Дифракционные линзы для мощных пучков терагерцового излучения

УДК681.7:535.4
ДИФРАКЦИОННЫЕ ЛИНЗЫ ДЛЯ МОЩНЫХ ПУЧКОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

©

А.Н. Агафонов^d,М.Г. Власенко^a,b, Б.О. Володкин^d, В.В. Герасимов^a,b, А.К. Кавеев^e, Б.А. Князев^a,b, Г.И. Кропотов^e, В.С. Павельев^c,d, И.Г. Пальчикова^f, В.А. Сойфер^c,d, М.Ф. Ступак^f, К.Н. Тукмаков^d, Е.В. Цыганкова^e,Ю.Ю. Чопорова^a,b
aИнститут ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
^bНовосибирский государственный университет
^cИнститут систем обработки изображений РАН
^dСамарский государственный аэрокосмический университет

имени академика С.П. Королева
^eЗАО Тидекс
^fКонструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН
choporenok@ya.ru
Аннотация
Описаны технологии изготовления кремниевой дифракционной бинарной (двухуровневой) линзы и полипропиленовой киноформной дифракционной линзы для терагерцового диапазона спектра. Элементы имеют толщину 1 и 0,8 мм соответственно. Кремниевая линза изготовлена в двух вариантах: без покрытия и с просветляющим покрытием из парилена С (полипараксилилена). Характеристики дифракционных оптических элементов исследовались в пучке импульсно-периодического лазера на свободных электронах при длине волны 141 мкм и частоте повторения импульсов 5,6 МГц. На Новосибирском лазере на свободных электронах проведены испытания лучевой прочности париленового покрытия, которое выдержало без повреждений облучение при средней плотности мощности излучения 4 кВт/см², пиковая мощность в 100-пикосекундном импульсе при этом составляла почти 8 МВт/см².
Введение
Дифракционная компьютерная оптика развивается более 25 лет, начиная с основополагающих работ А. М. Прохорова, И. Н. Сисакяна и В. А. Сойфера [см. например [1]. Дифракционные оптические элементы (ДОЭ) нашли широкое применение в лазерных технологических установках, оптических приборах и устройствах хранения и поиска информации. ДОЭ могут осуществлять различные функциональные преобразования световых полей, выполнять функции сложного многолинзового объектива, коррекцию сферических или хроматических аберраций и т.д. Использование плоских элементов в оптических схемах, особенно использующих монохроматические лазерные источники света, открывает перспективу создания дешевых, компактных и функционально сложных приборов. ДОЭ являются наиболее перспективными элементами для управления излучением на ТГц частотах, особенно в случае мощного монохроматического пучка лазера на свободных электронах (ЛСЭ) [2]. Такие приложения как получение терагерцовых изображений, мягкая абляция, генерация оптического разряда и многие другие требуют фокусировки излучения. В этой статье мы приводим технологии изготовления двух типов дифракционных оптических элементов: киноформной дифракционной линзы (КДЛ) и бинарной дифракционной линзы (БДЛ). Исследования характеристик проводились на рабочей станции Новосибирского ЛСЭ.
Бинарная (двухуровневая) дифракционная линза
В данной статье была рассчитана, изготовлена и исследована бинарная дифракционная линза с фокусным расстоянием 120 мм, диаметром апертуры 30 мм и расчетной длиной волны 130 мкм. Рассчитанный бинарный микрорельеф формировался на полированных подложках из высокоомного кремния марки HRFZ-Si [3] диаметром 100 мм и толщиной 1 мм. Производство БДЛ состояло из следующих этапов: а) отмывка и контроль параметров кремниевой пластины, б) создание защитной маски методом оптической литографии, в) реактивно-ионное травление (РИТ) кремния [4], г) удаление остатков металлической маски. Микрорельеф большой глубины (около 30 мкм) получали методом РИТ. В связи с низкой плазмостойкостью фоторезистивной маски её нельзя использовать без дополнительного маскирующего слоя, иначе глубина рельефа и вертикальность стенок не будут удовлетворять требованиям. Поэтому в данной работе применялись плазмостойкие металлические маски (использовались медь и алюминий). Для получения маски на кремниевую подложку наносилась тонкая пленка металла, в которой с помощью фотолитографии и химического травления получались “окна”, через которые после производилось плазмохимическое травление кремниевой подложки. Подобные технологии РИТ с многоуровневой обработкой были использованы в [5]. Процесс нанесения пленки металла производился на установке «ЭТНА МТ-100» (НТ-МДТ, Россия). Травление кремния выполнялось на установке «ЭТНА-100 ПТ» (НТ-МДТ, Россия). Для получения заданных рабочих характеристик ДОЭ было необходимо обеспечить угол отклонения стенок от вертикали не более 10°, поэтому был использован Bosch-процесс в индуктивно-связанной конфигурации источника плазмы (ICP-RIE) [6] в атмосфере C₄F₈/Ar (пассивация) и SF₆/Ar (травление). Контроль геометрических параметров формируемого микрорельефа осуществлялся методами интерферометрии белого света и растровой электронной микроскопии.

Оптические характеристики БДЛ были исследованы на одной из рабочих станций ЛСЭ. Испытания проводились по схеме, изображенной на рис.1. Излучение ЛСЭ направлялось на дифракционный элемент, а изображение регистрировалось неохлаждаемым матричным микроболометрическим приемником, помещенным на моторизированную подвижку, перемещающуюся вдоль оси пучка.

Рис.1

Мы наблюдали два фокуса на расстояниях 121 и 42 мм, что прекрасно согласуется с предварительными расчетами и теоретическими ожиданиями. Значения дифракционной эффективности составили ()% для главного фокуса и 3% для вторичного фокуса, соответственно (Рис.2). Чтобы увеличить дифракционную эффективность, линзы были покрыты просветляющим покрытием из парилена С. Парилен С в качестве просветляющего покрытия ранее был использован в работах [7,8]. Для линз с просветляющим покрытием дифракционная эффективность составила ()% и 3,6%, соответственно (Рис.2). Мы проводили испытания прочности БДЛ, помещая её под сфокусированное ТРХ линзой терагерцовое излучение. Мощность излучения ЛСЭ была измерена с помощью термочувствительного интерферометра Физо [9]. Линзы не повреждались вплоть до значения плотности мощности_, что соответствует пиковой мощности в 100-пикосекундном импульсе почти 8 МВт/см².

Рис.2
Киноформные дифракционные линзы (КДЛ)
Линзы с параболическим профилем френелевских зон были изготовлены из полипропилена методом горячей вакуумной штамповки с использованием металлической штамповочной матрицы. Для исследования были изготовлены КДЛ с фокусными расстояниями имм для длины волны мм (рис.3). КДЛ, ранее изготовленные на полимере с использованием кремниевой штамповочной матрицы с диаметром 25 мм и фокусным расстоянием 50 мм описаны в [10].

Низкий коэффициент поглощения линз обусловлен малой толщиной, равной 0,8 мм, поэтому они почти прозрачны для терагерцового излучения. Чтобы использовать всю рабочую апертуру КДЛ, терагерцовый пучок был расширен в 2,5 раза с помощью телескопа на внеосевых параболических зеркалах. Главный фокус линзы с фокусным расстоянием мм мы наблюдали на расстоянии 77,6 мм. Ширина на полувысоте пучка в районе каустики составила 0,23 мм. Первый фокус, который согласно расчетам равен 25 мм, мы не смогли зарегистрировать из-за геометрических ограничений матрицы микроболометров. КДЛ широко используются на станциях ЛСЭ для фокусировки и построения изображений, так как они не обладают дефектами, не портятся при высоких мощностях и прекрасно воспроизводятся [11].

Рис.3
Выводы
Эксперименты показали возможность применения технологий компьютерной дифракционной оптики для создания линз терагерцового диапазона. Описанные технологии изготовления линз из разных материалов позволяют фокусировать терагерцовое излучение различной мощности.
Благодарности
Мы благодарим Г.Н. Кулипанова и Н.А. Винокурова за поддержку, а также всю команду лазера на свободных электронах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, работа выполнена с использованием оборудования ЦКП СЦСТИ.

Список литературы

1. 
   Дифракционная компьютерная оптика, под ред. В.А. Сойфера. – М.: Физматлит, 2007. – 736 с.
   
2. 
   B. A. Knyazev, G. N. Kulipanov, N. A. Vinokurov, “Novosibirskterahertzfreeelectronlaser: instrumentationdevelopmentandexperimentalachievements“, Measur. Sci. Techn. 21, 054017, 13p. 2010
   
3. 
   http://www.tydexoptics.com/pdf/Si.pdf
   
4. 
   FranzLaermer и др. Method of anisotropically etching silicon. Patent number: 5501893, 1996
   
5. 
   S. Wang, J. Xu, T. Yuan, R. Blaikie,S. M. Durbin,X.-C. Zhang, D. R.  S. Cumming, “Multilevel silicondiffractive optics forterahertz waves,”Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures 20, pp. 2780-2783, 2002
   
6. 
   AyonA. A и др. Characterization of a time multiplexed inductively coupled plasma etcher, Journal of the Electrochemical Society. 1999. Т. 146. № 1. С. 339-349.
   
7. 
   A. J. Gatesman, “Ananti-reflectioncoatingforsiliconopticsatterahertzfrequencies,” MicrowaveandGuidedWaveLetters, IEEE10 , 264-266, 2000
   
8. 
   H.-WHübers,JSchubert, AKrabbe,MBirk,GWagner,ASemenov,GGol’tsman,BVoronov,EGershenzon, “Paryleneanti-reflectioncoating ofaquasi-opticalhot-electron-bolometricmixeratterahertzfrequencies,” InfraredPhysics&Technology;42, pp. 41-47, 2001
   
9. 
   N.A Vinokurov., B.A.Knyazev, G.N. Kulipanov, A.N. Matveenko, V.M. Popik, V.S. Cherkassky, M.A. Shcheglov, “Visualizationofradiationfrom a high-powerterahertzfreeelectronlaserwith a thermosensitiveinterferometer,” Technicalphysics. 52,, pp. 911-919, 2007
   
10. 
    E. D. Walsby, J. Alton, C. Worrall, H. E. Beere, D. A. Ritchie, and D. R. S. Cumming, “Imprinted diffractive optics for terahertz radiation,” Opt. Lett. 32, 1141-1143, 2007
    
11. 
    B. A. Knyazev, V. S. Cherkassky, Y. Y. Choporova, V. V. Gerasimov, M. G. Vlasenko, M. A. Dem’yanenko, and D. G. Esaev, “Real-timeimagingusing a high-powermonochromaticterahertzsource: comparativedescriptionofimagingtechniqueswithexamplesofapplication.” JournalofInfrared, Millimeter, andTerahertzWaves32, 1207-1222, 2011
    

Подписи к рисункам
Рис. 1 Оптическая схема эксперимента на ЛСЭ

Рис. 2. Распределение интенсивности в фокальной плоскости БДЛ в сравнении с линзой TPX с фокусным расстоянием f = 50 мм

Рис.3 Киноформные полипропиленовые дифракционные линзы и соответствующее распределение интенсивности в фокальных плоскостях

Рисунок 1


Рисунок 2


Рисунок 3

Diffractive optical elements for high-power radiation
of Novosibirsk Terahertz Free Electron Laser
A. N. Agafonov^d, M. G. Vlasenko^a,b, B. O. Volodkin^d, V. V. Gerasimov^a,b, A. K. Kaveev^e, B. A. Knyazev^a,b, G. I. Kropotov^e, V. S. Pavelyev^c,d, I. G. Palchikova^f, M. F. Stupak^f, K. N. Tukmakov^d, E. V. Tsygankova^e, Yu. Yu. Choporova^a,b,

^aBudkerInstituteofNuclearPhysics SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
^b Novosibirsk State University, Novosibirsk, 630090, Russia
^cImage Processing Systems Institute (IPSI) RAS, Samara, 443001, Russia
^dSamara State AerospaceUniversity (SSAU), Samara, 443086, Russia
^eTYDEX, J. S. Co, St. Peterburg, 194292, Russia
^fTechnological Design InstituteofScientific Instrument Engineering (TDISIE) SB RAS, Novosibirsk, 630090, Russia
Abstract
We describe design technology of silicon binary (two-level) diffractive lenses and polypropylene kinoform diffractive lenses for terahertz spectrum range. The elements have a thickness of 1 and 0.8 mm, respectively. Silicon lenses were covered with a Parilene С layer (antireflection coating). Characteristics of diffractive optical elements were studied using high-power terahertz radiation of the Novosibirsk free electron laser with the radiation wavelength of 141 microns and repetition rate frequency of 5.6 MHz. The layer was not damaged being exposed to radiation with the average power up to 4 kW/cm² and the peak power in 100-picosecond pulse in this case was almost 8 mW/cm².