучи, совмещая их на поверхности халькогенидной тонкой плёнки, при этом расширитель пучка правого плеча схемы расширяет плоский волновой фронт от лазера, а короткофокусный корректированный 40х объектив формирует параболический волновой фронт.

Эффективность голограммы во время записи контролировалась с помощью излучения лазера на X = 660 нм. Время записи составляло порядка 10 минут.

Рис. 2. Оптическая схема записи и изображение отражающего внеосевого голографического фокусирующего зеркала на халькогенидном слое

После процедуры облучения и последующего травления в щелочном растворе голограмма в тонкой халькогенидной пленке была покрыта отражающим слоем А1. Общий вид дифракционного элемента, полученного таким способом, освещенного белым светом, представлен на рис.2 с увеличением10х (справа).

На данном этапе работы нам было важно сравнить поведение сфокусированного пятна при перемещении по нормали к поверхности в центре голографического и вогнутого зеркала.

За смещением фокусного пятна наблюдали, осуществляя перемещение голографического отражателя и вогнутого зеркала с помощью микровинтовой подвижки. На рис. 3 (слева) представлены изображения фокусных пятен первого порядка дифракции от отражательного голографического элемента, которые являются восстановленными изображениями предметного луча с параболическим волновым фронтом. Изображения восстановлены опорным лучом той же длины волны (X = 532 нм) и спроецированы на матовое стекло, после этого голограмма подвергалась сдвигу. Видно, что искажения формы сфокусированного пятна отсутствуют для голографического зеркала.

Лазер (А,=660 нм)

Лазер (>„-532 нм)

пз

При сдвиге голографического отражательного элемента на расстояние до 2 мм не было замечено астигматических аберраций в изображении пятна, в отличие от промышленно выпускаемого позолоченного сферического зеркала с близкими параметрами, астигматизм которого представлен на рис.3 (справа).

Рис. 3. Изображения сфокусированных лучей, отраженных под углом 900 к падающему параллельному пучку, полученные с помощью внеосевого голографического (слева) и вогнутого (справа) зеркал

В дальнейшем работа будет направлена на усовершенствование схемы записи в части получения эталонных волновых фронтов и повышения оптического качества получаемых элементов.

Выводы

• Получено подтверждение изложенных принципов изготовления сканирующих элементов на халькогенидных пленках методами оптической голографии.

• Голографическим методом получены отражающие фокусирующие зеркала с параметрами: диаметр - 10 мм, фокусное расстояние - 40 мм, угол между падающим плоским и дифрагированным пучками - 900, дифракционная эффективность на X = 534 нм - 50%.

• При выборе оптимальных параметров записи и величины перемещения зеркала, как показывают расчеты, можно получить угол отклонения осевого пучка до 10 градусов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Наливайко В.И., Покровский А.Н., Пономарева М.А., Абель О.Я., Соснов А.Н. Использование халькогенидных материалов для решения задач современных оптических технологий. Сборник материалов VII Международного научного конгресса «Гео-Сибирь-2012». Том 5. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии. Часть 2. СГГА. Новосибирск. 2012. С. 83 - 91.

2. Nalivaiko V.I. Materials for Optical Information Recording on the Base of Subnanostructured Chalcogenide Films// Proc. of the XVI International Synchrotron Radiation Conference, Novosibirsk, July 10 - 14.- 2006.- p. 26.

© В.И. Наливайко, О.Я. Абель, 2013