Дифракционная структура

Настоящая полезная модель относится к оптической и спектральной технике, а более конкретно к дифракционным структурам, применяемым в качестве оптических элементов, например, дифракционных отражательных элементов с селективными свойствами. Для достижения технического результата создания дифракционной структуры с резкой зависимостью коэффициента отражения от угла падения и длины волны падающего излучения в предлагаемой дифракционной структуре для коротковолнового (ультрафиолетового и видимого) рабочего спектрального диапазона длин волн, содержащей плоскую подложку и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему выступов, каждый из упомянутых выступов представляет собой остроконечный конус, высота которого не превышает длины волны коротковолновой границы упомянутого спектрального диапазона, а расстояние между выступами удовлетворяет условию

d2h·tg(/2), где

d - расстояние между выступами,

h - высота выступов,

- угол при вершинах конусов.

Подложка в дифракционной структуре выполнена из углеродно-кремниевого материала на основе полиметилфенилсилоксана с аморфной структурой. Выступы в дифракционной структуре выполнены из углеродно-кремниевого материала на основе полиметилфенилсилоксана с нанокристаллической структурой. Дифракционная структура обеспечивает селективное отражение падающего света в УФ и видимом диапазоне длин волн. Она может быть использована как датчик угла поворота.

Настоящее изобретение относится к оптической и спектральной технике, а более конкретно к дифракционным структурам, применяемым в качестве оптических элементов, например, дифракционных отражательных элементов с селективными свойствами.

Селективность дифракционного отражательного элемента, или резкость зависимости коэффициента отражения от угла падения , угла наблюдения и длины волны падающего излучения можно охарактеризовать тремя величинами:

F=/ = [нм/рад] - резкость спектра рефлекса по углу наблюдения ,

F=(/)·1/ - относительное изменение длины волны рефлекса по углу падении света ,

F_I=1/ [рад^-1] - относительное изменение (резкость изменения) интенсивности рефлекса по углу наблюдения .

Для ряда применений необходимы высокие значения резкости спектра по углу наблюдения - более 10 ⁵ нм/рад, относительного изменения интенсивности рефлекса по углу наблюдения - более 10 рад^-1, относительного изменения длины волны рефлекса по углу падении света - более 0,1 рад^-1).

Наиболее близким аналогом предлагаемой является двумерная дифракционная структура [Патент РФ №2162240, опубл. 20.01.2001], содержащая плоскую подложку и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему выступов в виде четырехугольных пирамид, длина основания каждой из которых лежит в пределах от 1 до 100 мкм; на гранях пирамид создан дополнительно ряд граней с высотой 0,1÷0,5 мкм, образующих дифракционную решетку для света широкого диапазона длин волн, включая свет ультрафиолетового (УФ) и видимого диапазона.

Недостаток известной двумерной дифракционной структуры обусловлен слабой зависимостью ее коэффициента отражения от угла падения и длины волны падающего излучения.

В полезной модели достигается технический результат создания дифракционной структуры с резкой зависимостью коэффициента отражения от угла падения и длины волны падающего излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в дифракционной структуре для коротковолнового (ультрафиолетового и видимого) рабочего спектрального диапазона длин волн, содержащей плоскую подложку и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему выступов, каждый из упомянутых выступов представляет собой остроконечный конус, высота которого не превышает длины волны коротковолновой границы упомянутого спектрального диапазона, а расстояние между выступами удовлетворяет условию

d 2h·tg(/2), где

d - расстояние между выступами,

h - высота выступов,

- угол при вершинах конусов.

Указанный технический результат достигается также тем, что в дифракционной структуре подложка выполнена из углеродно-кремниевого материала, полученного осаждением из плазмы, паров деструктированного полифенилметилсилоксана, с аморфной структурой.

Указанный технический результат достигается также тем, что в дифракционной структуре выступы выполнены из углеродно-кремниевого материала, полученного осаждением из плазмы паров деструктированного полифенилметилсилоксана, с нанокристаллической структурой.

Сущность полезной модели поясняется Фиг.1, 2.

На Фиг.1 приведена схематически в разрезе дифракционная структура, где: 1-подложка, 2 - конус, d - расстояние между выступами, h - высота выступа, - угол при вершине конуса.

На Фиг.2 показана дифракционная структура, вид сверху, где: 1 - подложка, 2 - конус, d - расстояние между выступами.

Предлагаемая двумерная дифракционная структура содержит плоскую подложку 1, и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему конусообразных выступов 2 высотой h< ( - длина волны падающего света) и углом при вершине конуса (апексным углом) . Выступы расположены на расстоянии друг от друга d2·h·tg(/2) вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов, в результате чего на поверхности подложки образована решетка M _max×N_max из выступов (M _max, N_max - количество выступов в строке и столбце, соответственно).

Предлагаемая двумерная дифракционная структура работает следующим образом.

Падающая на структуру под углом к нормали плоская световая волна претерпевает дифракцию на элементах дифракционного отражателя, отражаясь преимущественно в направлении по углу _opt=-- относительно нормали. При наблюдении отраженного света в дальнем поле под углом к нормали и углом относительно направления строки решетки

=arctg(N/M),

где N, М - числа, характеризующие элементарную ячейку решетки в данном направлении (на Фиг.2 показан случай N=2, М=1), возникает рефлекс на длине волны =d·(N²+М² )^1/2 sin(). Когда =_орt, длина волны составляет =d·(N²+М² )^1/2 sin(+). В частности, при нормальном падении света (=0) на квадратную решетку (М_max=N _max>1) в угле _opt наблюдается рефлекс на минимальной длине волны _min=d·sin() при условии N=1, М=0 или N=0, М=1 (при =0, =/2, т.е. в направлении строк или столбцов), причем этот рефлекс проявляется резко, т.к. при повороте угла на величину следующие рефлексы наблюдаются при ±2/М_max, /2±2/М_max, на максимальной длине волны _maxd·(M_max/2)·sin() и имеют низкую интенсивность (приблизительно в М _mах/3 меньшей, чем при =0, =/2).

Пример процесса изготовления предлагаемой дифракционной структуры.

На поверхность кремниевой пластины методом химического осаждения из высокочастотной плазмы паров полифенилметилсилоксана (ПФМС) осаждается слой аморфного углеродно-кремниевого материала толщиной 100 нм. Давление паров составляет 5×10 ^-2 Па, ток разряда плазмы - 6А, скорость роста слоя - 70 нм/мин. Изготовленная таким образом подложка помещается в сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) - литограф. К поверхности подложки подводится зонд - проводящая игла кантилевера (материал кантилевера - кремний, проводящее покрытие иглы - платина) и осуществляется механический контакт зонда с подложкой. Между подложкой и заземленным зондом в заданной точке поверхности подложки подаются импульсы положительного электрического напряжения амплитудой 10 В и длительностью 1с. В результате локального электрического воздействия на поверхности подложки происходит фазовое превращение материала подложки из аморфного в нанокристаллическое состояние и формируется конус высотой 55 нм и углом при вершине (апексным углом) 120° (2/3 рад). Процесс повторяется на поверхности подложки с заданным шагом по осям Х и Y так, что образуются ряды и строки из конусов, то есть матрица конусов.

Ниже приведен конкретный пример выполнения предлагаемой двумерной дифракционной структуры.

Пример 1. Решетка выполнена с шагом d=200 нм, h=55 нм, апексный угол конуса =2/3, количество конусов 100×100. Для выделения рефлексов в УФ - диапазоне длин волн (170 нм 400 нм) световой поток направляется нормально к поверхности решетки (=0). Наблюдение отраженного света осуществляется под углом _орt=/3. УФ - рефлексы наблюдаются при углах =0 (=173,2 нм); =/4 (=244,9 нм). Резкость спектра рефлекса по углу наблюдения составляет F=4,33×l0⁵ нм/рад, относительная резкость изменения интенсивности рефлекса по углу наблюдения F_I=50 рад^-1 , относительное изменение длины волны рефлекса по углу падении света F=0,58 рад^-1.

Предлагаемая дифракционная структура обеспечивает селективное отражение падающего света в УФ и видимом диапазоне длин волн. Она может быть использована как датчик угла поворота.

1. Дифракционная структура, содержащая плоскую подложку и расположенную на этой подложке вдоль взаимно перпендикулярных строк и столбцов равномерную периодическую систему выступов, отличающаяся тем, что каждый из упомянутых выступов представляет собой остроконечный конус, высота которого не превышает длины волны спектральной границы рабочего коротковолнового спектрального диапазона длин волн, а шаг периодической системы выступов удовлетворяет условию

d2h·tg(/2),

где d - шаг периодической системы выступов;

h - высота выступов;

- угол при вершинах конусов.

2. Дифракционная структура по п.1, отличающаяся тем, что подложка выполнена из углеродно-кремниевого материала на основе полиметилфенилсилоксана с аморфной структурой.

3. Дифракционная структура по п.2, отличающаяся тем, что выступы выполнены из углеродно-кремниевого материала на основе полиметилфенилсилоксана с нанокристаллической структурой.