Способ изготовления вогнутых дифракционных решеток со ступенчатым профилем штрихов

)Я)6 б АНИЕ ИЗОБРЕТЕН Российской Федерацииа) ОП пате митет Российской Федерации патентам и товарным знакам(71) Государственный институт прикладной оптики (72) Балясников НМ; Лукашевич Я.К; Варфоломеев АА; Стрельников Ю.П.(73) Научно-производственное объединение Тосударственный институт прикладной оптики"(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОГНУТЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК СО СТУПЕНЧАТЫМ ПРОФИЛЕМ ШТРИХОВ(57) Использование: изготовление вогнутых решеток Сущность изобретения: способ заключается в нанесении слоя пластичного материала испарением в вакууме на стеклянную подложку и нарезание на нем штрихов решетки алмазным резцом путем пластической деформации материала слоя. При этом на стеклянную подложку наносят подслой переменной толщины, твердость которого менее чем в пять раз больше твердости основного слоя, который наносят также переменной толщицны, причем слои ориентируют клином в противоположные стороны, толщина слоев определяется по формуле. 2Изобретение относится к технологииизготовления дифракционных решеток, вчастности вогнутых решеток.Известен способ изготовления заготовок для нарезания эшелеттов (см., например, а,с. В 736671, кл, С 23 С 13/02,23.02.78), заключающийся в том, что на поверхность стеклянной подложки с оптически точной поверхностью наноситсяразделительный подслой, после чего на него наносится слой алюминия толщиной 0,5от требуемой расчетной толщины слоя, затем наносят слой полиэфирной смолы, устанавливают на нее стеклянную подложку ипосле полимеризации смолы по разделительному подслою отделяют слой алюминияс второй подложкой от первой подложки,после чего на обращенную сторону первогослоя наносят второй слой алюминия толщиной 0,5 расчетной толщины всего слоя, После чего в двойном слое на всю его толщинунарезают штрихи, Разделительный подслойи. слои алюминия наносят путем испаренияв вакууме,Недостаток способа заключается в том,что данные слои нельзя использовать дляизготовления вогнутых решеток, посколькув зоне, прилегающей к границе разделадвух алюминиевых слоев, твердость слоябольше, чем от данной границы к внешнейи внутренней сторонам общего слоя, а этоприводит, при формировании штрихов пластической деформацией к искажению формируемой рабочей грани штрихов иконцентрирующих свойств решеток.Известен также способ изготовлениявогнутых дифракционных решеток, путемнанесения слоя алюминия на стекляннуюподложку и последующего формования внем ступенчатых штрихов алмазным,резцом, который периодически дискретно наклоняют относительно поверхностизаготовки в процессе нарезания решетки.Такая решетка состоит из нескольких секций (в зависимости от количеств наклонарезца), каждая из которых дает максимумконцентрации энергии в одном направлении, что позволяет увеличить концентрирующую способность решеток,Недостаток способа заключается в том,что изготовленные по нему решетки имеютнизкую разрешающую способность. Этообусловлено тем, что для сохранения фазыштрихов соседних зон необходимо произвести поворот резца вокруг оси, проходящейстрого через вершину лезвия резца, т.е. приповороте резца она не должна смещатьсяотносительно ранее нарезанного штриха, аэто практически невыполнимо. Поэтомуспособ позволяет нарезать решетки, имеющие несколько несогласованных по фазесекций, вследствие чего разрешающая способность решетки равна каждой секции вотдельности, Например, если решетка име 5 ет три равных секции, то ее разрешающаяспособность будет соответствовать разрешающей способности одной третьей ширины решетки.Наиболее близким по технической сущ"0 ности к предлагаемому способу являетсяспособ нарезания вогнутых дифракционныхрешеток со ступенчатым профилем штрихов.На фиг. 1 изображена вогнутая дифрак 15 ционная решетка со ступенчатыми штрихами и алмазным резцом (по прототипу), где 1-стеклянная подложка, 2 - слой алюминия,3 - алмазный резец, АВ - хорда, стягивающая края решетки, а - угол между гранью20 резца и хордой, стягивающей края решетки,а 1, а и - угол наклона рабочей грани штриха к хорде, стягивающей края решетки, угол"блеска", а 1 - для первого штриха, а-дляп штриха, р 1, Ъ - угол между гранью резцаи касательной к вогнутой поверхности в точке прохождения первого штриха и и штриха.На фиг. 1 и 2 для наглядности изображена решетка и резец с углами наклона гранейоколо 55 О. В действительности вогнутые решетки имеют в основном угол "блеска" от 0,5до 9 О,Известный способ заключается в том,что на стеклянную подложку 1 путем испарения в вакууме наносят слой алюминия 2,в котором алмазным резцом 3 путем пластической деформации материала формируютштрихи ступенчатого профиля. Применяемые резцы 3 имеют лодкообразную форму,образованную двумя пересекающимисяцилиндрическими поверхностями, оси которых лежат в одной плоскости (бицилиндрические), или двумя пересекающимисяконическими поверхностями с общей осьюи противоположно направленными вер 45 шинами (биконические) (см., например,"Современные тенденции в технике спект. роскопии". Новосибирск, "Наука", стр. 78,1982). При нареэании штрихов резец 3совершает перемещения в вертикальных50 плоскостях параллельных друг другу. Теоретически при этом должна нарезаться решетка с постоянным углом "блеска" по ееширине, когда как практически из-за условий формирования штрихов на вогнутой по 55 верхности данный угол по ширине решеткиразличный.Недостаток способа заключается в том,что несмотря на то, что поверхность резца3, формирующая рабочие плоскости штри 17991 б 1хов, составляет с хордой А - В, стягивающей края решетки, постоянный угол (рис. 1) рабочие же грани штрихов имеют различный угол наклона ( а 1 а 1) к данной хорде по ширине решетки, в результате область мак симальной концентрации энергии расширяется, а концентрирующая способность решетки снижается, Иэ рис. 1 видно, что при нарезании вогнутой решетки угол р между гранью резца 3, формирующей рабочую 10 грань штриха, и поверхностью заготовки решетки плавно меняется по ее ширине, вследствие чего условия формирования рабочей грани штрихов по ширине решетки различны, Так, в начале нарезки штрихов 15 рабочая грань их составляет с касательной к вогнутой поверхности решетки малый угол д 7 1, вследствие чего поверхность грани резца 3 формирует рабочую грань штриха почти по нормали к указанной касательной и 20 большая часть материала смещается и пластически деформируется в направлении поверхности подложки и в зоне около рабочей грани штриха, особенно вблизи его дна, в слое возникают, кроме пластических, также 25 большие упругие деформации данная величина различна по ширине грани штриха, т,к. изменяется глубина его и материал слоя деформируются на различную величину) и поскольку около дна штриха релаксации 30 рабочей грани его больше чем на участке, прилегающем к поверхности решетки, то после прохождения резца грань штриха изменяет свое первоначальное положвние и угол "блеска" а 1 уменьшается, т,е. а 1а, 35В конце нарезки штрихов угол между гранью резца, формирующей рабочую грань штриха и касательной к вогнутой поверхности увеличивается, т,е, рпр 1, и поэтому при формовании рабочей грани штриха ма териал слоя сдвигается не только в направлении, перпендикулярном грани резца 3, но также и по касательной к ней во взаимно противоположные стороны, т.е. в сторону поверхности подложки,а другое направле ние в сторону поверхности слоя. Кроме того, необходимо отметить, что при рпматериал слоя, пластически деформированный в направлении, перпендикулярном грани резца 3, смещается вдоль поверхности 50 подложки, не вызывал ее реакции, неизбежной при малом гр, в начале нарезки. По указанным причинам упругие деформации в слое в зоне, прилегающей к рабочей грани резца 3, в конце нарезки при рп значи тельно меньше, чем в начале нарезки при о 1, а, следовательно, меньше, релаксации рабочей грани штрихов после прохождения резца, т.е. угол наклона ап рабочей грани штриха, угол "блеска", почти равен углу наклона а грани резца 3.Таким образом, угол "блеска" по ширине решетки увеличивается от начала нарезки к концу, а следовательно, длина волны света в максимуме концентрации от разных зон тоже соответственно увеличивается по ширине нарезки, что имеет место для всех решеток, изготавливаемых по данному способу,Цель изобретения - повышение концентрирующей способности нарезаемых решеток,Указанная цельдостигаетсятем,что, известный способ изготовления вогнутых дифракционных решеток путем нанесения на стеклянную подложку слоя из пластического материала испарением в вакууме и последующего формования в нем штрихов пластической деформацией материала алмазным резцом, согласно изобретению, на стеклянную подложку наносят подслой переменной толщины, твердость которого не менее чем в пять раз больше твердости основного слоя, который наносят также переменной толщины, при этом слои ориентируют клином в противоположные стороны, толщину слоев наносят в соответствии с соотношением:г 035. гУ . ИИ, -1/г +1 У+Цгде Е - расстояние от начала нарезки до точки, в которой определяется толщина слоя, мм;И - число штрихов на один миллиметр," В - радиус кривизны решетки, мм;и - глубина штриха, определенная для плоского слоя, мм;- припуск на толщину основного слоя, для подслоя припуск равен нулю,штрихи решетки нарезают параллельно ребру клина слоев, а нарезку штрихов начинают со стороны максимальной толщины основного слоя.В известной литературе не обнаружено технических решений со сходными признаками, отличающими заявленное решение от прототипа. Поэтому отличительные п ризнаки предлагаемого способа соответствуют критерию "существенные отличия",Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом (фиг. 2), где изображена стеклянная подложка с нанесенными на нее клиновидными слоями, в которых сформированы штрихи, алмазный резец, где 1 - стеклянная подложка; 2 - основной слой иэ пластического материала; 3 - алмазный резец; 4 - подслой; 5 - рабочая грань штриха;А-В - хорда стягивающая края решетки;а - угол между гранью резца и хордой,стягивающей края решетки; а 1, а, - уголнаклона рабочей грани штриха к хорде, стягивающие края решетки, а 1- для первого 5штриха, ап- для и штриха, р 1,уЪ - уголмежду гранью резца и касательной к вогнутой поверхности в точке прохождения первого штриха и и штриха,Предлагаемый способ заклюцается в 10следующем,На стеклянную заготовку 1 путем испа-рения в вакууме наносят подслой 4, приэтом толщину его изменяют в соответствиис соотношением: 15=0,35 (Е М)В +11 Ь,где Е - расстояние от нацала нарезки до точки, в которой определяется толщина 20 слоя, мм;М - число штрихов на один миллиметр;В - . радиус кривизны решетки, мм;Ь - глубина штриха, определенная для ПЛОСКОГО СЛОЯ, ММ, 25 После чего, не нарушая вакуума, наносят второй, основной слой 2, причем толщину его изменяют в соответствии с соотношением30=0,35 (Е М) /В +11(6+),где- припуск на толщину основного слоя, мм,Толщина слоев 4 и 2, в Их начале равна 35 соответственно, Ь и Ь+.Приведенные соотношения являотся эмпирицескими и подтверждены экспериментально. Основной слой 2 ориентируют клином в противоположную сторону клина "0 4, При указанной взаимной ориентации слоев 4 и 2 общая толщина их по ширине заготовки остается постоянной, вследствие чего форма поверхности основного слоя 2 с требуемой точностью соответствует форме по верхности подложки 1.Материал подслоя 4 должен иметь твердость, не менее цем в пять раз превышающую твердость основного слоя 2. Это 50 вызвано необходимостью ограничения проникновения материала основного слоя 2 при формировании штрихов в подслой 4, т,есоздания условий возникновения реакции со стороны слоя 4, а соответственно, и усло вий формирования штрихов близких к слуцаю одинарного слоя и твердой подложки 1, Данная величина градиента твердости слоев 2 и 4 установлена экспериментально и обеспечивает формование штрихов заданного профиля,Припускна толщину основного слоя 2 необходим цтобы исключить касание лезвия резца 3 подслоя 4, т,к, он тверже основного слоя 2 и может иметь высокую твердость например, если подслой 4 выполнен из двуокиси кремния, то в этом случае будет происходить интенсивный износ резца 3. Суммарная длина штрихов при нарезании вогнутых решеток достигает 10 км, при этом резец и рактицески не должен изнашиваться иначе профиль штриха будет изменяться, несоответствовать требуемому и качество решетки значительно снизится. Для решетки с частотой деления 600 - 1200 штр/мм величина припускасоставляет 0,0001 мм, а для решетки 2400 штр/мм припусксоставляет 0,00005 мм (установлено экспериментально).После нанесения слоев заготовку решетки устанавливают на делительную каретку делительной машины (на рис, не показано), ориентируют заготовку относительно перемещения резца 3 так, цтобы ребро клина каждого слоя 2 и 4 было параллельно данному перемещению. В этом случае штрихи решетки будут располагаться так, цто толщина слоя в сецении последующего штриха будет отлицаться от тф чщины слоя всецении предыдущего штриха, т.е, штрихи будут параллельны ребрам клиньев слоев 2 и 4, Известно (смнапример, Чугунов Ю,П., Стрельников Ю.П., Чугунова Г,А., Афанасьева А,Г, Исследование зависимости микротвердости алюминиевых покрытий увеличенной толщины от структурных особенностей, Тезисы докладов Ч отраслевой научно-технической конференции молодых ученых, Москва 1989, стр. 94), цто с изменением толщины слоев, полученных методом испарения материала в вакууме при постоянной скорости конденсации, изменяется их микротвердость и цем толще слой, тем меньше его микротвердость, Экспериментально было установлено, цто при формировании штрихов в слое с малой микротвердостью в материале слоя в зоне, прилегающей к штриху, упругие деформации также малы и изменение положения рабоцей грани штриха, т,е, ее релаксация после прохождения резца соответственно тоже мала,Ранее было сказано, цто максимальная релаксация рабочей грани 5 штриха имеет место в нацале нарезкл когда р 1 мало, поэтому нареэание штрихов на слое 2 с переменной толщиной необходимо нацлнать со стороны максимальной его толщины. По ме1799161 10 Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я,ложные стороны, слои переменной толщины наносят в соответствии с соотноСПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОГНУТЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК СО 35)1 П -Уг+1)+) СТУПЕНЧАТЫМ ПРОФИЛЕМ ШТРИХОВпутем нанесения на стеклянную под- где 2 - расстояниеот начала нарез- ложку слоя из пластического материала ки до точки, в которой определяется испарением в вакууме и последующего толщина слоя, мм; формования в нем штрихов с предварий - число штрихов на один миЛли- тельно определенной глубиной пластиче- метр;ской деформацией материала алмазным й - радиус кривизны решетки, мм; резцом, отличающийся тем, что, с Ь - глубина штриха, определенная целью повышения концентрирующихдля плоского слоя, мм; свойств нарезаемых решеток, на стек-,- припуск на толщину основного.45лянную подложку наносят подслой пе- слоя, для подслоя равен нулю, ременной толщины, твердость которого, штрихи решетки нарезают паралне менее чем в пять раз больше твер- лельно ребру клина слоев, а нарезку дости основного слоя, который наносят 50 штрихов начинают со стороны макси- также переменной толщины, при этом ,мальной толщины основного слоя. слой ориентируют клином в противопоре нареэания штрихов толщина слоя 2 уменьшается, микротвердость его возрастает и релаксация рабочей грани 5 штриха увеличивается, но поскольку она одновременно уменьшается вследствие возрастания угла уЪ,то в целом релаксация грани 5 по ширине решетки остается примерно одинаковой величины, что позволяет изготавливать вогнутые решетки с наклоном рабочей грани 5 штрихов к хорде АВ примерно под одним и тем же углом, а это позволяет концентрировать энергию дифрагированного света в более узкой спектральной области по сравнению.с решеткой, изготовленной по известному способу, и тем самым повысить коэффициент отражения в максимуме концентрации света беэ снижения разрешающей способности решеток,П р и м е р. Необходимо изготовить вогнутые дифракционные решетки с параметрами, указанными в таблице, и углом "блеска" а= 6.Минимальная толщина клина подслоя равна глубине штриха Ь, а основного слоя и+1. Изменение толщины слоев достигается за счет изменения скорости перемещения экранирующей маски, движущейся перпендикулярно направлению перемещения потока испаряемых частиц материала (алюминий, кремний), Поскольку слои должнц быть ориентированы клином в противоположные стороны, то после нанесения подслоя на эаготовку решетки ее поворачиваютвокруг вертикальной оси на 180, Затем па 5 раллельно ребру клина слоев нарезаютштрихи решетки, начиная нарезку с максимальной толщины основного слоя.Вогнутые решетки, изготовленные в со- ответствии с приведенным примером, име 10 ли коэффициент отражения света вмаксимуме концентрации в среднем на 5больше, чем решетки, изготовленные по известному способу,Необходимо отметить, что извест 15 на вогнутая решетка (см., например, а,с.М 3873198, 6 02 В 5/18 от 16.11.70) со ступенчатым профилем штриха, рабочие граникоторых наклонены к касательной ее образующей под одинаковым углом, Данная20 решетка должна иметь повышенную светосилу по сравнению с другими решетками, нов настоящее время не существует способаее изготовления.Предложенный способ позволяет прак 25 тически увеличить угол "блеска" в началенарезки решетки, при сохранении неизменным в конце нарезки, но сравнению с известным, при нарезании ее в обеих случаяхрезцом с одним и тем же углом заточки30 грани,1799161 Составитель Н,Бал Техред М.Моргента и едакт Корректор М Самборская Тираж ПодписнНПО "Поиск" Роспатента35, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 аз 271 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул,Гагарина, 1