ТЕРМИЧЕСКИ И ОПТИЧЕСКИ УПРАВЛЯЕМОЕ ФОКУСИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
THERMALLY AND OPTICALLY CONTROLLED FOCUSING DEVICE

Изобретение относится к оптической отрасли техники, в частности к микрооптическим устройствам, оптическую силу которых можно изменять с помощью световых или тепловых воздействий.
Известны устройства с деформируемой внешними воздействиями зеркальной тонкопленочной мембраной - акустооптические преобразователи (ячейки Голея) [1], являющиеся аналогом изобретения. Деформация мембраны в них вызвана тепловым действием оптического излучения, которое частично поглощается газом, содержащимся в герметичной ячейке. Поглощение приводит к нагреванию и увеличению давления газа с внутренней стороны мембраны, являющейся одной из стенок ячейки. Мембрана проявляет себя в качестве сферического зеркала с изменяемым фокусным расстоянием.
Недостатком аналога является необходимость в наличии герметичной ячейки для обеспечения деформации мембраны при термическом или оптическом воздействии на устройство, то есть сложность его конструкции.
В качестве прототипа выбраны известные оптические микроустройства, выполненные в виде тонкопленочных слоев на подложке, имеющие массив деформируемых мембран [2], закрепленных над подложкой с помощью перфорированного тонкопленочного изолирующего слоя. При подаче между зеркальной проводящей мембраной и электродом на подложке электрического напряжения мембрана деформируется и в отраженном свете представляет собой сферическое зеркало, способное фокусировать излучение, причем фокусное расстояние зависит от величины разности потенциалов.
Недостатком устройства является невозможность управления его оптической силой (фокусным расстоянием) непосредственно оптическим или тепловым воздействием и сложность конструкции.
Задачей, решаемой данным предложением, является придание структуре, состоящей из подложки и расположенного на ней деформируемого тонкопленочного слоя, функции термически и оптически управляемого фокусирующего устройства при одновременном упрощении конструкции.
Решение задачи достигается тем, что тонкопленочный мембранный слой своей нижней поверхностью совпадает с поверхностью подложки, причем адгезия между отдельными участками поверхностей отсутствует, в то время как материал слоя имеет положительный коэффициент термического расширения.
Предлагается также в соответствии с изобретением, что упомянутый слой частично поглощает оптическое излучение.
Предлагается также в соответствии с изобретением, что упомянутый слой изготовлен из проводящего материала, причем устройство содержит электрические контакты, соединенные электрически с упомянутым слоем, а подложка изолирующая.
Предлагается также в соответствии с изобретением, что упомянутая подложка прозрачная и с упомянутым слоем имеет одинаковые коэффициенты термического расширения, причем упомянутый слой не имеет тангенциальных напряжений.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого изобретения при отсутствии управляющих воздействий в корпусе; на фиг2 показан участок структуры устройства в момент его срабатывания; на фиг.3 показан вариант устройства, в котором упомянутый слой изготовлен из проводящего материала, причем устройство содержит электрические контакты, соединенные электрически с упомянутым слоем, а подложка изолирующая; на фиг.4 поясняется функционирование устройства с прозрачной подложкой; на фиг.5 поясняется функционирование предлагаемого устройства, содержащего множество участков локального отсутствия адгезии, в момент активирования устройства - когда деформируемый слой нагрет: на фиг.5, а - структура устройства, содержащего множество участков отсутствия адгезии; на фиг.5, б - дифракционная картина света, отраженного от структуры устройства, в фокальной плоскости линзы Л.
Обозначения на фигурах следующие: 1 - подложка; 2 - мембранный тонкопленочный слой толщиной d на поверхности подложки; 3 - вакуумированный корпус устройства; 4 - прозрачное окно корпуса; 5 - световой поток, падающий на устройство; 6 - световой поток, отраженный от зеркального слоя; 7 - участок локального отсутствия адгезии шириной а между подложкой и пленкой; 8 - полость между поверхностью подложки и пленкой, возникающая при термическом расширении пленки вследствие ее нагревания; 9 - тонкопленочный зеркальный слой в момент срабатывания устройства; 10 - прозрачная подложка; 11 - электрические контакты; f - фокусное расстояние; F - точка фокуса; I - интенсивность света в фокальной плоскости линзы; φ - угловое положение дифрагированных лучей.
Устройство работает следующим образом.
Как показано на фиг.1, подложка 1 с тонкопленочным слоем 2 должна своей поверхностью со слоем находиться в корпусе. Корпус 3 содержит прозрачное окно 4 и должен быть вакууммирован во избежание давления атмосферного воздуха на тонкопленочную мембрану, возникающую в области отсутствия адгезии над полостью 8 при работе устройства. На фиг.2, 4 и 5 слой 2 показан в нагретом состоянии, что привело к тепловому расширению слоя и выпучиванию его участка в области отсутствия адгезии мембранного слоя к подложке. Световой поток 5 отразится от слоя и подвергнется рассеянию (лучи 6) на выпуклом участке слоя.
В исходном положении (фиг.1) на подложке 1 расположен мембранный тонкопленочный слой 2; смежные поверхности пленки и подложки совпадают, и наружная поверхность пленки повторяет поверхность подложки. На участке 7 размером а адгезия между пленкой и подложкой отсутствует; форма этого участка может быть круглой, квадратной, в виде полосы и т.д. Если на слой падает световой поток, он зеркально отражается, не изменяя своей структуры. На фиг.3 показан вариант устройства, в котором через проводящий слой 2 может быть пропущен электрический ток i с помощью электрических контактов 11. Импульсное нагревание слоя 2 (на фиг.2 и на фиг.4) приводит к тепловому расширению слоя в области, где отсутствует адгезия, и слой «выпучивается» наружу, как показано на фиг.2 и фиг.4, между пленкой и подложкой образуется полость 8. В остальных местах адгезия к подложке не дает слою деформироваться.
Из центра кривизны деформированной области ее края видны под углом β/2 относительно нормали к подложке:
где α - коэффициент термического расширения слоя, ΔT - температура нагревания слоя. Здесь пренебрегается нагреванием подложки и ее термическим расширением.
Радиус кривизны выпуклой области найдем по выражению:
где a - размер области с отсутствием адгезии.
Фокусное расстояние выпуклой области для фиг.4 найдем, как для сферического зеркала:
Параллельный пучок света, падающий на выпуклую область, отражается и подвергается рассеянию под углами γ (в плоскости рисунка) относительно направления падения:
Таким образом, изменяя температуру отражающего слоя, можно изменять рассеяние отраженного света, что позволит с помощью апертурной диафрагмы модулировать интенсивность света.
Нагревание зеркального слоя можно осуществлять или пропусканием электрического тока от специального источника тока, используя электропроводность слоя, как на фиг.3, или облучая слой управляющим оптическим излучением, поглощаемым слоем (фиг.1). Таким излучением может служить и само подвергаемое рассеянию излучение.
На фиг.4 показано функционирование устройства, где на прозрачной подложке 10 размещен зеркальный слой 9, нагреваемый или пропусканием тока, или облучением. Управляемый световой поток направлен снизу, отражается от вогнутости зеркального слоя 9 как от сферического зеркала; при этом свет дважды пересекает полость 8, являющуюся отрицательной линзой, и проходит сквозь подложку. Знаки оптической силы вогнутости и полости здесь противоположны друг другу, и результирующее фокусное расстояние находится из условия разности абсолютных значений оптической силы вогнутости и полости.
Нагревающее тонкую пленку на подложке управляющее оптическое излучение может направляться на структуру как со стороны подложки, так и со стороны пленки.
Рассмотренные варианты устройства работоспособны только в случае импульсного нагревания тонкопленочного слоя, когда подложка не успевает за время импульса существенно нагреться. Роль подложки может выполнять тонкая пленка, что позволит обеспечить работу устройства при локальном нагревании слоя 2 за счет уменьшения расплывания тепла в стороны от места нагревания.
Использование в качестве мембраны слоя, частично поглощающего оптическое излучение, обеспечивает устройству возможность функционирования с оптическим управлением.
Использование в качестве мембраны слоя, изготовленного из проводящего материала, обеспечивает устройству возможность функционирования с электротермическим управлением.
Использование мембранного слоя и подложки с одинаковыми коэффициентами теплового расширения обеспечивает устройству возможность работать в широком температурном диапазоне окружающей среды. При неравенстве этих коэффициентов мембрана может прогибаться и без управляющего электротермического или оптического воздействия.
В п.1 формулы изобретения не указано предпочтительное соотношение между коэффициентами теплового расширения мембранного слоя и подложки, поэтому этому пункту удовлетворяет любое значении этого соотношения, в том числе с большим у мембранного слоя, чем у подложки, коэффициентом термического расширения, что обеспечивает устройству возможность работать, реагируя на изменение температуры окружающей среды, в качестве оптического датчика температуры.
Расположение в пределах оптической апертуры устройства множества участков отсутствия адгезии приводит при нагревании устройства к появлению множества выпуклых участков мембранного тонкопленочного слоя и множества сферических зеркал и микролинз под тонкопленочным слоем (фиг.5). Эти множества могут иметь как неупорядоченный, так и упорядоченный характер. На фиг.5, а показано упорядоченное расположение выпуклостей; структуры слоя расположены на подложке 1. Структура представляет собой фазовую дифракционную решетку. Освещение устройства световым потоком 5 приводит в отраженном свете к появлению в фокальной плоскости положительной линзы Л дифракционной картины, распределение интенсивности в которой условно показано на фиг.5, б в зависимости от угла φ наблюдения дифракции.
-6
-1
а
Проведем количественную оценку оптических эффектов, являющихся результатом функционирования устройства. Максимальная их величина будет наблюдаться при использовании материалов подложки и мембранного слоя с высокими коэффициентами теплового расширения и малой теплопроводностью подложки, последнее необходимо для уменьшения оттока тепла от нагревающейся локальной области (в варианте функционирования с оптическим или электротермическим управлением). Расчеты проделаны для случая использования алюминия в качестве материала зеркального слоя (α=23·10 град) и пластмассы с наполнителем для регулирования коэффициента термического расширения и приведения его в соответствие с подложкой. Кратковременный импульс тепловой энергии разогреет в первом приближении только мембрану, подложка не прогреется. При температуре нагревания мембранного слоя ΔТ=100 К, размере =2 мкм получим: γ≤β=0,235, R=9,1 мкм f=4,55 мкм. Приведенные результаты расчета подтверждают высокую эффективность изобретения как устройства управления световыми потоками.
Изготовление устройства может производиться с использованием материалов и технологий, обычных для оптотехники. Используются полированные подложки; тонкопленочные слои наносят на подложки вакуумным напылением. Участки локального отсутствия адгезии могут получаться с применением фотолитографии: на подложку наносят слой фоторезиста, экспонируют и проявляют так, чтобы образовалось множество сквозных до подложки отверстий, затем обрабатывают полученную структуру известным раствором, обеспечивающим поверхности водоотталкивающие свойства (например, раствором диметилсиликона в тетрахлорэтилене), высушивают, отжигают при температуре 180°С, удаляют фоторезист. Антиадгезионные свойства останутся только на участках отверстий в фоторезисте. Для предотвращения возникновения тангенциальных механических напряжений в мембранном слое этот слой, например, может быть приготовлен отдельно в виде свободной пленки, которую при сборке устройства укладывают на поверхность подложки с уже имеющимися на ней антиадгезионными участками и закрепляют термообработкой.
Изобретение найдет применение в оптотехнике в качестве управляемого фокусирующего устройства, например, в качестве управляемой дифракционной решетки; как световой клапан, управляемый оптическим излучением или электрическим током; как нелинейный оптический элемент, оптические параметры которого зависят от интенсивности оптического излучения, и др.
Источники информации
1. А.Рогальский. Инфракрасные детекторы: Пер.с англ. / Под ред. А.В.Войцеховского. - Новосибирск: Наука, 2003.
2. Х.С.Натансон, Я.Гольдберг. Применение тонких пленок с топологической структурой в полупроводниковых устройствах. В кн. «Физика тонких пленок». Т.7. М.: Мир, 1978.