Способ изготовления микролинзового оптического растра

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 511503 С 23/О ием расплава до со скоростью не оправадности закатаром рарклованля эагатав ки,рапроводн злу- толлазерног е эагатов Изготав ского растра ТЕЛЬНОГО НЗГ заГотавки да воздействие времени, оп Град/мин из того, что при исходит образаъеме материала,ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) НИЕ ЙЗОБ ВТОРСКОМУ СВИ,ЦЕТЕЛЬСТВУ(71) Могилевское отделение Институтзики АН БССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1108382, кл. О 03 В 21/06, 1982,(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИК"ОЛИНЗОВОГО ОПТИЧЕСКОГО РАСТРА (57) Изобретение относится к технологии изготовления микролинзовых оптических растворов, которое может быть использовано в растровой Оптике, в устройс, вах интегральной оптики и лазерной технике. Цель изобретения - сакрацение времени Изобретение относится к технологии изготовления микролинзовых оптических элементов и может быть использовано в растровой оптике, в устройствах интегральной оптики и лазерной технике.Целью изобретения являеся сокаащение изготовления и улучшение аберрационных сволств за счет формирования двояковыпуклых микролинз,На фиг,1 - схема устролства для осуществления способа; на фиг,2- рафик зависимости Т(Р) примера 5; на фиг.3 - график зависимости Т(у ) примера 6,ение микролинзавога оптичеосуществля ют путем предвариревания стеклокристаллическай 2/3 темпеаатуры стеклования, лучам лазера ведут в течение еделяемаго па формуле изготовления и улучшение аберрационных свойств эа счет формирования двояковыпуклых микралинз, Применяется стеклокристаллический материал, заготовку из которого подогревают до 2/3 температуры ее стеклования, локально проплавляют лазерным лучом, а образующийся расплав охлаждаат да температуры стеклования со скоростью не менее 10 град/мин. В результате в зоне воздействия луча получают вещество в амоафнай фазе, Благодаря тому, чта вешество в таком фазовом состоянии занимает бОльший Объем, чем в стеклакристаллическам, а также благодаря силам поверхностнога натяжения зона расп ава Формирется при затвеодевании в видедвал;(Овьгпуклай ПОлах(итсльнай микралинэы, 3 ил 2 табл. ФКП с2 я сс последующим охлаждетемг ера 1 уры стеклованияменее 10 Град/мин,где К - коэффициент теплготовки;Ь - толщина слоя загатовмируется микралинза, м;То - температура сте а - коэффициент темпести заготав(и;ц платность моьцнОстчения, поглощаемого в слаЩинай и, Вг/м.2Скорость Охлаждениярасплава выбрана, исходяменьшем ее значении прование каи, галликов в обРазмеры их сравнимы с длиной волны видимого диапазона, что в конечном итоге ухудшает качество микролинз. Максимальная скорость охлаждения расплава до Тс в экспериментах ограничивалась скоростью при естественном охлаждении (при заданных условиях эксперимента) для случая мгновенного прекращения облучений образца, При этом величина ее зависит от размеров облучаемой зоны и резко возрастает с ее уменьшением.Однако при всех возможных значениях размеров микролинз (диаметром до 5 мм) максимальные скорости охлаждения расплава до Т, = Тс. при мгновенном прекращении облучения образца не оказывали существенного влияния на качество микро- линз. Управление скоростью охлаждения вещества в зоне расплава достаточно осуществлять в интервале температур: температура расплава - температура стеклования, так как при Т 4 Тс изменения скорости охлаждения существенно не влияют на параметры микролинз.После охлаждения расплава до Т = Тс (когда, возможно, осуществлялось управление скоростью охлаждения), температура вещества в зоне, подвергнутой воздействию лазерного излучения, быстро (от долей до нескольких с) выравнивается с температурой подложки (Т = 2/3 Тс), Дальнейшее охлаждение заготовки производят вместе с подогревателем до температуры 300 - 350 К. Для случая1 аг, где- толщина заготовки, происходит ее проплавление на всю толщину, и микролинза формируется с сферическими выпуклостями (радиусов кривизны В 4 и В 2), расположенными вблизи поверхностей заготовки.Микролинзы различной формы (сферические, кольцевые цилиндрические и другие) формируют, воздействуя на заготовку лазерным лучом, сформированным на поверхности в виде круга, кольца, полоски и т.д., или сканируя лазерный луч по поверхности по заданной траектории.Управление параметрами микролинзц осуществляют путем изменения времени облучения заготовки, размером зоны воздействия, законом распределения плотности мощности излучения, скоростью охлаждения расплава (или, что то же самое, управляя скоростью перемещения границ затвердевания).П р и м е р 1. Использовалась заготовки в виде пластины толщиной 6.10 м из стеклокристаллического оптически непрозрачного материала ситалла СТ 50-1. Выбирали значение плотности мощности излучения СО 2-лазера Ц 1 9.10 Вт/м, Почернениеаморфизированной Области наблюдалосьчерез 4 с после начала Облучения, Расчетный верхний предел времени Обработки Вэтом случае составляет г.= (1,45 б 10 ),(1 800.- 515)/(9 8., 106 10-лП р и м е р 2. Выбирали значение плотности мощности с = 6,6 10 Бт.м, Материали условия эксперимента те же, что и В при 10 р, 1, Почернение наблюдалось черезспосле начала облучения. Расчетный верхний предел Времени обработки1,6 с.П р и м е р 3. ИзГотавливалась эаГОтовкав виде пластинки толщиной 6.10 м из стек 15 локристаллического оптически непрозрачного материала ситалла СТ 50Элементный состав, мас. Оь: БО 2 60,5; А 2 Оз13,5; СаО 8,5; МЯО 7,5; ТО 2 10. ПрименялсяСО 2-лазер(длина волны 10,6 мкм) ИЛ Гн 20 с плавно регулируемой мощностью излучения до 60 Вт. Диаметр лазернОГО луча 6.10,-зм. Коэффициент поглощения излучения ситаллом 5 х 10 см . Для ситалда СТ 50 К ==1,45 Вт/М,К, Тс = 1,03,10 К, а = 10 м /с,Выбирали значение плОтности мощностиизлучения с = 10 Вт/м-, Пусть необходимо6, 2изготовить линзудиаметром 5 мм, Тогда ГриР/2) 3 14 РР) 1 б 0-8 110 .19,6,"10 = 19,6 ВГ Г; К п Тс/2 ас =30 =1,45.6,10,1,03. Оз/-,; 10" = -образом при пдотносппо Ощенного излучения О = О Б-/м уя пр -н В-д:ниц О-дтреки Годщиной=- б;0 ьнеобход,;,моВоздействовать излучением на .,ОБярх;:Ос 1 ьв течение Времени;-: 4,5 с,Микролинза иБГОтавиьылас Л 8 дуюЩим Образом. заготовка 1 распсдаГалась ,-аподОГреват 8 ле-подлож .8, из ни:,;едеБсЙпластинки толщиной 2 м 11. Поверхн-.;сть зэ 40 О со стороны подложки подОГревателя располагалась на расстояни:. 5 мм спОмОщью кварцевых пластинок 3 толщинОЙ0,5 мм. Излучение лазера 4 направлялосьчерез эл 8 ктромагнитный затВОр 5 на пОВОротное зеркало б и далее через диафрагму 7- на поверхность заготовки, Подбор мощности излучения и ее контроль осуществлялсяс помощью плоскопаралледьной пластинки8 и измерителя мощности 9 ,ИМО = 2).Как пОказали эксперим 8 нтыля заготоВок при заданнОЙ толщине, плотности мощности излучения и емпераре подогреваобразца такие параметры линзы, как диаметр и радиусы кривизны Выпуклостей,практически не изменяются, если облучатьповерхность в течение Временибольшемили раВном некОторОЙ 8 ГО Всличин 8 (тс), КОГда устанавдивае;ся стационарное тепловоепОле, В данном примере зто Время состаВ1610791 5 10 15 20 25 40 45 50 ляло 8 с.С учетом потерь излучения приотражении. его от поверхности образца ипри диафрагмировании пучка мощность навыходе лазерного излучателя устанавливалась р = 22 Вт. Образец подогревался дотемпературы 690 К, Облучение заготовкипроизводилось в течение 8 с, после чегопрекращалось с помощью электромагнитного затвора, и заготовка естественным образом охлаждалась до температурыстеклования фт10 град/мин). Дальнейзшее охлаждение заготовки вместе с подогревателем до температуры 350 Кпроизводилось в течение 20 мин, Измеренное Фокусное расстояние полученной линзысоставляло Г = 25 мм,П р и м е р 4, Материалы, размеры иусловия эксперимента те же, что и в примере 3, После образования расплава производилась плавное уменьшение разрядноготока в излучателе да охлаждения расплавадо температуры Тс. Время охлаждения составляло 40 с, что соответствовало скоростиохлаждения6,10 град/мин. Измеренноефокусное расстояние равнялось 13 мм, чтов 1,9 раза меньше, чем в примере 3, когдаскорость охлаждения превышала 10град/мин,П р и и е р 5. Подогретая до 690 Кзаготовка (материал, размеры и условия эксперимента те же, чта и в примере 3) облучалась при ц = 10 Вт/м в течение 8 с, В9 2результате сформирована линза с фокусным расстоянием Г = 25 мм.Оценка аберрационных свойств ликэыпроизводилась с использованием ее оптической передаточной функции (ФПМ), которая я вляется мерой способностиоптической системы воспроизводить раэличк ые п растра нствен к ые частоты р )в данном случае использовалась функцияпередачи модуляций Ту ), являющаяся модулем Ф П М),Данные измерений и расчетов приведены в табл,1 и на графике фиг.2,Для оценки хроматических аберрацийлинзы производилось измерение Т(Р ) каразличных длинах волн (Я). Обнаружено, чтохроматические аберрации линзы наиболеехорошо исправлены в области А =591 нм,П р и м е р 6. Подогретая до 690 К заготовка (материал и условия эксперимента те же чта и в примере 5) облучалась при ц = 10 Вт/м в течение 10 с, Вгрезультате была сформирована линза с фокуснымм расстоянием Р = 27 мм. Значения Т(у ) для данной линзы представлены в табл,2 и на графике фиг.3. Хроматические аберрации линзы наиболее хорошо исправлены в области А- -505 нм. П р и м е р 7. Подогретая до 690 К заготовка(материал, размеры и условия эксперимента те же, что и в примере 3), после" довательно облучалась лазерным лучом, сформированным на поверхности в виде круга диаметром 3 мм. Каждое последующее облучения поверхности производилось в течение 10 с(при сс -7 с), Шаг перемещения образца составлял 5 мм. После каждого отдельного облучения производилось охлаждение линзы до температуры стекловакия естественным образам. После формирования 9 микролинэ заготовка охлаждалась до температуры стеклования да 350 К в течение 20 мин. В результате был получен растр из 9 микроликэ. Среднее фокусное расстояние микролинз составляло Рср = 27 мм, отклонение Р от Рср не превышало 3.П р и м е р 8. Подогретая до 690 К заготовка (материал и размеры те же, чта и в примере 3) последовательно облучалась при о = 10 Вт/м с шагом ее перемещения 3 мм, Каждое облучение производилось в течение 2 с, Условия охлаждения те же, что 30 и в примере 3, В результате был сформирован растр, содержащий 9 микралинз, каж дая из которых имела диаметр 1,5 мм прЕср = 17,6 мм, отклонения микролинз от Гсрне более чем на 1,5. Формула изобретения Способ изготовления микролинзавага оптического растра путем последовательного локального термического воздействия сформированным лучом лазера на поверх- кость заготовки из оптического материала, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью сокращения времени изготовления и улуч шения аберрационных свойств за счет формирования двояковыпуклых микралинз, заготовку иэ стеклокристаллическага мате. риала предварительно нагревают до 2/3 температуры стеклования, а воздействие лучом лазера ведут в течение времени, определяемом по формуле Кс2 ацгде К - коэффициент теплопроводнасти;и -толщина слоя, в котором формируется микролинза, и;Тс - температура стеклавания, К;а - коэффициенттемператураправаднасти;1610791 ц - плотность мощности лазерного излучения, Вт/м; Таблица 1 Ъ м 15 20 0,5 0,18 8 15 20 30 . Э 5 А 0 0,12 0,11 0,08 0 0,3 0,94 Т(Ч) 10 чин г д й 7 Фи Составитель Т.Парамоноваедактор Е,Зубиетова Техред М.Моргентал Корректор С.Шекмар Тираж Подписноеенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 13035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 аказ . 1964 ВНИИПИ Госу И: ЮдФй.8с последующим охлаждением расплава дотемпературы стеклования со скоростью неменее 10 град/мин,а 21