СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМОГО СВЕТОФИЛЬТРА С ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ ФАБРИ-ПЕРО
METHOD OF MAKING TUNABLE OPTICAL FILTER WITH FABRY-PEROT INTERFEROMETRE

Изобретение относится к оптике, к способам изготовления устройств с малыми управляемыми зазорами величиной в доли мкм, в т.ч. изготовления оптических устройств, основанных на использовании явлений интерференции световых потоков, например интерферометров Фабри-Перо, применяемых в научных исследованиях и технике для спектрального анализа и монохроматизации света.
Аналогом изобретения является способ получения зазора между пластиной и пленочным электродом, заключающийся в нанесении на поверхность пластины дополнительного слоя, имеющего толщину, равную величине необходимого зазора, поверх которого, с перекрытием по краям дополнительного слоя, наносят напылением пленочный электрод и удаляют растворением дополнительный (жертвенный) слой. За счет перекрытия по краям пленочный электрод и пластина соприкасаются, и пленочный электрод оказывается закрепленным на пластине своими краями [1]. Способ не пригоден для получения устройств с высокоточными регулируемыми плоскими зазорами между полированными поверхностями двух пластин, в которых пластины перемещаются специальным механизмом, так как в таких устройствах пластины закреплены в механизме перемещения пластин индивидуально, не имеют общих точек соприкосновения и должны перемещаться друг относительно друга целиком и не изменяя формы.
В качестве прототипа выбран известный метод изготовления оптических приборов, содержащих зеркальные поверхности с зазором между ними, например приборов с резонаторами Фабри-Перо [2].
В соответствии с прототипом, предварительно, методами механической либо другой полировки, готовятся пластины с высокой степенью плоскостности хотя бы одной из поверхностей каждой пластины, методом, например, глубокой полировки, этим поверхностям придают зеркальные свойства (нанесением тонких пленок), затем пластины закрепляют друг относительно друга в механизме их перемещения так, чтобы полированные поверхности имели между собой плоский зазор.
Недостатки прототипа: сложность способа при обеспечении допустимой неплоскостности зазора между массивными пластинами порядка сотых-десятых долей длины волны излучения; выполнение этого условия требует значительного удорожания процесса изготовления пластин и усложнения конструкции прибора с такими пластинами в целом и его эксплуатации в связи с необходимостью введения в его конструкцию юстировочного механизма и проведения процесса юстировки с постоянным контролем взаимного расположения пластин; способ не позволяет получать контролируемые зазоры с размерами порядка межатомных расстояний.
Задача изобретения:
- упростить получение контролируемых зазоров между массивными пластинами с размерами в субмикронной и нанометровой областях путем исключения применения специальных способов получения поверхностей с высокой степенью плоскостности;
- исключить контроль величины зазора и его клина в процессе сборки (изготовления) устройства.
Задача решается тем, что в способе изготовления перестраиваемого светофильтра с интерферометром Фабри-Перо, включающем нанесение зеркальных покрытий на прозрачные пластины - основания зеркал - и закрепление последних с зазором параллельно друг другу на держателях механизма перемещения пластин, причем зазор получают с использованием жертвенного слоя, в соответствии с изобретением зеркальное покрытие одной пластины получают, нанося его на жертвенный слой, нанесенный предварительно на зеркальное покрытие другой пластины, и затем прикрепляя к первой пластине слоем твердеющего материала, после чего упомянутые пластины твердеющим материалом закрепляют на упомянутых держателях.
Предлагается также, что в соответствии с изобретением жертвенный слой выполнен из вещества, удаляющегося плавлением или испарением при нагревании до температуры, меньшей температуры терморазрушения твердеющего слоя.
Способ поясняется на фиг.1. На первую пластину 1 с полированной поверхностью 2 наносят зеркальный слой 3 (фиг.1, а), поверх которого наносят жертвенный слой 4 (фиг.1, б). Поверх жертвенного слоя наносят зеркальный слой 5 второй пластины (фиг.1, в) в виде участка, не перекрывающего края жертвенного слоя. Поверх зеркального слоя наносят твердеющий материал 6 (фиг.1, г), поверх полученной структуры накладывают вторую пластину 7 (фиг.1, д); твердеющий материал между пластиной и зеркальным слоем под давлением пластины и под действием своего поверхностного натяжения распределяется в виде слоя 8 равномерной толщины; количество твердеющего материала должно быть таким, чтобы материал не вытекал за пределы зеркального слоя 5. По завершении процесса затвердевания слоя 8 объединенную структуру, содержащую пластины и слои между ними, закрепляют в предназначенном для этого месте конечного устройства или его узла, как иллюстрируется на фиг.1, е, где 9 и 10 - держатели механизма перемещения пластин в интерферометре Фабри-Перо. На  фиг.1, е показан схематически механизм, в котором движителями являются пьезоэлектрические или магнитострикционные элементы 11. Закрепление на держателях производится твердеющим материалом 12. Последний этап - удаление жертвенного слоя 4, осуществляемое его испарением или растворением (фиг.1, ж). После удаления жертвенного слоя между зеркалами 3 и 5 образуется зазор 13.
Предложение по п.1 формулы позволяет отказаться от трудоемкого и дорогостоящего процесса получения полированных поверхностей заданной формы, например плоских поверхностей с параметром шероховатости не более 0,03 мкм и плоскостностью не хуже 0,05 мкм, что необходимо при создании интерферометров. Геометрические характеристики жертвенного слоя полностью определяют геометрические характеристики получаемого в результате зазора: если этот слой будет нанесен в виде пленки постоянной толщины, то зазор между функциональными поверхностями устройства будет эквидистантным. В конструкции интерферометра слой 8 выполняет компенсационную роль, он локальными изменениями своей толщины компенсирует неровности поверхностей пластин 1 и 7, обеспечивая равнотолщинность зазора 13 по всей его площади.
Необходимость закрепления пластин 1 и 7 на электродах 9 и 10 с помощью твердеющего материала 12 вызвана необходимостью исключить механические напряжения в месте соединения, возникающие при механическом закреплении, что может привести к сдвигам пластин и нарушению правильной формы зазора между зеркалами 3 и 5 интерферометра. Использование твердеющих клеевых составов обеспечивает отсутствие изменений объемов затвердевающих слоев (в отличие, например, от высыхающих составов, изменяющих свой объем при улетучивании растворителя).
Необходимость того, что жертвенный слой выполнен из вещества, удаляющегося плавлением или испарением при нагревании до температуры, меньшей температуры терморазрушения твердеющего слоя, вызвана следующими обстоятельствами. Жертвенный слой в нашем случае удаляется из узкого и имеющего большую площадь зазора между сплошными стеклянными пластинами, и его удаление растворением потребовало бы очень большого времени, в наших экспериментах мы не могли освободить зазор от материала жертвенного слоя при времени растворения порядка недели. В известных работах для ускорения удаления жертвенного слоя в ограничивающих его слоях делают сквозные отверстия, заполняющие собой всю поверхность этих слоев; в нашем случае такой прием не применим, так как нарушатся оптические параметры зеркальных покрытий. При использовании для жертвенного слоя плавящегося или испаряющегося материала при надлежащем нагревании уже склеенного твердеющим составом устройства вещество испаряется и его пары сами удаляются из зазора; в случае плавящегося материала удаление также облегчается, так как можно развести пластины с зеркальными покрытиями друг от друга, увеличив ширину зазора.
Рассмотрим примеры реализации изобретения.
Для получения между двумя стеклянными пластинами плоского зазора толщиной менее 1 мкм проведем их предварительную подготовку, которая заключается в механической полировке как минимум одной из сторон у каждой пластины с требованиями по плоскостности не хуже N=5 (5 колец Ньютона), ΔN=1. Далее нанесем на такую поверхность первой пластины через маску полупрозрачный зеркальный слой из алюминия методом вакуумного напыления. В этой же вакуумной камере напылим на эту функциональную поверхность жертвенный слой маннита толщиной 0,25 мкм, а на него через маску второй полупрозрачный слой алюминия. Нанесем поверх слоя алюминия каплю твердеющего состава, например двухкомпонентного оптического клея ОК-71, наложим сверху вторую прозрачную пластину. После затвердевания клея или даже не дождавшись затвердевания, вкладываем полученный пакет в гнездо на держателях механизма, смазанных таким же клеем. После затвердевания клея получившуюся конструкцию поместим в вакуум и нагреем до температуры кипения маннита (~200°С), дождемся полного испарения жертвенного слоя из зазора. Таким образом будут получены зеркала резонатора Фабри-Перо, величина зазора между которыми имеет одинаковое значение во всех точках их поверхности, пригодные для использования в качестве перестраиваемых оптических фильтров. Твердеющим материалом может быть и расплав, например расплав полимера.
Рассмотренные примеры реализации изобретения и анализ обоснованности предложенных решений показывают полезность и новизну решений, их выполнимость и достижимость заявленных целей.
Промышленное применение способ может найти при изготовлении различных оптических, оптоэлектронных и микромеханических устройств, в которых необходимо получать зазор равной и малой толщины между электродами или пластинами, имеющими поверхности большой площади, в частности управляемых интерферометров Фабри-Перо.
Источники информации
1. Чесноков В.В. Электростатическое реле // А.с. 314304 СССР, МКИ Н03К 17/52. Опубл. 07.09.1971. Бюл. №27.
2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. Учебник - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998.