ДИФРАКЦИОННАЯ СТРУКТУРА

Настоящее изобретение относится к оптической и спектральной технике, а более конкретно к дифракционным структурам, применяемым в качестве оптических элементов, например, дифракционных отражательных элементов с селективными свойствами.
Селективность дифракционного отражательного элемента, или резкость зависимости коэффициента отражения от угла падения α, угла наблюдения γ и длины волны падающего излучения λ можно охарактеризовать тремя величинами:
λ
F=Δλ/Δγ = [нм/рад] - резкость спектра рефлекса по углу наблюдения γ,
α
F=(Δλ/Δα)·1/λ - относительное изменение длины волны рефлекса по углу падении света α,
I
-1
F=1/Δγ [рад] - относительное изменение (резкость изменения) интенсивности рефлекса по углу наблюдения γ.
5
-1
-1
Для ряда применений необходимы высокие значения резкости спектра по углу наблюдения - более 10 нм/рад, относительного изменения интенсивности рефлекса по углу наблюдения - более 10 рад, относительного изменения длины волны рефлекса по углу падении света - более 0,1 рад).
Наиболее близким аналогом предлагаемой является двумерная дифракционная структура [Патент РФ №2162240, опубл. 20.01.2001], содержащая плоскую подложку и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему выступов в виде четырехугольных пирамид, длина основания каждой из которых лежит в пределах от 1 до 100 мкм; на гранях пирамид создан дополнительно ряд граней с высотой 0,1÷0,5 мкм, образующих дифракционную решетку для света широкого диапазона длин волн, включая свет ультрафиолетового (УФ) и видимого диапазона.
Недостаток известной двумерной дифракционной структуры обусловлен слабой зависимостью ее коэффициента отражения от угла падения и длины волны падающего излучения.
В полезной модели достигается технический результат создания дифракционной структуры с резкой зависимостью коэффициента отражения от угла падения и длины волны падающего излучения.
Указанный технический результат достигается тем, что в дифракционной структуре для коротковолнового (ультрафиолетового и видимого) рабочего спектрального диапазона длин волн, содержащей плоскую подложку и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему выступов, каждый из упомянутых выступов представляет собой остроконечный конус, высота которого не превышает длины волны коротковолновой границы упомянутого спектрального диапазона, а расстояние между выступами удовлетворяет условию
d 2h·tg(ψ/2), где
d - расстояние между выступами,
h - высота выступов,
ψ - угол при вершинах конусов.
Указанный технический результат достигается также тем, что в дифракционной структуре подложка выполнена из углеродно-кремниевого материала, полученного осаждением из плазмы, паров деструктированного полифенилметилсилоксана, с аморфной структурой.
Указанный технический результат достигается также тем, что в дифракционной структуре выступы выполнены из углеродно-кремниевого материала, полученного осаждением из плазмы паров деструктированного полифенилметилсилоксана, с нанокристаллической структурой.
Сущность полезной модели поясняется Фиг.1, 2.
На Фиг.1 приведена схематически в разрезе дифракционная структура, где: 1-подложка, 2 - конус, d - расстояние между выступами, h - высота выступа, ψ - угол при вершине конуса.
На Фиг.2 показана дифракционная структура, вид сверху, где: 1 - подложка, 2 - конус, d - расстояние между выступами.
max
max
max
max
Предлагаемая двумерная дифракционная структура содержит плоскую подложку 1, и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему конусообразных выступов 2 высотой h<λ (λ - длина волны падающего света) и углом при вершине конуса (апексным углом) ψ. Выступы расположены на расстоянии друг от друга d≥2·h·tg(ψ/2) вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов, в результате чего на поверхности подложки образована решетка M×N из выступов (M, N - количество выступов в строке и столбце, соответственно).
Предлагаемая двумерная дифракционная структура работает следующим образом.
opt
Падающая на структуру под углом α к нормали плоская световая волна претерпевает дифракцию на элементах дифракционного отражателя, отражаясь преимущественно в направлении по углу θ=π-ψ-α относительно нормали. При наблюдении отраженного света в дальнем поле под углом θ к нормали и углом γ относительно направления строки решетки
γ=arctg(N/M),
2
2
1/2
2
2
1/2
орt
max
max
opt
min
max
max
max
max
mах
где N, М - числа, характеризующие элементарную ячейку решетки в данном направлении (на Фиг.2 показан случай N=2, М=1), возникает рефлекс на длине волны λ=d·(N+М) sin(θ). Когда θ=θ, длина волны составляет λ=d·(N+М) sin(ψ+α). В частности, при нормальном падении света (α=0) на квадратную решетку (М=N≫1) в угле θ наблюдается рефлекс на минимальной длине волны λ=d·sin(ψ) при условии N=1, М=0 или N=0, М=1 (при γ=0, γ=π/2, т.е. в направлении строк или столбцов), причем этот рефлекс проявляется резко, т.к. при повороте угла γ на величину Δγ следующие рефлексы наблюдаются при γ≈±2/М, γ≈π/2±2/М, на максимальной длине волны λ≈d·(M/2)·sin(ψ) и имеют низкую интенсивность (приблизительно в М/3 меньшей, чем при γ=0, γ=π/2).
Пример процесса изготовления предлагаемой дифракционной структуры.
-2
На поверхность кремниевой пластины методом химического осаждения из высокочастотной плазмы паров полифенилметилсилоксана (ПФМС) осаждается слой аморфного углеродно-кремниевого материала толщиной 100 нм. Давление паров составляет 5×10 Па, ток разряда плазмы - 6А, скорость роста слоя - 70 нм/мин. Изготовленная таким образом подложка помещается в сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) - литограф. К поверхности подложки подводится зонд - проводящая игла кантилевера (материал кантилевера - кремний, проводящее покрытие иглы - платина) и осуществляется механический контакт зонда с подложкой. Между подложкой и заземленным зондом в заданной точке поверхности подложки подаются импульсы положительного электрического напряжения амплитудой 10 В и длительностью 1с. В результате локального электрического воздействия на поверхности подложки происходит фазовое превращение материала подложки из аморфного в нанокристаллическое состояние и формируется конус высотой 55 нм и углом при вершине (апексным углом) 120° (2π/3 рад). Процесс повторяется на поверхности подложки с заданным шагом по осям Х и Y так, что образуются ряды и строки из конусов, то есть матрица конусов.
Ниже приведен конкретный пример выполнения предлагаемой двумерной дифракционной структуры.
орt
λ
I
α
5
-1
-1
Пример 1. Решетка выполнена с шагом d=200 нм, h=55 нм, апексный угол конуса ψ=2π/3, количество конусов 100×100. Для выделения рефлексов в УФ - диапазоне длин волн (170 нм ≤ λ ≤ 400 нм) световой поток направляется нормально к поверхности решетки (α=0). Наблюдение отраженного света осуществляется под углом θ=π/3. УФ - рефлексы наблюдаются при углах γ=0 (λ=173,2 нм); γ=π/4 (λ=244,9 нм). Резкость спектра рефлекса по углу наблюдения γ составляет F=4,33×l0 нм/рад, относительная резкость изменения интенсивности рефлекса по углу наблюдения γ F=50 рад, относительное изменение длины волны рефлекса по углу падении света α F=0,58 рад.
Предлагаемая дифракционная структура обеспечивает селективное отражение падающего света в УФ и видимом диапазоне длин волн. Она может быть использована как датчик угла поворота.