Определение оптических характеристик поверхностных слоев элементов оптотехники для их оптических соединений

Представленная модель является основой для внедрения метода подавления перекрестных помех во время детектирования внешнего воздействия в информационно-измерительном волоконно-оптическом приборе. Представленная схема волоконно-оптического измерительного прибора на основе массива волоконных брэгговских решеток может быть применена для создания волоконно-оптических акустических сенсоров, акселерометров, виброметров и т.д.

Литература

1. Бутусов М.М., Тарасюк Ю.Ф., Урванцева Н.Л. Гидроакустические антенны на волоконных световодах // Зарубежная радиоэлектроника. - 1985. - № 5. - С. 38-58.

2. Варжель С.В., Куликов А.В., Асеев В.А., Брунов В.С., Калько В.Г., Артеев В.А. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. - № 5 (75). - С. 27-30.

3. Варжель С.В., Куликов А.В., Захаров В.В., Асеев В.А. Одноимпульсная запись и визуализация волоконных решеток Брэгга типа II // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 5 (81). - С. 25-28.

4. LU Yang, MENG Zhou. Methods of reducing TDM crosstalk in an inline FBG based Fabry-Perot sensor // Proc. of SPIE. - 2011. - V. 8194. - Р. 81942U-10.

5. Chan C.C., Gao Y.J., Lau K.T., Ho H.L., Zhou L.M., Jin W. Characterization of crosstalk of a TDM FBG sensor array using a laser source // Optics and laser technology. - 2001. - V. 33. - № 5. - P. 299-304.

6. Kersey A.D., Dorsey K.L., Dandridge A. Cross talk in a fiber-optic Fabry-Perot sensor array with ring reflectors // Journal of Optics letters. - 1989. - V. 14. - № 1. - P. 93-95.

7. Ole Henrik Waagaard. Method and apparatus for reducing crosstalk interference in an inline fabry-peort sensor array. - U.S. Patent 7113,287 B2, Sep. 26, 2006.

8. Ole Henrik Waagaard, Erlend Ronnekleiv. Reduction of crosstalk in inline sensor arrays using inverse scattering // Proc. SPIE. - 2008. - V. 7004. - P. 7004-288.

9. Куликов А.В., Артеев В.А., Мешковский И.К., Стригалев В.Е. Метод повышений чувствительности волоконно-оптического гидрофона // Оптический журнал. - 2011. - Т. 78. - № 3. - С. 84-87.

10. Артеев В.А., Варжель С.В., Куликов А.В., Распределенный волоконно-оптический датчик акустического давления на брэгговских решетках // Сборник трудов VII международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011». - СПб: НИУ ИТМО, 2011. - С. 509-510.

Исламова Эльмира Финатовна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, студент, islamola@yandex.ru

Куликов Андрей Владимирович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, зав. лабораторией, a.kulikov86@gmail.com Плотников Михаил Юрьевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, аспирант, plotnikov-michael@yandex.ru

УДК 535.51

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОТЕХНИКИ ДЛЯ ИХ ОПТИЧЕСКИХ

СОЕДИНЕНИЙ А.Н. Горляк, А.Г. Новак, В.М. Солонуха, И. А. Храмцовский

Представлены результаты эллипсометрических исследований оптических характеристик поверхностных слоев элементов оптотехники, выполненных из натриевосиликатного стекла К8 при различной технологической обработке. Показано, что равенство средних значений толщины и показателя преломления поверхностных слоев, определяемых для неоднородной и однородной моделей отражающей системы в процессе полирования детали, является критерием качества полированной поверхности элементов оптотехники для их оптических соединений. Проведено сопоставление оптических характеристик поверхностных слоев деталей, обработка которых проводилась методами обычного шлифования и полирования, глубокого шлифования и полирования и с использованием магнитореологической суспензии. В последнем случае можно получить поверхность детали с малыми значениями толщины поверхностных слоев и отклонения показателя преломления поверхностных слоев от объемного значения, малой среднеквадратиче-ской величиной высоты шероховатой поверхности. Ключевые слова: эллипсометрия, поверхностный слой, оптотехника.

Введение

Важным моментом при создании и усовершенствовании оптико-электронных приборов различного функционального назначения, в частности, эндоскопов технического и медицинского назначения, где

используются оптические системы с градиентными и волоконно-оптическими элементами, является крепление оптических деталей. Это связано с тем, что качество изображения, передаваемое оптической системой, существенно зависит от способа соединений элементов в оптических узлах прибора [1-3]. В оптическом приборостроении применяют, в основном, два вида соединений деталей оптотехники - разъемные и неразъемные. Последние, в свою очередь, подразделяют на клеевые и бесклеевые (оптический контакт (ОК) и глубокий оптический контакт (ГОК)).

Клеевой метод по сравнению с разъемным методом соединений деталей обладает рядом преимуществ, так как отпадает необходимость в крепежных деталях, что уменьшает вес и габариты конструкции оптических узлов прибора. Клеевой шов более равномерно распределяет напряжения, возникающие вследствие температурных и механических воздействий. Клей препятствует проворачиванию деталей, снижается трудоемкость и, следовательно, стоимость сборки оптических узлов. Однако для ряда изделий медицинской и биологической оптотехники недопустимо присутствие адгезионных (клеевых) слоев. В таких случаях применение бесклеевых соединений становится актуальным и технически необходимым.

Применение оптических соединений элементов оптотехники методом ОК и ГОК заранее предполагает использование нетрадиционных способов технологической обработки поверхности деталей, при которой образуется поверхностный слой (ПС) с малой толщиной слоя й* (до 1-2 мкм) и показателем преломления п*, близким к показателю преломления в объеме материала п0 оптической детали. Кроме того, особые технические требования предъявляются к характеристикам шероховатой поверхности соединяемых оптических элементов оптотехники. В частности, практика технической реализации показывает, что средне-квадратическая высота шероховатой поверхности (с) не должна превышать 0,01 мкм [1-4].

Совокупность оптических и геометрических параметров ПС и шероховатости (показатель преломления п* и толщина й* ПС, среднеквадратическая высота шероховатой поверхности с и параметры Яг, Яа), определяемых методом эллипсометрии [4], может служить обобщенным критерием качества обработки поверхностей элементов.

Цель настоящей работы состояла в исследовании физико-технических характеристик поверхностного слоя и шероховатости элементов оптотехники при различной технологической обработке и их оптических соединений, в усовершенствовании методов эллипсометрического контроля.

Технология подготовки соединяемых поверхностей элементов оптотехники

В качестве объекта исследований использовались элементы оптотехники, изготовленные из на-триевосиликатного стекла К8, полирование которых проводилось по стандартному методу обычного шлифования и полирования (ОШП) и глубокому шлифованию и полирования детали (ГШП) на глубину съема материала до к ~ 25 мкм при нагрузке 100 кПа.

В последнее время для получения высокого класса чистоты полированной поверхности детали (класс РШ) применяют суспензии со структурно-обратимыми магниточувствительными жидкостями (магнитореологические суспензии или феррожидкости). Обработка изделий в этом случае производится на установках типа «Полимаг» (разработка НП РУП «Оптическое станкостроение и вакуумная техника», г. Минск). Под действием магнитного поля механические свойства магнитореологических суспензий (вязкость, упругость, пластичность) изменяются на несколько порядков, а композиции, состоящие из магниточувствительной жидкости и абразивных зерен, в магнитном поле приобретают свойства традиционного полировальника.

Феррожидкость - среда, которая, будучи помещенной в неоднородное магнитное поле, притягивается к более сильной его стороне, выталкивая при этом абразивные частицы к поверхности детали. При этом более мелкие фракции полирующего порошка будут находиться ближе к поверхности детали. Изменяя величину и длительность электрического сигнала, подаваемого на магнитную систему установки, можно изменять интенсивность съема нарушенного слоя, обновлять абразивную композицию и управлять процессом полирования. Отличительная особенность полирования детали с использованием магни-точувствительных сред состоит в том, что в данном случае съем нарушенного слоя происходит практически без притира, т.е. за счет механохимического процесса взаимодействия суспензии с поверхностью стекла. В качестве феррожидкости использовался водный раствор карбольного железа.

Для получения оптических бесклеевых соединений элементов оптотехники необходимо иметь в приповерхностной области ультрамикропористую структуру кремнезема, которую можно получить не только жидкостным химическим травлением силикатного стекла, но и при ионно-химической обработке поверхности элементов оптотехники в атмосфере СБ3С1 или при распылении нарушенного ПС полированного стекла К8 пучком ионов Аг+. Обработка поверхности оптических элементов проводилась при различной энергии ионного пучка и различной величине съема материала.

Эллипсометрическая методика определения эффективных значений показателя преломления п* и толщины й* неоднородного ПС, а также параметров шероховатой поверхности (среднеквадратическая высота с, параметры Яг, Яа) оптических элементов изложена в [4]. Под эффективной толщиной ПС й* понимается глубина нарушенного слоя, в которой изменение показателя преломления п(г) по глубине слоя г

существенно отличается от значения показателя преломления в объеме материала п0 = 1,51466, а за пределами этой области можно считать оптическую среду квазиоднородной со структурными свойствами, близкими к свойствам объема материала. Под эффективным показателем преломления ПС п* понимается сред-неинтегральное значение показателя преломления п(г) в пределах эффективной толщины слоя ё*.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

Полирование оптических деталей по стандартной технологии приводит к образованию поверхностного слоя со свойствами, отличными от свойств стекла К8, при этом наблюдается зависимость эффективных значений показателя преломления п* и толщины ё* ПС от глубины съема материала (рис. 1). Отметим, что здесь под эффективной толщиной ПС понимается суммарная толщина микрорельефного и лежащего под ним поверхностного слоя [4].

Из представленных данных следует, что эффективная толщина ё* ПС, полученная методом физико-математического моделирования структуры ПС и рассчитанная по модели неоднородного слоя (кривая 1), значительно больше толщины, рассчитанной по модели однородного слоя (кривая 2). Это различие наблюдается особенно на начальном этапе полирования, где существенное влияние на поляризационные характеристики отраженного светового пучка оказывает рассеяние света на трещиноватом слое, образованном на стадии шлифования. По мере удаления трещиноватого слоя это различие уменьшается, и при съеме материала к ~ 24 мкм эллипсометрический анализ дает практически одинаковый результат: по модели изотропного однородного и неоднородного ПС оптические характеристики имеют одно и то же значение (точка «а»). По этой причине величину съема материала к ~ 24 мкм можно принять в качестве оценки глубины трещиноватого слоя, а значение ё* - в качестве истинной толщины структурных нарушений в ПС на завершающей стадии полирования стекла К8, т.е. ПС, образованного при полировании оптической детали.

В таблице представлен сопоставительный анализ результатов эллипсометрических исследований ПС элементов оптотехники, полученных при различной технологической обработке. Видно, что применение способа полирования деталей со структурно-обратимыми магниточувствительными жидкостями (карбольное железо) позволяет получить шероховатость поверхности оптического элемента с малыми значениями среднеквадратической высоты с и параметров Вл, Яа при малой толщине ПС ё* и показателем преломления п*, близким к показателю преломления в объеме материала по.

ё*, МКМ :

2, 4

0,32 !

0,24

0,16

0,08

1,56 1,54 1,52

1,50

1

3

0 5 10 15 20 25 к, мкм

Рис. 1. Изменение эффективных параметров ПС п* и С* от глубины съема материала Л при полировании стекла К8 полиритом. Модель неоднородного слоя: 1 - С*, 2 - п*; модель однородного слоя: 3 - сС*, 4 - п*

Способ полирования Параметры ПС и шероховатой поверхности оптического элемента

с, нм Я2, нм Яа, нм п* ё*, мкм

Обычное шлифование и полирование 7,8 31,0 6,2 1,5290 3,2

Глубокое шлифование и полирование 2,6 10,4 2,1 1,5306 0,41

Полирование в магнито-реологической суспензии 1,5 6,0 1,2 1,5254 0,072

Таблица. Оптические свойства поверхностного слоя стекла К8

На рис. 2 показано изменение оптического профиля ПС полированного натриевосиликатного стекла К8 при ионной обработке. При ионной обработке стекла К8 образование в ПС области с показателем преломления п(г) < п0 можно связать с селективным распылением атомов в химических соединениях 8Юх(ОИ)>, и щелочных катионов в 8Ю--Ме+ост, имеющих различную поверхностную энергию связи с кремнекислородным каркасом стекла.

Если в последнем случае микропористая структура ПС образуется за счет преимущественного физического распыления из приповерхностной области более легких по атомной массе компонентов на-триевосиликатного стекла, то при ионно-химической обработке при соударении ионов с поверхностью детали происходит ее активизация с последующим химическим взаимодействием ионов плазмы с атомами ПС и образованием летучих соединений, удаляемых с поверхности элемента.

п

п

1,54

1,50

1,46

1,42

1,523

п0=1,51466

0,1

2, мкм а

1,454

1,450

0,8 1,0 2, мкм б

1,4

Рис. 2. Оптический профиль поверхностного слоя стекла К8 после ионно-плазменной обработки (а): энергия пучка ионов Аг+: 1 - Еа=0; 2 - Едг =0,25 кэВ; 3 - Елг=1,5 кэВ; 4 - Едг=2,5 кэВ и после ионно-химической обработки (б) при энергии пучка Е=1 кэВ: кривая 1 - съем Л=0,24 мкм; кривая 2 - съем Л=1 мкм; при энергии пучка Е=2 кэВ: кривая 3 - съем Л=0,24 мкм

При ионной и ионно-химической обработке формируется двухслойная структура ПС: в приповерхностной области образуется слой с показателем преломления п(г) < п0, а в глубине ПС формируется область с показателем преломления п(г) > п0. По этой причине в зоне контакта оптического соединения двух элементов образуется многослойная неоднородная структура (рис. 3).

п

п

1,515 1,510 1,505

1,505

п*ОК=1,4024

й*ок~130 нм

I 1 ' I 1

0,3 0,2 0,1

0 -0,1 -0,2 -0,3 2, мкм

Рис. 3. Изменение показателя преломления п(г) в оптическом соединении деталей 1 и 2

Для оптической системы «поверхностный слой элемента 1 (ПС1)-зона оптического контакта (ЗОК)-поверхностный слой элемента 2 (ПС2)» вводятся эффективный показатель преломления п*ОК и толщина слоя й*ОК неоднородной оптической системы (рис. 3). Физический смысл этих параметров состоит в том, что модель однородного слоя с параметрами п*ОК и й*ОК и оптическое соединение деталей (ОС) по своим поляризационно-оптическим свойствам эквивалентны.

ОПТОТЕХНИКА АПЛАНАТИЧЕСКОГО МЕНИСКА

Детальный анализ поляризационно-оптических свойств (ОС) показывает, что полученные значения параметров - показатель преломления п*ок = 1,4024 и толщина d*0K = 130 нм - дают информацию не только о ЗОК с толщиной d30K = 3-6 нм и показателем преломления п0К ~ 1,40-1,43, значения которых согласуются с данными, полученными в [1], но и о сильно градиентной области ПС элементов, прилегающей к зоне непосредственного ОК поверхностей деталей 1 и 2 (рис. 3).

Таким образом, полученные характеристики ОС п*0К и d*0K могут служить в качестве «обобщенных оптических характеристик» бесклеевых оптических соединений деталей, по которым можно судить о качестве изготовления оптического узла многоэлементной системы.

Заключение

По результатам проведенных эллипсометрических исследований оптических характеристик поверхностных слоев элементов оптотехники и их оптических соединений можно сделать следующие выводы.

1. Применение магнитореологических суспензий при полировании оптических деталей позволяет получить поверхностный слой с малой толщиной и показателем преломления, близким к показателю преломления в объеме материала. При этом среднеквадратическая высота шероховатости мала и не превышает 1,5 нм.

2. Введение эффективных оптических характеристик для зоны оптического контакта позволяет учесть влияние поверхностных слоев соединяемых деталей и оптического узла в целом.

Литература

1. Абаев М.И., Лисицын Ю.В., Путилин Э.С. Исследование зоны оптического контакта стеклянных поверхностей методом эллипсометрии // Письма в ЖТФ. - 1984. - T. 4. - Вып. 24. - С. 1505-1507.

2. Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А., Землянский В.С., Лисицын В.С., Секарин К.Г. Эллипсометрия оптических соединений элементов оптоэлектроники // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. - Т. 51. -№ 10. - С. 59-67.

3. Демидов И.В., Лисицын Ю.В., Храмцовский И.А., Шеломова О.А. Особенности применения метода Фурье-спектроэллипсометрии в технологическом в контроле клеевых соединений оптических элементов автоклавируемых трубок // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2002. - № 1 (5). - С. 148-152.

4. Новиков А.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А. Оптические свойства шероховатой поверхности элементов оптоэлектроники // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2004. - № 4 (15). - С. 73-80.

Горляк Андрей Николаевич - Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)», Центр микротехнологии и диагностики, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ellipsomettry @ mail.ru

Новак Алексей Григорьевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет инфор-

мационных технологий, механики и оптики, аспирант, novakalexg@mail.ru Солонуха Владимир Михайлович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, vsolonukha@yandex.ru

Храмцовский Игорь Анатольевич - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, вед. инженер, ellipsomettry @ mail.ru

УДК 535.317

ОПТОТЕХНИКА АПЛАНАТИЧЕСКОГО МЕНИСКА А.В. Гапеева, А.С. Ковалева, Т.В. Точилина

Показано, что сферические поверхности, формирующие стигматическое изображение осевой точки предмета, являются частным случаем поверхностей, полученных вращением картезианского овала; поверхности первого и второго вида формируют апланатическое изображение предмета. Показано, что астигматизм изображения не зависит от толщины апланатического мениска. Однако с увеличением толщины мениска уменьшается пецвалева кривизна поверхности изображения, что приводит к уменьшению продольных меридиональной и сагиттальной составляющих астигматизма. Показано, что при высокой числовой апертуре коэффициент пропускания падающих пучков света аплана-тической поверхностью первого вида резко падает, при этом растет коэффициент поляризации света. Ключевые слова: апланатические точки, мениск, астигматизм, коэффициент пропускания, поляризация.

Введение

Преломляющая поверхность, формирующая безаберрационное изображение осевой точки, определяется уравнением [1]:

п2

,2 2 п - п

(р2 + Z2)-(п'2s0 -п2s0 jz = nn'(n's'0 -ns0) (ns'0 -n's0)(р2 + z2 j + 2(n'-n)s0s0