СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК
METHOD FOR MANUFACTURING DIFFRACTION GRIDS

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к технологии изготовления в твердых хрупких материалах подложек дифракционных решеток с малыми углами «блеска» в пределах 0,5°-2°, применяемых, преимущественно, в рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра.
При изготовлении дифракционных решеток для рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой областей спектра штрихи формируют непосредственно в полированной подложке из оптического стекла. При этом существует проблема получения правильной формы граней штрихов из-за недостаточной пластичности материала подложки.
Известен способ изготовления дифракционных решеток, по которому на полированную подложку из оптического стекла наносят слой пластичного материала и формируют в нем штрихи с помощью алмазного резца на делительной машине с системой интерференционного управления (Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А. Дифракционные решетки // Современные тенденции в технике спектроскопии. - Новосибирск, «Наука», 1982, с. 68-71, с. 76-81).
В результате получают оригинальные решетки, работающие, в том числе, в вакуумной ультрафиолетовой области спектра. При таком способе изготовления нарезных дифракционных решеток заданная геометрия профиля штрихов определяется, в основном, формой используемого для этого алмазного резца, а также пластичными свойствами материала, в котором формируют штрихи.
Известен также способ изготовления дифракционных решеток для вакуумной ультрафиолетовой области спектра, включающий нанесение на полированную подложку из оптического стекла слоев алюминия и фтористого магния, а также формирование штрихов, которое осуществляют алмазным резцом в слое фтористого магния, при этом для формирования углов «блеска» 2°-5° удельную нагрузку на алмазный резец выбирают равной 1,5-5 грамм (патент SU 1631493, МПК G02B/18, опубликован 28.02.1991).
Недостатком известных способов-аналогов является то, что при формировании штрихов с помощью алмазного резца профиль штрихов выполняется не полностью, форма профиля штрихов не является близкой к идеальной треугольной, а участки поверхности между штрихами деформируются, что приводит к увеличению светорассеяния и снижению дифракционной эффективности решеток в заданном спектральном диапазоне.
Прототипом является способ изготовления дифракционных решеток, в том числе решеток для вакуумной ультрафиолетовой области спектра, по которому на полированную подложку из оптического стекла наносят слой пластичного материала, формируют в нем с помощью алмазного резца штрихи заданного профиля и производят удаление слоя пластичного материала, корректируя при этом профиль штрихов, посредством ионно-лучевого травления под углом к поверхности подложки (Гужов В.Ю. «Ионно-лучевая технология травления в производстве оптических элементов» // Оптический журнал, т. 69, №9, 2002 г. с. 99).
В данном способе изготовления дифракционных решеток для получения правильной формы граней штрихов осуществляют коррекцию профиля штрихов посредством ионно-лучевого травления «навала» над нерабочей гранью штриха, являющегося причиной паразитного рассеянного излучения.
Основным недостатком прототипа является невозможность изменения геометрии профиля штрихов, а именно приближение профиля штрихов к идеальному треугольному с малыми углами «блеска» в пределах 0,5°-2° при заданных периоде решетки и материале подложки, что обуславливает низкое качество изготовления дифракционных решеток.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления дифракционных решеток, в котором устранены основные недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение качества изготовления дифракционных решеток за счет обеспечения возможности получения в твердых хрупких подложках профиля штрихов, приближенного к идеальному треугольному, с углами «блеска» в пределах 0,5°-2°.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления дифракционных решеток, включающем формирование штрихов заданной частоты с геометрическими параметрами в поперечном сечении, близкими к заданным параметрам штрихов дифракционной решетки, в слое пластичного материала на полированной подложке, и удаление слоя пластичного материала посредством реактивного ионно-лучевого травления, согласно настоящему изобретению, сформированные в слое пластичного материала штрихи используют в качестве технологических штрихов, которые формируют с углом наклона пологой грани к поверхности подложки, равным 3°-12°, и полностью удаляют посредством реактивного ионно-лучевого травления под углом 90° к поверхности подложки, выполняя при этом в подложке формирование штрихов с заданным углом «блеска» и с заданным периодом решетки, причем в качестве материала технологических штрихов используют материал, скорость травления которого выше скорости травления материала подложки.
Технологические штрихи выполняют путем копирования с решетки-матрицы.
В качестве материала технологических штрихов используют полиэфирную смолу диметакрилат триэтиленгликоля ТГМ-3, а в качестве материала подложки - оптическое стекло марки КВ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично показаны этапы технологического процесса изготовления дифракционной решетки.
На фиг. 1 - заготовка дифракционной решетки с технологическими штрихами, сформированными в слое пластичного материала.
На фиг. 2 - заготовка дифракционной решетки при стравливании технологических штрихов в процессе реактивного ионно-лучевого травления (промежуточная стадия выполнения штрихов на подложке дифракционной решетки, стрелками показано направление потока ионов).
На фиг. 3 схематично изображена дифракционная решетка, изготовленная согласно предлагаемому способу.
Способ изготовления дифракционных решеток включает в себя формирование в слое пластичного материала на полированной подложке 1 штрихов 2, профиль которых имеет пологую грань 3 (фиг. 1), и удаление слоя пластичного материала посредством реактивного ионно-лучевого травления (фиг. 2).
Штрихи 2 заданной частоты выполнены с геометрическими параметрами в поперечном сечении, близкими к заданным параметрам штрихов 4 дифракционной решетки.
Ш
Б
P
2
1
Отличием предлагаемого способа изготовления дифракционных решеток является то, что сформированные в слое пластичного материала штрихи 2 используют в качестве технологических штрихов, которые формируют с углом α наклона пологой грани 3 к поверхности подложки 1, равным 3°-12°, и полностью удаляют посредством реактивного ионно-лучевого травления под углом 90° к поверхности подложки 1 (фиг. 2), выполняя при этом в подложке 1 формирование штрихов с заданным углом «блеска» α и с заданным периодом d решетки (фиг. 3), причем в качестве материала технологических штрихов 2 используют материал, скорость V травления которого выше скорости V травления материала подложки 1.
При этом технологические штрихи 2 выполняют путем копирования с решетки-матрицы (на чертеже этап копирования не показан), имеющей штрихи с геометрическими параметрами в поперечном сечении, близкими к параметрам технологических штрихов 2.
Ш
Технологические штрихи 2 формируют с углом α наклона пологой грани 3 к поверхности подложки 1, равным 3°-12°.
В качестве материала технологических штрихов 2 используют полиэфирную смолу диметакрилат триэтиленгликоля ТГМ-3, а в качестве материала подложки 1 - оптическое стекло марки КВ.
Ш
Ш
Б
Ш
Б
Выбор оптимального предела формирования угла α наклона пологой грани 3 технологических штрихов 2 к поверхности подложки 1, равного 3°-12° (фиг. 1), обусловлен тем, что при угле α наклона технологических штрихов 2 менее 3° угол «блеска» α изготавливаемой дифракционной решетки, после полного стравливании технологических штрихов 2 в процессе реактивного ионно-лучевого травления, достигнет значения меньше 0,5°, которое не является целью предлагаемого изобретения, а увеличение указанного угла α наклона технологических штрихов 2 более 12° приведет к получению дифракционной решетки с углом «блеска» α более 2°, которая может быть изготовлена известным способом формирования штрихов заданного профиля с помощью алмазного резца.
2
1
2
1
Экспериментальным путем определено оптимальное соотношение V:V скоростей травления технологических штрихов 2 и подложки 1 в пределах от 6 до 3, обусловленное оптимальными технологическими условиями приготовления рабочей смеси для среды, в которой производится травление, с учетом того, что на значение соотношения V:V скоростей травления в большей мере влияет изменение скорости травления материалов технологических штрихов 2.
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа изготовления дифракционных решеток на конкретном примере.
Необходимо изготовить дифракционную решетку, имеющую следующие технические характеристики:
1. Назначение и тип решетки: дифракционная решетка для использования в спектрометрах рентгеновской области спектра.
2. Количество штрихов на 1 мм: 1200 штр/мм.
P
3. Заданный период d штрихов: 0,833 мкм.
Б
4. Угол «блеска» α штрихов: 0,5°.
5. Материал подложки: оптическое стекло марки КВ.
6. Размеры заштрихованной поверхности, мм: 28×30.
7. Рабочая область спектра: рентгеновская, с длиной волны «блеска» 14 нм.
9. Рабочий порядок спектра с максимальной дифракционной эффективностью: первый.
10. Относительная дифракционная эффективность: более 50%.
Б
P
Дифракционную решетку (фиг. 3) с углом «блеска» α, равным 0,5°, заданным периодом d решетки, равным 0,833 мкм, изготавливают согласно предлагаемому способу в следующей последовательности.
2
4
В качестве пластичного материала для формирования технологических штрихов 2 выбираем полиэфирную смолу диметакрилат триэтиленгликоля ТГМ-3, так как скорость травления смолы ТГМ-3 выше скорости травления оптического стекла марки КВ в среде «Кислород + хладон 14» (O+CF).
Ш
В слое смолы ТГМ-3 при помощи решетки-матрицы, имеющей угол «блеска» 3°, частоту штрихов 1200 штр/мм, методом копирования (на чертеже этап копирования не показан) формируем технологические штрихи 2 треугольного профиля с пологой гранью 3 (фиг. 1) с углом α наклона технологических штрихов 2, равным 3°, частотой штрихов, равной 1200 штр/мм.
Б
P
2
1
Далее выполняем последующее формирование в подложке 1 штрихов 4 (фиг. 3) дифракционной решетки с заданным углом «блеска» α, равным 0,5°, заданным периодом d решетки, равным 0,833 мкм, посредством реактивного ионно-лучевого травления, которое осуществляем, под углом 90° к поверхности подложки 1 (фиг. 2), до полного удаления технологических штрихов 2, при этом скорость V травления материала технологических штрихов 2 (смолы ТГМ-3) выше скорости V травления материала подложки 1 (оптического стекла марки КВ).
2
1
2
4
Скорости V и V реактивного ионно-лучевого травления технологических штрихов 2 и подложки 1 в среде «Кислород + хладон 14» (O+CF) определены экспериментальным путем и равны, соответственно, 0,084 мкм/мин и 0,014 мкм/мин.
Б
P
2
4
Формирование в подложке 1 штрихов 4 дифракционной решетки с заданным углом «блеска» α, равным 0,5°, и с заданным периодом d решетки, равным 0,833 мкм, осуществляют в камере вакуумной установки ВУ-1А, оснащенной источником ионов типа «МИР-100», ориентируя заготовку дифракционной решетки таким образом, чтобы направление травления в среде «Кислород + хладон 14» (O+CF) было нормально к поверхности подложки 1, при следующих режимах и условиях: напряжение разряда 2,5 кВ, ток разряда 200 мА, рабочее давление 3×10-2 Па.
Б
P
Получаем дифракционную решетку с заданным углом «блеска» α, равным 0,5°, заданным периодом d решетки, равным 0,833 мкм (фиг. 3).
Б
P
Ш
Ш
2
4
Для получения аналогичной дифракционной решетки с заданным углом «блеска» α, равным 2°, заданным периодом d решетки, равным 0,833 мкм, (фиг. 3), на отполированную подложку 1 из оптического стекла марки КВ наносят слой полиэфирной смолы диметакрилат триэтиленгликоля ТГМ-3, формируют технологические штрихи 2 треугольного профиля с пологой гранью 3: угол наклона α=12°, период d=0,833 мкм, и производят реактивное ионно-лучевое травление в среде «Кислород + хладон 14» (O+CF) с указанными выше режимами и скоростями травления.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволит повысить качество изготовления дифракционных решеток и обеспечит возможность получения требуемой геометрии профиля штрихов решетки с малыми углами «блеска» в пределах 0,5°-2° при заданных периоде решетки и материале подложки, что, в свою очередь, обеспечит получение решеток с высокой дифракционной эффективностью для рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой областей спектра.