|
Моделирование оптических характеристик микролинз, сформированных методом электростимулированного ионного обмена в стеклах Кубанский государственный университет Научный руководитель: Яковенко Николай Андреевич, доктор технических наук Преимущества использования оптического диапазона частот в системах передачи и обработки информации, стремление к минитюаризации стимулируют развитие интегральной оптики, в задачу которой входит создание оптических узлов и устройств в интегральном исполнении. В настоящее время продолжают совершенствоваться и разрабатываться интегрально-оптические устройства разнообразного функционального назначения для применения в разных областях науки и техники [1]. Важным элементом интегрально-оптических устройств являются микролинзы. Они находят применение для коллимации и фокусировки (волоконная оптика, сенсорные устройства, оптическое сопряжение, оптические компьютеры), для передачи света (дисплеи, проекционные системы) и для формирования изображения (фотокопиры, трехмерные фотографии, микролинзовая литография, астрономические приборы) [2]. Среди известных методов формирования микролинз устоявшейся является ионообменная техника. Трехмерное распределение показателя преломления (ПП) в таких микролинзах является дополнительной степенью свободы для вариации их оптических свойств [3]. При их изготовлении методом электростимулированного ионного обмена, профиль ПП иногда получается ступенчатый (с высоким градиентом) и характеризуется сферической симметрией. Такой случай, например, реализуется, когда скорость электростимулированной миграции ионов значительно больше скорости, обусловленной диффузионным процессом, и диаметр микролинзы в несколько раз превосходит диаметр отверстия в маске. Для расчета оптических характеристик микролинз нами была использована данная модель распределения ПП. Цель работы заключалась в сопоставлении полученных численным образом результатов в рамках указанной модели с экспериментальными данными. Микролинзы изготавливались по технологии, похожей на описанную в работе [4] и формировались на фотопластинке и стекле К-8. Использовался расплав смеси нитратов серебра AgNO 3 и натрия NaNO3. Величина прикладываемого напряжения составляла 40 и 70 В. ПП подложки обычно известен. Для стекла К8 его значение на длине волны l = 0.6328 мкм равно 1.515, для фотопластинки - 1.510. Максимальное приращение ПП были найдены из дополнительных экспериментальных данных. Изготавливались планарные волноводы и затем при помощи измеренных эффективных показателей мод рассчитывалось приращение ПП на поверхности этих волноводов. На основании таких расчетов были найдены значения для стекла К8 D n=0.07, для фотопластинки D n =0.10.Были проведены оценочные расчеты оптических характеристик микролинз: фокусного расстояния - f и диаметра фокального пятна - d. В рамках данной работы рассматривались микролинзы, диаметр D которых намного больше используемой длины волны l (D>>l ) и варьировался в диапозоне 20-300 мкм. Для нахождения параксиального фокусного расстояния решалось лучевое уравнение Эйлера. Параксиальный фокус fp и дифракционный фокус fdif в общем случае не равны. Но поскольку расчеты носили оценочный характер, считалось, что fp> fdif. Диаметр фокального пятна рассчитывался при помощи дифракционных интегралов в приближении Кирхгофа. Рассчитанные оптические характеристики были сопоставлены с экспериментальными данными для микролинз, изготовленных из разнородных материалов при разных технологических условиях. Теоретические данные удовлетворительно соотносятся с результатами измерения. Ошибка в определении фокусного расстояния не превышает 15%, а диаметра фокального пятна - 50%.Был рассмотрен вопрос о соотнесенности параксиального и дифракционного фокусов. Для микролинзы изготовленной в фотопластинке и имеющей диаметр D=80мкм путем решения задачи минимизации был рассчитан дифракционный фокус - f dif. Было получено значение fdif =300 мкм. Экспериментальное значение фокусного расстояния было f=360 мкм. То есть относительная ошибка составляла около 20%. Этот факт свидетельствует в пользу сделанного выше предположения о приближенном равенстве параксиального и дифракционного фокусов fp, fdif.Поскольку результаты эксперимента удовлетворительно соотносятся с полученными численным путем параметрами, то можно сделать вывод о допустимости сделанных приближений. Таким образом, в рамках используемых технологических параметров для получения оценочных оптических характеристик (фокусное расстояние, диаметр фокального пятна) можно приближенно считать распределение показателя преломления сферически симметричным и носящим ступенчатый характер. Список публикаций: [1] Nussbaum Ph., Volkel R., Herzing H.P., Eisner M., Haselbeck S., Pure Appl. Opt., 6., 617-636 (1997). [2] Hamakana K., Nemoto H., Oikawa M., Okuda E., Kishimoto T., Appl. Opt., 25, 4064-4070 (1994). [3] Messerschidt B., McIntyre B.L., Houde-Walter S.N., Appl. Opt., 25, 5670-5676 (1996). [4] Oikawa M., Iga K., Sanada T., Electron. Lett., 17, 452-453 (1981). |
| (c) АСФ России, 2001 |