ВЫСОКОАПЕРТУРНЫЙ ОБЪЕКТИВ ДЛЯ ФОКУСИРОВКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Настоящее техническое решение относится к области оптического приборостроения и может найти применение как высокоапертурный объектив для фокусировки оптического (лазерного) излучения в устройствах оптической записи информации, лазерных технологических установках, лазерных литографах, конфокальных микроскопах, оптических контрольно-измерительных системах и т.п.
Известно техническое решение - зеркальный высокоапертурный объектив, - содержащий зеркальную асферическую поверхность и линзовую систему (Патент США №7643226. Maximal-aperture reflecting objective, Опубл. 5.01.2010).
Недостатком известного технического решения является сложность конструкции и юстировки, обусловленная применением асферической зеркальной поверхности и линзовой системы, а также большие потери света.
Известно также техническое решение - высокоапертурный объектив с увеличенным рабочим отрезком, - состоящий из установленных вдоль оптической оси вогнутого зеркала с центральным отверстием и выпуклого зеркала (см. информационный материал фирмы Corning: «Tropel µСАТ UV Micro-Objectives», https://www.corning.com/media/worldwide/csm/documents/Tropel%20MicroCAT%20UV%20Micro-obiectives_011613%20B.pdf.pdf).
Недостатком данного технического решения является большие потери света из-за наличия центрального отверстия, сложность конструкции и юстировки, ограниченная числовая апертура, обусловленная наличием выпуклого зеркала между плоскостью фокусировки и выходным вогнутым зеркалом.
Наиболее близким к предложенному техническому решению и выбранному в качестве прототипа, является зеркальный высокоапертурный объектив, содержащий сферическое зеркало с центральным отверстием, а также ряд оптически связанных вогнутых и выпуклых сферических зеркал (Патент РФ №2296353. «Зеркальный объектив», опубл. 27.03.2007).
Известный зеркальный объектив имеет ряд недостатков: большие потери световой энергии из-за наличия центрального экранирования, сложность конструкции, обусловленная наличием нескольких оптически связанных зеркал, сложность юстировки, обусловленная необходимостью центровки всех зеркал относительно оптической оси и относительно друг друга с высокой точностью, а также ограниченная числовая апертура, обусловленная наличием выпуклого зеркала между плоскостью фокусировки и выходным вогнутым зеркалом.
Авторами была поставлена задача по разработке высокоапертурного объектива, предназначенного для фокусировки оптического излучения и свободного от указанных недостатков.
Решение указанной задачи состоит в том, что в высокоапертурном объективе для фокусировки оптического излучения, включающем в себя сферическое зеркало с центральным отверстием, перед сферическим зеркалом, по ходу лучей, дополнительно введена оптическая пластина, на одной стороне которой выполнена дифракционная структура обеспечивающая фокусировку оптического излучения в пределах узкой радиальной области сферического зеркала, причем центры дифракционной структуры и сферического зеркала лежат на одной оси, а центр кривизны сферического зеркала расположен между дифракционной структурой и сферическим зеркалом. Кроме того, сферическое зеркало выполнено в виде сквозного отверстия с вогнуто-сферической внутренней поверхностью в пластине из оптического материала, одна сторона которой матовая, а вторая сторона, направленная к дифракционной структуре, - полированная.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширения арсенала средств данного назначения. Кроме того, достигается упрощение конструкции и юстировки, увеличение числовой апертуры и увеличение коэффициента использования световой энергии (при отсутствии входного центрального экранирования и наличии выходного центрального экранирования).
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено меридиональное сечение оптической схемы высокоапертурного объектива с трассировкой хода световых лучей, где 1 - оптическая пластина, 2 - дифракционная структура, 3 - промежуточное фокальное кольцо, 4 - сферическое зеркало, 5 - пластина из оптического материала, 6 - матовая сторона пластины из оптического материала, 7 - полированная сторона пластины из оптического материала, 8 - плоскость фокусировки, 9 - оптическое излучение интерферометра, 10 - оптическое излучение, отраженное от оптической пластины 1, 11 - оптическое излучение, отраженное от пластины из оптического материала 5.
На фиг. 2 приведен пример интерферограммы при юстировке высокооапертурного объектива посредством интерферометра.
Предлагаемый высокоапертурный объектив работает следующим образом (Фиг. 1). Оптическое излучение от источника света (например, лазера) поступает к оптической пластине 1, на одной из сторон которой расположена дифракционная структура 2, выполненная, например, в виде тонкослойного поверхностного рельефа. Дифракционная структура изготавливается, например, методом фотолитографии и ионным травлением оптической пластины 1 (см., например: «Дифракционная компьютерная оптика». Под редакцией В.А. Сойфера, «ФИЗМАТЛИТ», 2007 г. ).
Для обеспечения высокой дифракционной эффективности рельеф выполнен с пилообразной формой и глубиной
0
0
где m=1, 2, 3 … - рабочий порядок дифракции, λ - рабочая длина волны и n - коэффициент преломления оптической пластины. Например, при m=1, λ=266 нм и n=1.46, глубина рельефа составит h=580 нм.
Если оптическое излучение от источника света имеет плоский волновой фронт, то оптическая пластина может быть выполнена, известными методами, как плоскопараллельной, так и клиновой, с углом от 0.25 до 2 градусов. Если оптическое излучение от источника света имеет сферический волновой фронт, то оптическая пластина должна быть выполнена плоскопараллельной.
Оптическое излучение от источника света отклоняется дифракционной структурой 2 от оптической оси Z, формируя на расстоянии D промежуточное фокальное кольцо 3 (показано - штриховой линией), и далее поступает на сферическое зеркало 4 с радиусом кривизны R и центром О, лежащим на оптической оси Z. При указанном ходе светового излучения, обеспечивается высокоэффективное перераспределение энергии входного излучения и концентрация излучения в пределах узкой радиальной области сферического зеркала 4, центр кривизны которого расположен между дифракционной структурой 2 и самим сферическим зеркалом 4.
Сферическое зеркало 4 имеет сквозное отверстие и выполнено на вогнуто-сферической внутренней поверхности пластины 5 из оптического материала, одна сторона 6 которой - матовая, а вторая сторона 7, направленная к дифракционной структуре 2, - полированная.
Пластина 5 из оптического материала может быть выполнена из плавленого кварца, ситалла или другого материала с малой величиной температурного коэффициента линейного расширения. Поверхность сферического зеркала 4 покрыта высоко отражающим покрытием, например, металлическим, диэлектрическим или их комбинацией.
Поступившее на сферическое зеркало оптическое излучение испытывает отражение и фокусируется в точке O1, лежащей в плоскости фокусировки 8 на оптической оси Z.
Дифракционная структура 2 рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить либо стигматическую фокусировку сферическим зеркалом 4 в точке O1 (в рамках геометрической оптики, все лучи пересекаются в точке-каустики одного фокуса O1) либо астигматическую фокусировку с формированием, например, каустики лучей в виде аксиального отрезка (в рамках геометрической оптики, лучи пересекаются в различных фокусных точках, в небольшой окрестности центральной точки O1). Во втором случае, возможна реализация так называемой аксиконной фокусировки, с формированием пространственно-ограниченных бесселе-подобных световых пучков и с реализацией краевой коррекции хода световых лучей, уменьшающей осцилляции осевой интенсивности света в области фокусировки (см., A.G. Sedukhin, Beam-preshaping axicon focusing, J. Opt. Soc. Am. A, 1998, vol. 15, No. 12, pp. 3057-3066; A.G. Sedukhin, Marginal phase correction of truncated Bessel beams, J. Opt. Soc. Am. A, 2000, vol. 17, No. 6, pp. 1059-1066).
1
Диаметр центрального фокального пятна при фокусировке обычным объективом с полной апертурой (диаметр 2r) определяется первым нулем функции Бесселя первого порядка (см. Хонина С.Н., Устинов А.В. Уменьшение размера фокального пятна при радиальной поляризации с помощью бинарного кольцевого элемента // Компьютерная оптика, 2012, 36, №2, стр. 219-226, http://www.computeroptics.smr.ru/KO/PDF/KQ36-2/11.pdf):
где NA - числовая апертура, определяемая формулой
c
где n - коэффициент преломления среды в которой производится фокусировка, а α - половинный апертурный угол сведения светового пучка (см. Фиг. 1).
2
1
В предлагаемом техническом решении используется кольцевая апертурная функция. Поступающее на вход высокоапертурного объектива оптическое излучение с помощью дифракционной структуры 2 без существенных потерь энергии концентрируется в пределах узкой радиальной области (r-r), сферического зеркала 4 и затем, после отражения, фокусируется в фокальное пятно в плоскости 8. Диаметр центрального фокального пятна будет определяться первым нулем функции Бесселя нулевого порядка:
Как видно из сравнения выражений (2) и (4), кольцевая апертурная функция позволяет уменьшить размер фокального пятна в 1,6 раза.
Числовая апертура предлагаемого высокоапертурного объектива (Фиг. 1) находится из геометрии схемы хода лучей по формуле:
где r1 - радиус выходной апертуры сферического зеркала, a WD - свободный рабочий отрезок.
Пример 1.
0
c
KA
KA
При фокусировке оптического излучения с длиной волны λ=266 нм в воздухе (n=1) сферическим зеркалом с R=14 мм, r1=9 мм, WD=2 мм, числовая апертура высокоапертурного объектива будет равна NA=0.97, а размер центрального фокального пятна (по уровню интенсивности ноль) из формулы (4) будет D ~ 0.2 мкм. При использовании термохимического метода лазерной записи микро и наноструктур, процесс записи является нелинейным и запись осуществляется на уровне 0.8-0.9 от максимума интенсивности в центре центрального фокального пятна (см., В.П. Вейко, В.П. Корольков, А.Г. Полещук и др., Исследование пространственного разрешения лазерной термохимической технологии записи // Квантовая Электроника, 2011, 41, №7, с. 631-636). При этом ширина W записываемого трека будет в 2-3 раза меньше размера D центрального фокального пятна:
Таким образом, использование предлагаемого высокоапертурного объектива при термохимическом методе записи обеспечивает запись микроструктур с нанометровым разрешением.
Для обеспечения острой фокусировки оптического излучения в центральное фокальное пятно субмикронного размера необходимо обеспечить точную юстировку поверхности оптической пластины 1, содержащей дифракционную структуру 2 относительно входного оптического излучения и сферического зеркала 4. Для этого, поверхность 7 пластины 5 из оптического материала выполнена полированной. При юстировке, например, с помощью интерферометра, его оптическое излучение 9 частично отражается от поверхности оптической пластины 1, которая свободна от дифракционной структуры 2. Это оптическое излучение 10 поступает назад в интерферометр. Прошедшая оптическую пластину 1 часть оптического излучения отражается от поверхности 7 пластины 5 из оптического материала, в которой выполнено сферическое зеркало 4. Это оптическое излучение 11 также поступает назад, в интерферометр, и интерферирует с оптическим излучением 10. Пример такой интерференционной картины приведен на Фиг. 2. Угол наклона β оптической пластины 1 относительно пластины 5 из оптического материала (погрешность юстировки) вычисляется по формуле:
и
где λ - длина волны оптического излучения интерферометра, Т - наблюдаемый период интерференционных полос.
Пример 2.
и
В примере, приведенном на Фиг. 2, период интерференционных полос Т ~ 1 мм. Из этого следует, что при λ=633 нм, угол наклона составляет β~4 угл. мин. Для корректной работы предлагаемого высокоапертурного объектива необходимо обеспечить угол наклона β<5 угл. сек. Это достаточно просто обеспечивается при настройке на «бесконечную» полосу.
На оптической пластине 1, вне дифракционной структуры 2, при необходимости, могут быть нанесены вспомогательные дифракционные структуры, например, дифракционные линзы с фокусным расстоянием, равным расстоянию D1 между оптической пластиной 1 и пластиной 5 из оптического материала. В этом случае при юстировке, например, с помощью интерферометра, интерферограммы с малым числом полос будут регистрироваться только при точной установке расстояния D1 между оптической пластиной 1 и пластиной 5 из оптического материала.
Преимуществами предложенного технического решения являются:
- выполнение высокоапертурного объектива с зеркалом, имеющую сферическую форму поверхности, делает его высокотехнологичным и дает возможность изготовления высококачественной сферической поверхности, способной работать в УФ- и ГУФ-областях спектра;
- использование эффекта отражения от сферического зеркала позволяет снизить требования на качество полировки поверхности и неоднородности материала зеркальной пластины и обеспечить работу высокоапертурного объектива в УФ- и ГУФ-областях спектра;
- перераспределение энергии входного светового потока, с помощью дифракционной структуры, в узкую кольцевую область, расположенную перед сферическим зеркалом, обеспечивает эффект центрального экранирования выходного потока, фокусируемого зеркалом, а также отсутствие потерь световой энергии;
- высокая числовая апертура (близкая к предельной) обеспечивается простой двухкомпонентной оптической схемой высокоапертурного объектива при достаточно большой величине переднего рабочего отрезка, что упрощает конструкцию объектива и облегчает получение малых аберраций при фокусировке излучения;
- кольцевая апертурная функция высокоапертурного объектива позволяет уменьшить размер центрального фокального пятна приближенно в 1.6 раза и обеспечить запись наноструктур, например, термохимическим методом;
- простая юстировка с помощью интерферометра позволяет с высокой точностью выставить взаимное положение компонентов высокоапертурного объектива между собой;
- простая замена оптической пластины с дифракционной структурой позволяет без изменения конструкции (с тем же самым сферическим зеркалом) использовать высокоапертурный объектив в областях спектра от ГУФ до ИК.