С учетом тенденций, сложившихся в настоящее время, главными вопросами в производстве микрооптических элементов является минимизация размеров элементов и устройств в целом, изготовление элементов, выдерживающих мощные световые пучки, а также повторяемость и качество формируемых оптических поверхностей [1]. С учетом этих условий возникает потребность в разработке новых и усовершенствовании имеющихся технологий изготовления микрооптических элементов. Решение данной задачи становится возможным благодаря использованию современных лазерных систем и специальных материалов.

Для решения подобных проблем необходимо изучение новых подходов к производству различных оптических элементов, имеющих определенную микроструктуру. Такими элементами являются микролинзы, микролинзовые растры, фазовые решетки и др.

Технологии создания микрооптических элементов можно условно разделить на механические, химические, фотохимические и лазерные. К первым относятся способы получения поверхностного микрорельефа с помощью операций фрезерования, шлифовки и полировки оптической заготовки. Также, к механическому методу можно отнести обработку металлической формы для дальнейшего формирования структуры с использованием операций штамповки или литья, что благоприятно для мелкосерийного производства. Главными недостатками механического метода являются низкая разрешающая способность инструмента и возникновение дефектов на поверхности в процессе обработки. Химический способ получения микрооптических элементов основан на применении процессов травления поверхности оптических материалов. Реализация процесса селективного травления накладывает определенные ограничения на размеры и однородность поверхностной структуры. Соединение этого способа с фотографическим процессом составляет содержание фотохимического способа, который основан на фоточувствительности некоторых органических соединений, что позволяет получать регулярный микрорельеф путем нанесения специальной фоточувствительной пленки с последующей обработкой светом через фотошаблон. Существует ограниченное количество материалов, применяемых при фотохимическом методе, большинство их них неприменимо для использования в мощных световых пучках, поскольку обладают невысокими механическими свойствами.

С учетом приведенного краткого анализа методик формирования микрорельефа на оптических материалах, можно сделать вывод о том, что главными вопросами в производстве микрооптических элементов является минимизация размеров, а также изготовление образцов, выдерживающих мощные световые пучки, а также повторяемость и качество формируемых оптических поверхностей. С учетом этих условий возникает потребность в разработке новых и усовершенствовании имеющихся технологий изготовления микрооптических элементов.

Использование лазерных технологий имеет важные преимущества перед другими методами формирования оптических регулярных микроструктур, связанные с локальностью, бесконтактностью воздействия, а также с возможностью варьирования энергетических параметров воздействия и геометрических характеристик получаемых образцов. Кроме того, универсальность лазера как инструмента для микрообработки позволяет создавать структуры различных конфигураций и размеров.

Прецизионным инструментом, который возможно использовать для обработки многих оптических материалов, является CO2 лазер, поскольку его излучение хорошо поглощается большинством материалов, применяющихся в микрооптике.

Рассмотрим технологии изготовления микролинзовых растров, основанные на применении излучения CO2 лазера:

микролинза лазерная технология оптическая

1. Испарительно-абляционные процессы с использованием кварцевого стекла [2].

Получение регулярного микрорельефа возможно методом локального удаления определенного объема материала путем его быстрого и высокоэнергетического разогрева до температуры испарения. Этот процесс успешен для оптических материалов с малым коэффициентом теплового расширения, таких как плавленый кварц. Процессом локального разрушения можно управлять, главным образом, изменением плотности мощности лазерного излучения и временем воздействия его на материалы, а также состоянием поверхности материала, поскольку его поглощательная способность зависит от многих параметров образца.

2. Лазерно-индуцированная денсификация микропористого стекла [3].

Денсификация (спекание) микропористых стекол заключается в локальном нагревании стекла для размягчения его каркаса. При этом начинается вязкое течение размягченного материала. Денсификация происходит, когда вязкость каркаса микропористого стекла на его поверхности уменьшается в процессе нагревания настолько, что давление поверхностного натяжения в поре будет ее захлопывать. При продолжении воздействия в глубине стекла фронт спекания продвигается вглубь. Это сопровождается изменением плотности материала и показателя преломления. В результате лазерного воздействия на поверхность микропористого стекла излучением с распределением интенсивности по сечению, близкому к гауссову, образуется уплотненная область с измененным показателем преломления, профиль которой близок к сферическому. Затем, необходимо произвести шлифовку, полировку и отжиг образца.

3. Аморфизация стеклокерамических материалов.

Локальная фазово-структурная модификация стеклокерамических материалов осуществима только при использовании лазерного излучения [4]. Эта технология заключается в нагреве локальной области стеклокерамики до температуры плавления, при этом происходит исчезновение упорядоченных связей между атомами, и эта область переходит в аморфное состояние. При прекращении лазерного воздействия модифицированная область стеклокерамики охлаждается настолько быстро, что атомы не успевают перегруппироваться в упорядоченную структуру, и образец остается в аморфном состоянии. Аморфная структура обладает меньшей удельной плотностью по сравнению с кристаллической структурой, поэтому модифицированный объем материала увеличивается. Линзообразная форма на поверхности образуется за счет влияния сил поверхностного натяжения. При последовательном воздействии на материал лазерным излучением с определенной длительностью воздействия и плотностью мощности становится возможным формирование регулярных микроструктур.

Сравнительный анализ рассмотренных технологий позволяет судить о приоритете исследования испарительно-абляционных процессов с использованием кварцевого стекла.

Литература

1. Optimizing Laser Beam Profiles using Micro-lens Arrays for Efficient Material Processing: Applications to Solar Cells. / D. Hauschild1. - Dortmund: LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH, 2009.

2. Changhwan Kim, Ik-Bu Sohn. Fabrication of a fused silica based mold for the microlenticular lens array using a femtosecond laser and a CO2 laser. // Optical Materials Express Vol.4, Issue 11, 2014 - pp.2233-2240.

3. Internet-энциклопедия "Wikipedia". [Электронный ресурс]. Статья "Пористое стекло". - Адрес страницы в Internet: http://ru. wikipedia.org/wiki/Пористое_стекло. Последнее изменение страницы: 6.12.2012.

4. Вейко В.П. Структурно-фазовая модификация стеклокерамических материалов под действием излучения СО2-лазера. / В.П. Вейко, Г.К. Костюк, Н.В. Никоноров, Е.Б. Яковлев // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 15/02/2008. - T.72, №2. - 184-188 с.

Размещено на Allbest.ru