Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка влияния технологических погрешностей формирования микрорельефа на параметры доэ 25
1.1. Фазовая функция оптического элемента и реализующий ее дифракционный микрорельеф 25
1.2. Основные технологические процессы, применяемые при формировании микрорельефа ДОЭ 29
1.2.1. Литография 29
1.2.2. Качественный анализ погрешностей фотолитографического процесса 33
1.3. Анализ влияния технологических погрешностей формирования микрорельефа на параметры ДОЭ 44
1.3.1. Влияние технологических погрешностей на параметры дифракционной линзы 45
1.3.2. Моделирование влияния смещения шаблонов на параметры дифракционной линзы 51
1.3.3. Влияние погрешностей формирования микрорельефа на качество формирования интенсивности в фокальной плоскости аксикона 52
1.3.4. Влияние ошибки глубины травления на дифракционную картину и распределение интенсивности 55
1.3.5. Влияние технологических погрешностей на величину среднеквадратичной ошибки формирования интенсивности 56
Выводы 60
2. Формирование микрорельефа доэ с использованием оптической литографии 61
2.1. Формирование микрорельефа фокусаторов лазерного излучения с использованием жидкостного травления 61
2.1.1. Изготовление фотошаблоно ДОЭ 62
2.1.2. Изготовление микрорельефа фокусаторов 64
2.1.3. Экспериментальное исследование фокусаторов 67
2.2. Формирование микрорельефа ДОЭ вакуумно-плазменным травлением 69
2.2.1. Вакуумно-плазменные методы формирования микрорельефа 69
2.2.2. Исследования режимов травления материалов, используемых в качестве маскирующих слоев 72
2.2.3. Исследование режимов травления кремния и изготовление ДОЭ на его основе 76
2.3. Формирование микрорельефа ДОЭ методом послойного
наращивания фоторезиста 87
2.3.1. Исследование механизмов взаимодействия слоев фоторезиста при их послойном наращивании 88
2.3.2. Оценка параметров фокусаторов в «кольцо» и «отрезок», изготовленных послойным наращиванием фоторезиста 92
Выводы 96
3. Экспериментальные методы формирования микрорельефа в материалах, перспективных для дифракционной оптики 97
3.1. Создание и исследование опытных образцов дифракционных оптических элементов для фокусировки лазерного излучения на кварцевых подложках 97
3.1.1. Исследование технологических режимов травления кварцевых пластин 97
3.1.2. Изготовление бинарных фокусаторов на кварцевых подложках 99
3.1.3. Исследование микрорельефа фокусаторов 101
3.1.4. Оценка энергетической эффективности элементов 104
3.2. Исследование и разработка методов формирования микрорельефа ДОЭ в поликристаллических алмазных пленках 108
3.2.1. Термохимический способ формирования микрорельефа 109
3.2.2. Исследование режимов формирования дифракционного микрорельефа методом ионно-химического травления поликристаллических алмазных пленок 114
3.3. Исследование и разработка методов формирования микрорельефа ДОЭ в сапфировых подложках 120
3.4. Формирование микрорельефа с использованием халькогенидных стеклообразных полупроводников 123
3.4.1. Оптические свойства ХСП 124
3.4.2. Получение пленокХСП 127
3.4.3. Оптическая запись дифракционного микрорельефа в пленках As2 S3 131
3.4.4. Формирование микрорельефа ДОЭ с использованием ХСП в качестве маскирующего слоя 134
Выводы 139
4. Анализ метода формирования микрорельефа доэ с использованием ионно-лучевого травления материалов 140
4.1. Физические параметры, характеризующие ионно-лучевое травление 140
4.1.1. Общая характеристика метода ионно-лучевого травления материалов 140
4.1.2. Энергетические характеристики ионно-лучевого травления материалов 142
4.1.3. Коэффициент распыления материала мишени 143
4.1.4. Скорость и селективность травления материала мишени 146
4.2. Особенности формирования и трасформации микрорельефа ДОЭ с использованием ионно-лучевого травления 148
4.2.1. Травление микрорельефа на фоторезистной основе 148
4.2.2. Процесс травления микрорельефа на подложке 152
4.2.3. Формирование микрорельефа ДОЭ в стационарном режиме ионно-лучевого травления 154
4.2.4. Вычислительный эксперимент формирования и трансформации микрорельефа ДОЭ 155
4.3. Численная оценка изменения профиля микрорельефа при ионно-лучевом травлении 158
4.3.1. Исходные данные моделирования режимов травления микрорельефа ДОЭ 158
4.3.2. Моделирование профилей травления микрорельефа ДОЭ на основе бинарных структур 160
4.4. Результаты экспериментальных исследований 174
Выводы 179
5. Приборы и методы технологического контроля микрорельефа и параметров доэ 180
5.1. Основные операции технологического контроля 180
5.2. Контроль физической чистоты поверхности подложек 182
5.3. Технологический контроль микрорельефа с использованием тестовых дифракционных структур 194
6
5.3.1. Тестовые дифракционные структуры 194
5.3.2. Диагностика качества микрорельефа с помощью тестовых дифракционных структур 198
5.4. Контроль линейных размеров микрорельефа 205
5.4.1. Лазерный микроинтерферометр 205
5.4.2. Сканирующий зондовый микроскоп 207
5.5. Автоматизированное устройство контроля параметров ДОЭ... 210
5.6. Разработка и контроль параметров светотехнических устройств с ДОЭ 212
Выводы 218
Заключение 220
Список использованных источников 222
- Качественный анализ погрешностей фотолитографического процесса
- Вакуумно-плазменные методы формирования микрорельефа
- Исследование механизмов взаимодействия слоев фоторезиста при их послойном наращивании
- Исследование микрорельефа фокусаторов
Качественный анализ погрешностей фотолитографического процесса
Базовой деталью является подложка, на поверхности или в объеме которой надлежит сформировать микрорельеф, конфигурация которого будет определяться контактной маской, сформированной в фоторезистном слое через посредство использования фотошаблона.
Наиболее существенное влияние на наличие погрешностей фотолитографического процесса оказывают в первую очередь качество и параметры фоторезистной пленки и фотошаблонов, используемых при создании ДОЭ.
Дефекты фоторезистных слоев На четкость передачи топологии рисунка фотошаблона ДОЭ в фоторезистами слой влияют такие параметры фоторезиста, как толщина и равномерность фоторезистного покрытия, и наиболее важный параметр - разрешающая способность. Под разрешающей способностью фоторезиста понимают максимально возможное число раздельно передаваемых линий защитного рельефа на 1 мм поверхности подложки. Различают разрешающую способность фоторезиста и процесса фотолитографии. Так, при разрешающей способности фоторезиста около 1000 лин/мм может быть получена разрешающая способность процесса фотолитографии порядка 400 лин/мм. Это объясняется наличием процессов дифракции, рассеяния и отражения света в системе подложка - фоторезист - фотошаблон.
В результате паразитного облучения на границе защитного слоя образуется «ореол», снижающий разрешающую способность фотолитографии. Разрешающая способность фотолитографии в еще большей степени снижается при выполнении операции травления подложки в результате бокового подтравливания под слоем фоторезиста.
Чем выше толщина фоторезистного слоя, тем больше «ореол» при проявлении. Толстые пленки хуже удерживаются на подложке, способствуют большему подтравливанию и уменьшают разрешающую способность фотолитографического процесса.
Разрешающая способность процесса фотолитографии будет определяться также качеством фотошаблона, методами формирования изображения в слое фоторезиста и параметрами источника излучения. Ключевым процессом формирования микрорельефа ДОЭ является получение набора прецизионных шаблонов. Характерные дефекты топологии бинарных амплитудных масок
Для проведения флотолитографических процессов применяют фотошаблоны - стеклянные пластины с покрытием из фотографической эмульсии, металлической пленки и других материалов.
В настоящее время получили распространение фотошаблоны с цветным покрытием (например, из окиси железа), нанесенным вакуумным напылением (так называемые цветные шаблоны). При использовании фотоэмульсионных материалов на минимальную ширину раздельно воспроизводимой линии (или минимальное расстояние между линиями равной ширины) влияют искажения на границах контура линий «черное - белое», связанные с зернистым строением проявленной фотоэмульсии «почернения» и светорассеянием в оптически неоднородной системе фотоэмульсия-подложка. Внешне эти искажения проявляются в виде нерезкого (размытого) и неровного краев линий на изображении (рис. 1.11). Размытость края характеризуется шириной постепенного перехода от прозрачной к оптически плотной области в элементе изображения на фотоэмульсионном негативе, т.е. шириной «серой» зоны AZo изображения при переходе от белой области к черной. На фотошаблоне хорошо видна зернистость фотоэмульсионного слоя, что значительно ухудшает контраст рисунка. Фрагмент фотошаблона ДОЭ на фотопленке с зернистой структурой
Для дальнейшей работы фотошаблоны с пленки переводят на стеклянные металлизированные пластинки, покрытые, например, тонким слоем хрома, в результате чего изображение получается более контрастным (рис. 1.12). Высота зубцов (микронеровностей) прямолинейного края непрозрачного элемента фотошаблона, измеренная как максимальная высота усчают набором отрезков или точек. Важным параметром, характеризующим набор масок ДОЭ, также является совпадение минимальных элементов (линий), необходимое для совмещения масок из набора. Оба эти параметра (минимальная ширина линии и совпадение минимальных элементов на масках набора) имеют одинаковое влияние на технологический процесс. На рис. 1.13 представлены фрагменты фотошаблонов ДОЭ, состоящие из линий, аппроксимированных набором элементарных изображений — точек или прямоугольников, ориентированных вдоль фиксированных ортогональных осей.
Вакуумно-плазменные методы формирования микрорельефа
В современной практике микроэлектроники используется широкая гамма методов и технологий, основанных на жидкостном химическом травлении (ЖХТ) /11,21,156/ и вакуумно-плазменных принципах травления материалов /14,26,41,73 , 134,137/, которые по физико-химическому механизму взаимодействия с поверхностью обрабатываемого материала различают как три основных вида вакуумно-плазменного травления (ВПТ).
Ионное травление, при котором поверхностные слои материала удаляются в результате физического распыления. Процесс не сопровождается химическими реакциями. Если обрабатываемый материал помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разряда, то травление называют ионно-плазменным, если же материал отделен от области плазмы, — ионно-лучевым травлением.
Плазмохимическое травление (ПХТ) происходит при взаимодействии между поверхностью и химически активными частицами (ХАЧ), к которым относятся свободные атомы и радикалы /140,170,207/. Если при этом материал находится в области плазмы, то травление называют плазменным, если область реакции отделена от плазмы, то травление—радикальное.
Ионно-химическое (ИХТ) или реактивное ионное травление, характеризуется совместным действием физического распыления и химических реакций. Аналогично предыдущему при материале, находящемся в области плазмы, процесс называют реактивным ионно-плазменным. При травлении материала, находящегося в вакуумной зоне обработки, отделенной от области плазмы, процесс называют реактивным ионно-лучевым. приведены параметры различных методов травления, используемых при изготовлении микроструктур.
Сравнительная оценка характеристик различных методов травления Характеристика процесса травления ЖХТ ИТ ПХТ ИХТ Универсальность Нет Да Нет Да Разрешающая способность, мкм L=Lm+5 Ъ—Lm L=Lm+ (1/2.. 1/4)6 A Lm Селективность травления 10... 100 1...10 10...100 2...20 Неравномерность травления в партии пластин, % 1 3...5 1 3...5 Неровность края от полученного размера, % 10...15 3...5 3...5 3...5 Диапазон технологических скоростей травления, нм/с 1...10 0,1...1 1,0...10 0,5 50 Совмещение операций травления материала и удаления фоторезиста Нет Ограничено Да Ограничено Очистка поверхности после травления Да Нет Да Нет Управление травлением от ЭВМ Нет Да Ограничено Да Примечание: Lm - ширина линии фоторезиста (мкм); 5 - толщина пленки фоторезиста (мкм). Простота метода жидкостного химического травления позволила ему выдержать испытание временем. Практические пределы применимости ЖХТ определяются разрешением - (1,5-2,0) мкм и уходом размеров при травлении - (0,2-0,5) мкм. ЖХТ обеспечивает высокие скорости травления, однако в настоящее время находит ограниченное применение ввиду присущих ему принципиальных ограничений: а) недостаточной химической чистоты травителей (содержанием ин гибирующих и каталитических примесей), приводящей к существенному влиянию этих факторов статистической природы на фронт травления; б) сложностью обеспечения транспорта травителя при образовании микрорельефа на поверхности подложки, используемой для ДОЭ; в) отсутствием возможности использования высокотемпературных режимов травления с целью интенсификации химических процессов, про текающих по термоактивационным механизмам; г) подтравливание под край маски (клин травления) ограничивает минимальный размер элемента структуры по площади и его высоту; д) при жидкостном травлении трудно обеспечить контролируемость и управляемость технологических процессов; е) ЖХТ предъявляет особо жесткие требования к адгезии и стойкости фо торезиста или другого маскирующего материала, используемого при травлении. Приведенные выше негативные моменты, свойственные методам ЖХТ (в особенности для материалов подложек диэлектрической природы), стимулируют развитие и широкое использование в производственной практике создания микроструктур с помощью методов ВПТ, наиболее перспективным из которых при формировании микрорельефа ДОЭ является плазмохимическое и ионно-химическое травление. В настоящей главе приводятся результаты исследований режимов ПХТ материалов, широко при 72 меняемых в микроэлектронике, относительно использования их при изготовлении ДОЭ: фоторезисты, пленки хрома, кремний Исследования режимов травления материалов, используемых в качестве маскирующих слоев
Краткое описание установки плазменного травления материалов Для проведения экспериментальных исследований плазменного травления материалов и разработки технологии изготовления ДОЭ использовалась опытно-промышленная установка УТП ПДЭ-125-009 «ИНТРА», предназначенная для травления пленок алюминия и его сплавов, а также двуокиси кремния в лабораторных условиях при индивидуальной отработке кремневых пластин диаметром 100, 125 и 150 мм. Мощность, потребляемая установкой, составляет около 12 кВт.
По типу получения плазмы в рабочем объеме и возможности создания рабочей газовой среды, а также по расположению обрабатываемой подложки, установка позволяет осуществлять как плазмо-, так и ионно-химическое травление материалов. Зажигание плазмы в реакторе установки достигается подачей высокочастотной (ВЧ) мощности (13,56 МГц ±135,6 кГц) до 1000 Вт. В установке возможна плавная регулировка падающей мощности и настройка согласования ВЧ нагрузки (т.е. плазмы в реакторе) с ВЧ генератором. Напуск рабочих газов может осуществляться одновременно по четырем каналам с регулировкой их расхода. В рабочем состоянии (при травлении) давление в рабочей камере должно поддерживаться на уровне, не превышающем 8 Па. Для управления плазмой разряда в реакторе установки имеется система наложения магнитного поля в пределах 0 - 0,03 Тесла.
Исследование режимов травления материалов проводилась по следующей схеме: 1) Вывод установки УТП ПДЭ-125-009 на рабочий режим (т.е. разогрев вакуумного диффузионного насоса, прогрев ВЧ генератора). 2) Загрузка обрабатываемой пластины (пластины с нанесенным слоем, подлежащего травлению) в рабочую камеру, откачка рабочей камеры до давления 1,5-10 Па. 3) Напуск рабочего газа (или газов), регулировка рабочего давления газа (смеси газов и их соотношения). 4) Включение ВЧ разряда, регулировка согласования с нагрузкой ВЧ генератора, которое определяется давлением газов, установившимся в реакторе, составом газовой среды и т.д. При необходимости, регулируется ВЧ смещение, подаваемое на подложку или отрицательное постоянное смещение, возможна регулировка магнитного поля. Проведение процесса травления на заданную глубину или до полного стравливания материала. 5) Выключение ВЧ мощности, прекращение подачи газов, вентиляция рабочей камеры, напуск воздуха.
Давление в реакторе для получения сравнимых результатов в каждом процессе травления поддерживалось на уровне от 0,1 до 7,0 Па, обеспечивая постоянство расхода газов при заданных параметрах откачки. Данная схема последовательности технологических операций была использована как при отработке режимов травления отдельных материалов, так и при изготовлении ДОЭ.
Исследование механизмов взаимодействия слоев фоторезиста при их послойном наращивании
В работах /43 ,52-54 ,220 / предложен относительно простой метод изготовления микрорельефа ДОЭ послойным наращиванием фоторезиста (ПНФ). Суть его заключается в том, что ступенчатый рельеф ДОЭ формируется путем многократного нанесения фоторезистных слоев, слой на слой, прошедших этапы засветки через соответствующие фотошаблоны и все процессы обработки, включая глубокое задубливание. Исключение из процесса изготовления этапов травления подложки позволяет значительно улучшить точность воспроизведения размеров зон ДОЭ. Однако при этом сохраняется проблема точности совмещения и обработки слоев по всей площади подложки.
И если процесс совмещения является как бы переходящей проблемой, то проблема повторяемости параметров формируемых фоторезистных слоев становится основополагающей. От точности воспроизведения толщин каждого слоя и равномерности распределения его по подложке зависят, в конечном счете, параметры ДОЭ и качество его работы. В случае, когда наносится большое количество слоев для обеспечения совмещения, особенно при автоматизации процесса, при формировании субмикронного изображения оптическим степлером, требуется, чтобы неравномерность толщины резиста не превышала ±10 нм /234/.
Как установлено, толщина слоя, получаемая в результате длительного центрифугирования, соизмерима с толщиной пограничного слоя, величина которого вычисляется из выражения /45/: где: со- угловая скорость вращения центрифуги, а тф - кинематическая вязкость фоторезиста, а для получения воспроизводимых результатов необходимо жестко стабилизировать время от момента нанесения капель фоторезиста до начала центрифугирования (около 3 сек.) и время разгона центри 89 фуги до полной скорости (40 - 50 мсек.). Эти условия были соблюдены путем применения центрифуги с массивным маховиком, к которому в нужный момент подсоединялся подложкодержатель посредством электромагнитной фрикционной муфты.
При проведении исследований в качестве основания для формирования микрорельефа ДОЭ были использованы стандартные фотолитографические пластины типа ВР-П Переяславского ПО «Славич» размером 63x63x2,5 мм, предварительно очищенные от фотоэмульсионного слоя. В качестве фоторезистов использовались композиции ФП-051К и ФП-351 с высоким содержанием твердого вещества - до 40%, и малым содержанием растворителя. Что в значительной степени повышает планаризирующие свойства резиста, нанесенного поверх ступенек.
Перед нанесением фоторезиста исходная подложка (после предварительной жидкостной обработки) подвергалась очистке в установке плазмо-химического травления. Очистка подложек, при выполнении подготовительных операций перед нанесением фоторезистных слоев, осуществлялась плазмохимическим травлением в атмосфере кислорода и инертного газа в течение не менее 3 минут, при мощности ВЧ - энергии не менее 400 Вт и с расходом газа не менее 4-Ю"6 м3/с. Расположение подложкодержате-лей в камере обеспечивало свободный и равномерный доступ химически активных частиц (ХАЧ) к поверхности подложек.
Контроль химической чистоты подложек осуществлялся с помощью устройства экспресс-контроля степени чистоты поверхности подложек /22 /. При исследовании распределения толщины фоторезиста по подложке использовался контрольный фотошаблон, эскиз которого представлен на рис. 2.14. Шаблон представляет собой светлое поле с восьмьюдесятью одной темными контрольными точками размерами 1x1 мм . Г
Фоторезист наносился при температуре окружающей среды Токр = 22±2С и влажности В 63-457%. После засветки, проявления и задублива-ния слоя фоторезиста выполнялась операция по контролю толщины и распределения по поверхности подложки с помощью интерферометра МИИ-4. Результаты проведенных экспериментов и измерений для различных режимов центрифугирования для двух наиболее значимых точек приведены в таблице 2.5. Зависимость изменения толщины пленки фоторезистов марок ФП-051 и ФП-351 от скорости вращения центрифуги
Примечание: Расстояние между центром стеклянной подложки и краем составляло 3 см. Вязкость композиции во всех опытах оставалась неизменной. Изменением скорости вращения центрифуги при нанесении фоторезиста можно регулировать толщину слоя с увеличением до 36% и уменьшением до 15% относительно принятого за среднее значение - толщину пленки, полученную при N = 3000 об/мин. Разброс по толщине пленок фоторезиста ФП-051К (проведено более 50 экспериментов) фиксируемых в двух точка (центр, край) не превысил 5%, в то время как для ФП-351 более 11%.
Поскольку разброс толщин в фиксированных контрольных точках не превысил 1,5%, на рис. 2.15 приведены зависимости изменения толщины пленки фоторезиста ФП-051К по поверхности подложки, измеренные на расстоянии от центра до точки, удаленной на 3 см, для наиболее приемлемых скоростей центрифугирования.
Распределение фоторезиста по поверхности подложки при различных скоростях вращения центрифуги Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что предложенные режимы нанесения фоторезиста обеспечивают формирование равномерного слоя практически по всей поверхности подложки. Относительно средних значений, разброс по толщине фоторезистного слоя на площа-ди 60x60 мм не превышает 6 %, что позволяет формировать микрорельеф широкоапертурных ДОЭ, работающих на отражение.
Высокая энергетика процессов литографии (в сочетании с многократностью повторения процессов экспонирования в данном методе) сопряжена с проблемой устойчивости рабочих сред формирования структур (в частности, фоторезистов), с точки зрения сохранения их геометрических и физико-технических начальных параметров. Оптимизация процесса экспонирования слоев показала /78 /, что послойное наращивание фоторезиста позволяет формировать микрорельеф ДОЭ с количеством уровней до 24 при толщине слоя 0,2- 1,5 мкм, неравномерность высоты микрорельефа по апертуре ДОЭ составляет 0,5-1%
Исследование микрорельефа фокусаторов
Для каждого оптического элемента были измерены величины характеристических параметров микрорельефа. Далее представлены описания топологии микрорельефов и их характеристики для каждого типа исследуемых ДОЭ. Фокусатор в «две точки» Рис. 3.2. Фрагмент фотографии поверхности микрорельефа фокусатора в «две точки» На рис. 3.2 представлено увеличенное с помощью микроскопа изображение микрорельефа фокусатора в «две точки», на котором видны границы линий. На изображении приведена область ДОЭ, в которой линии наиболее тонкие, т.е. зоны, состоящие из таких линий, наиболее трудны в изготовлении. 102 Характеристические параметры изготовленного микрорельефа фоку-сатора в «две точки» следующие: размер самой широкой зоны, мкм - 980; размер самой узкой зоны (на краю линзы), мкм - 54; высота центральной зоны, мкм - 1,225; Первые два параметра зависят от рассчитанного рисунка линий на шаблоне и влияют на форму фокусируемой фигуры. Изменение этих параметров может влиять на расстояние между двумя точками и их диаметр.
Профиль микрорельефа, полученный с помощью микропрофиломет-ра - инструмента, используемого для оценки профиля поверхности с высокой точностью, представлен на рис. 3.3. Рис. 3.3. Профиль крайней зоны фокусатора в «две точки» Отклонение значения реальной высоты микрорельефа от требуемой теоретической приводит к потере части энергии, которая тем больше, чем больше указанное отклонение. В данном случае отклонение от теоретического значения высоты микрорельефа составило 3,8 %. Фокусатор в «кольцо» Шаблон бинарного фокусатора в «кольцо», работающего в двух дифракционных порядках, выглядит как две секции (половинки), состоящие из концентрических полуокружностей. На рис. 3.4 показан фрагмент рельефа в центральной части ДОЭ, увеличенной в 80 раз с помощью микроскопа. Такая структура шаблона требует точной центровки оси пучка лазера, падающего на фокусатор. Как показали экспериментальные исследова 103 ния, ошибка в центровке приводит к неосесимметричному распределению интенсивности в фокальной плоскости. Рис. 3.4. Фотография центрального участка бинарного фокусатора в «кольцо» Фрагмент профиля микрорельефа фокусатора в «кольцо» представлен на рис. 3.5. Рис. 3.5. Фрагмент профилограммы микрорельефа фокусатора в «кольцо» Параметры изготовленного микрорельефа, фокусатора в «кольцо»: - период зоны - 75,0 мкм; - высота микрорельефа - 1,210 мкм. Отклонение от теоретического значения высоты равно 2,5 %, что так же, как и для фокусатора в «сдвоенную точку», приводит к энергетическим потерям фокусировки. Фокусатор в «отрезок»
Топология фотошаблона фокусатора в «отрезок», работающего как дополнение к фокусирующей линзе, состоит из параллельных линий с ша 104 гом, возрастающим к краю ДОЭ. На следующем рисунке (рис. 3.6) представлены изображения той части ДОЭ, где ширина зон минимальна: Рис. 3.6. Фотография зон фокусатора в «отрезок», имеющих минимальную ширину Параметры микрорельефа фокусатора в «отрезок» следующие: размер максимальной зоны - 200 мкм; размер минимальной зоны -13 мкм; высота там, где ширина зон максимальна, - 1,110 мкм; высота там, где ширина зон минимальна, -1,125 мкм. В этом случае отклонение от теоретического значения высоты микрорельефа составило 3,8-5,9 %, что привело (как показали измерения) к наибольшим энергетическим потерям. 3.1.4. Оценка энергетической эффективности элементов Для оценки распределения в разных плоскостях интенсивности пучка, проходящего через дифракционные элементы и фокусирующую линзу, был использован анализатор лазерного излучения Prometec Lazerscope UFF 100, оптическая схема которого представлена на рис. 3.7. В системе была использована фокусирующая линза с фокусным расстоянием f=C/2, для которой выполняется условие C D+d. Допуск обусловлен тем, что фокусное расстояние ДОЭ влияет на расстояние между плоскостью, в которой располагают дифракционный элемент, и плоскостью фокусировки, в которой реализуется требуемая фигура. В плоскостях, 105 параллельных фокальной плоскости и отстоящих от нее на значительном расстоянии (относительно рабочей длины волны), присутствует не «расфокусированная» фигура, а совсем другие по форме фигуры. С d D Рис. 3.7. Параметры оптической системы испытательного стенда (в соответствии с оптической схемой, представленной нарис. 3.1) Для начала исследования была выбрана базовая точка отсчета - позиция «ноль» на расстоянии 155 мм от выходной плоскости ДОЭ. Все остальные положения плоскости исследования, превышающие нулевую, соответствуют большему расстоянию от линзы. На первом этапе исследований было изучено изменение формы пучка, формируемого фокусатором в «кольцо» в плоскостях, расположенных на различных расстояниях от ДОЭ. В последующем на фоточувствительной бумаге получались отпечатки формы пучка ДОЭ на разных расстояниях от плоскости. Затем выполнялись замеры полей интенсивности также на различных расстояниях с использованием установки Prometec Lazerscope UFF 100. Измерения в этих экспериментах выполнялись с интервалом в 5 мм, последовательным удалением плоскости регистрации от позиции «ноль». В результате экспериментов была определена плоскость, находящаяся на расстоянии 20 мм от нулевой, в которой требуемое изображение наилучшим образом соответствует требуемому. Положение этой плоскости уточнялось за счет смещения плоскости регистрации около нее с шагом 1 мм. Все измерения были выполнены при мощности излучения 3000 Вт. На рис. 3.8 представлены поля интенсивностей, формируемых фокусатором в «кольцо», для некоторых расстояний от «нулевой» плоскости 106 (первый столбец). Оценка энергетической эффективности фокусировки (доля энергии, попавшая в «уширинное кольцо») в фокальной плоскости фокусатора - 67,1%. О мм 20 мм 35 мм ИІПТ1Е Рис. 3.8. Распределение интенсивности в плоскости фокусировки (20 мм относительно «нулевой» плоскости) и в параллельных к ней плоскостях дляДОЭ, фокусирующего в «уширенное кольцо» Для исследования фокусатора в «сдвоенную точку» были использованы та же последовательность операций и оборудование, которые использовались при исследовании фокусатора в «кольцо». Изображения, полученные на фоточувствительной бумаге на различных расстояниях от плоскости ДОЭ (с шагом 5 мм), представлены на рис. 3.9. Оценка энергетической эффективности фокусировки (доля энергии, попавшая в два кружка) в плоскости наилучшей установки фокусатора составила - 66,6%. 20 мм 30 мм / 1І1 і т і1 і Я I і I 1 жМ Рис. 3.9. Распределение интенсивности в плоскости фокусировки (20 мм относительно «нулевой» плоскости) и параллельных к ней плоскостях для ДОЭ, фокусирующего в «сдвоенную точку» 107 На рис. 3.10. представлены результаты исследования бинарного фо-кусатора в «отрезок» - изображения отпечатков на фоточувствительной бумаге на различных расстояниях от ДОЭ (с шагом 5 мм). Фокальная плоскость, в которой формируется распределение интенсивности, максимально близкое к требуемой форме, находилась на расстоянии 20 мм от позиции «ноль». На отпечатке демонстрируется разрыв между двумя половинками отрезка, формируемых разными дифракционными порядками, а также различные толщины полуотрезков на различных расстояниях от ДОЭ (вне фокальной плоскости - см. рис. 3.10). Оценка энергетической эффективности фокусировки (доля энергии, попавшая в прямоугольный «штрих») в фокальной плоскости фокусатора составила - 63,8%.
