Киноформные оптические элементы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Университет информационных технологий, механики и оптики

Факультет Оптико-Информационных систем и технологий

Кафедра оптических технологий

Реферат

на тему: Киноформные оптические элементы

Выполнила:Хмельницкая А.

Ст-ка группы:5346

Проверила: Черезова Л.А.

С-Пб 2012

Состав объективов с киноформными корректорами

Бурное развитие оптики, связанное с созданием когерентных источников света, лазеров, привело к развитию новых направлений в оптическом приборостроении. К ним относится киноформная оптика. В ее основе лежит возможность управления волновым фронтом световых волн на структурах с заданным изменением толщины и / или показателя преломления вещества.

О принципиальной возможности создания таких элементов говорил более 100 лет тому назад выдающийся английский физик Рэлей, один из основоположников теории колебаний: "Если бы можно было ввести в каждой части отверстия решетки произвольное запаздывание, то весь свет можно было бы сконцентрировать в любом из спектров по желанию. Предположив, что запаздывание изменяется равномерно и непрерывно, мы приходим к случаю обыкновенной призмы, но тогда нет дифракционного спектра в обычном смысле. Чтобы его получить, нужно было бы сделать так, чтобы запаздывание изменялось постепенно на длину волны при прохождении каждого элемента решетки, а возвращалось затем к своему предыдущему значению, перескакивая, таким образом, внезапно на длину волны".

В 1957 г. Г.Г.Слюсаревым предложен корректор хроматических аберраций объективов, который представлял собой фазовую структуру на поверхности стекла, выполненную в виде кольцевых зон с заданным профилем глубиной ~ 2Е (типа фазовой пластины Френеля). Корректор формировал изображение за счет явлений дифракции в одном дифракционном порядке. Подобные структуры получили название киноформ.

Была развита теория применения киноформных корректоров хроматических аберраций и выполнены расчеты соответствующих объективов. С помощью высокоточной ионной обработки были изготовлены киноформные корректоры хроматических и сферохроматических аббераций и сферохроматических аббераций в ахроматических оптических системах с высокой эффективностью.

Были рассмотрены оптические системы, в которых киноформные корректоры полностью заменили элементы из оптических материалов с обратным ходом дисперсии. На рис.1 показан линзовый состав двух объективов с киноформными корректорами (б, г) и объективованалогов (а, б), оптические свойства объективов идентичны.

киноформный оптический

рис.1. Линзовый состав объективов с киноформными корректорами хроматических аберраций (б, г) и объективованалогов (а, в)

Киноформ занимает промежуточное положение между дифракционными (решетчатыми) и преломляющими оптическими системами, обладая свойствами и тех и других. Как и в дифракционных системах (например, в дифракционных решетках), длина оптического пути вдоль всех направлений, соединяющих объект и его изображение, не остается постоянной, а меняется при переходе от одной зоны к другой скачком, равным длине волны. В то же время киноформные элементы приближаются к преломляющим системам (например, линзам), поскольку оптические пути световых волн выравниваются в пределах каждой зоны.

Киноформные элементы имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными оптическими элементами линзами, призмами, зеркалами и т.д: малый вес, небольшие габариты, относительная простота изготовления и низкая стоимость. Кроме того, киноформ может выполнять одновременно функции нескольких оптических элементов. Киноформы предназначены, как правило, для работы в монохроматическом свете, поэтому они находят все более широкое применение в области преобразования лазерных пучков.

На основе оригинальных работ ГОИ им. С.И. Вавилова, анализа научных публикаций и патентов выделены наиболее эффективные области применения киноформных элементов в оптических системах различного назначения, в том числе: астрономические и высокоразрешающие длиннофокусные апохроматы, объективы и телескопические системы для ИК области, светосильные широкоугольные дифракционно асферические объективы и окуляры из оптических пластмасс.

Изготовление киноформных элементов

Киноформ, вносящий определенные изменения в фазу световой волны, может быть изготовлен либо путем изменения рельефа поверхности, либо путем изменения показателя преломления материала подложки ( оптический путь и фаза волны зависит от геометрического пути и показателя преломления среды).Изменения коэффициента преломления подложки можно достичь, например, используя процессы диффузии, химические и структурные изменения материалов под действием излучения, путем имплантации атомов и ионов. Невозможность тиражирования и невысокая механическая прочность таких изделий резко ограничивают этот способ создания киноформов.

Наиболее универсальным способом изготовления фазовых элементов является создание рельефа на поверхности прозрачного материала. Рельеф может быть получен нарезкой с помощью алмазного резца. Этот способ имеет существенные недостатки, связанные с быстрым износом резца, недостаточной точностью и ограниченными возможностями изготовления неосесимметричных элементов.

Используются также фотохимические способы. Суть их состоит в том, что под действием света некоторые вещества меняют свои химические свойства, например скорость растворения. Изменяя количество света, которое попадает на поверхность таких веществ, можно создать на ней участки с различной скоростью растворения и как следствие после дальнейшей химической обработки с заданным профилем рельефа. Широко применяемым материалом, обладающим таким свойством, является желатин с введенными в него различными добавками (галоидосеребрянные эмульсии, бихромированный желатин). Альтернативой желатиновым слоям при создании рельефа с высотой порядка 57 мкм могут послужить полимерные светочувствительные материалы, например поливиниловый спирт с добавлением солей хрома, фоторезисты.

Для оптических элементов инфракрасного и видимого диапазонов (с высотой рельефа hmax 1 мкм) используются халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП), такие, как селенид и сульфид мышьяка.

Сформировать ступенчатый рельеф с заданным профилем можно также методом фотолитографии. Суть его состоит в том, что потравляемая поверхность покрывается слоем фоторезиста и засвечивается через предварительно изготовленный шаблон. В освещенных местах структура фоторезиста изменяется, и после дальнейшей обработки на поверхности фоторезиста можно образовать окна, не защищающие подложку от дальнейшего травления. При необходимости создания ступенчатого рельефа эти операции с новыми шаблонами повторяются соответствующее число раз.

Профиль поверхности киноформного элемента (КЭ) показан на рис.2. В виду того, что до настоящего времени надежных методов создания рельефов с непрерывным заданным профилем не существует, КЭ изготовляют методом последовательного совмещения и экспонирования, который позволяет формировать ступенчатый профиль элементов киноформной структуры. Дифракционная эффективность КЭ растет с ростом числа уровней: для шестиуровневого КЭ 91,2%, для восьмиуровневого 95%, для десятиуровневого 97%. Изготовление КЭ сложный, многоступенчатый процесс создания контактной маски и заключительный этап ионного или ионнохимического травления.

Рис.2 Киноформный Элемент

Процесс создания контактной маски:

1. Изготовление контактных фотошаблонов. Фотошаблон - система непрозрачных колец на прозрачной подложке. При простом последовательном совмещении число шаблонов п соответствует числу ступенек (уровней) (n + 1). Фотошаблоны изготовляются методом нарезания (установка МДАУ) , на лазерном координатографе, на координатографе типа КПА-1200 с последующим уменьшением на фотографической машине типа ЭМ-513.

2. Нанесение светочувствительного слоя (например, фоторезиста ФП-383) на поверхность оптической детали методом центрофугирования (напри-мер, на станках СП-150), вытягивания или слива , вытягивания из мениска и прогрев слоя (для ФП-383 до 80). 3. Совмещение фотошаблона относительно центра детали (при первом экспонировании) или относительно части киноформной структуры (при последующих совмещениях) и экспонирование фоточувстви-тельного слоя через фотошаблон (установка ЭМ-56, ЭВ-5006, СМ-197).

4. Проявление контактной маски в ваннах со щелочным проявителем. Термообработка.

5. Ионное или ионно-химическое травление детали по контактной маске на любой из установок для ионной обработки. Удаление остатков маски.

Схема технологического процесса получения контактной маски: а - изготовление фотошаблона; б - нанесение светочувствительного слоя; в - экспонирование; г - получение контактной маски; д - рельефная структура в стекле

Для получения многоуровневого КЭ все процессы повторяются соответствующее число раз.

При ионном или ионнохимическом травлении киноформных структур возникает проблема, связанная с тем, что структура КЭ резко меняет размеры от центра к краю (от долей мм до 10 мкм). В ряде случаев наблюдалась при ионном и ионнохимическом травлении разная скорость травления материала (стекла) в широких и узких (крайних) элементах контакта маски из ФП383.

Это происходит изза неполного удаления ФП383 из узких каналов при проявлении. Эта проблема может быть решена за счет увеличения ионной стойкости маски при следующем способе ионного или ионнохимического травления КЭ. После помещения детали в установку для ионнго травления проводят:обработку поверхности ионами кислорода 23 мин. Поскольку скрость распыления фоторезистов в кислороде, велика, удается удалить остатки фоторезиста из узких каналов;

ионное задублирование контактной маски, обработка ионами рабочего газа в режимах с пониженной плотностью ионного тока (0,2 0,5 мА/с). Плотность ионного тока и время обработки выбираются в зависимости от материала и высоты контактной маски; 2м

ионное или ионнохимическое травление в среде Аг, C F4, CCI при энергии ионов 0,5 2,0 кэВ и плотности ионного тока 0,5 2,0 мА/с до выхода на заданную глубину с заданной точностью; 4F3F2м

заключительная обработка деталей ионами кислорода с целью удаления остатков контактной маски.

Используя данную технологию можно изготавливать КЭ для конкретных объективов диаметром от 20 до 500 мм.

Классификация элементов микротроптики и методы изготовления масок

По сложности изготовления элементы микротроптики можно разбить на три группы. Первая "двумерные рельефы" на поверхности оптической детали: элементы рельефа образуются из тонкослойных покрытий и обычно различаются по своим оптическим свойствам (отражению или пропусканию излучения). Это шкалы, сетки, миры, элементы микроэлектроники (растры), фотошаблоны. Как правило, элементы первой группы изготовляются методами фотолитографии с химическим травлением или обратной фотолитографии.

Ионная обработка применяется при изготовлении элементов из химически стойких покрытий, при создании элементов на химически нестойких поверхностях и получении высокоточных систем с субмикронными размерами элементов, например, в сочетании с электронной литографией.

Вторая группа трехмерный рельеф на поверхности оптической детали: элементы рельефа имеют вертикальные границы и заданную высоту. К ним относятся элементы интегральной оптики, фазосдвигающие системы, фазовые фильтры и синтезированные голографические элементы. В этом случае ионная обработка необходима для формирования рельефа на поверхности оптических материалов, так как она позволяет создать рельеф со строго заданной глубиной.

Третья группа трехмерный рельеф на поверхности оптической детали заданной микротопографии: элементы рельефа могут иметь любой заданный профиль. К ним относятся различные дифракционные оптические элементы, например, дифракционные решетки для концентрации энергии, корректоры волновых фронтов оптических систем, киноформные элементы.

Перед ионной обработкой (ионным травлением) на поверхность детали наносят маску. При ионном травлении можно использовать четыре вида масок.

Накладные маски. В этом случае изготовляется сквозная маска из металла или другого материала. Маска плотно прижимается к поверхности детали специальным держателем, а затем производят ионное или ионнохимическое травление поверхности детали. Методы изготовления масок могут быть различными: химическое травление в сочетании с методами фотолитографии, обработкой лазером или сфокусированным пучком. Отметим, что накладные маски неприменимы в технике химического травления. Главный недостаток накладных масок относительно грубые размеры рисунка. Минимальные размеры элементов порядка 10 мкм.

Разработаны специальные методы гальванического наращивания свободной металлической маски, полученной с помощью химического травления по фотолитографической маске. Методы позволяют получать свободные металлические маски с минимальным размером элемента до 3 мкм.

Неоспоримым преимуществом накладных масок является простота получения рельефа ионным травлением и высокая производительность: маска может служить многие сотни часов, а все вспомогательные операции по созданию маски исключаются.

Контактные маски, получаемые методом механического нарезания. На обрабатываемую поверхность наносят слой металла, полимера или другого материала, и заданный рисунок вырезают резцом на делительных машинах. В качестве слоев для нарезания рисунков в оптической технологии наиболее часто используют Аl и сирийский асфальт, на Аl минимальный размер получаемых штрихов менее 1 мкм, на сирийском асфальте -243 мкм. Недостатком метода нарезания является его большая трудоемкость.

Контактные маски из светочувствительных материалов

На поверхность детали наносится слой светочувствительного материала, например, фоторезиста. Контактным или проекционным способом, через фотошаблон на обрабатываемую поверхность проектируется заданный рисунок, проводится экспонирование светочувствительного слоя, проявлением удаляются засвеченные участки слоя. В результате формируется контактная маска, через которую проводится ионное или ионно-химическое травление. В качестве светочувствительных слоев можно использовать различные типы фоторезистов (позитивные и негативные), шеллак, поливиниловый спирт с хромовокислыми солями, хромированная желатина и др.) Минимальный размер элемента, получаемый ионным или ионно-химическим травлением по контактным маскам с фоточувствительным материалом, порядка 1 мкм.

Для получения элементов субмикронных размеров используют электронную литографию. На обрабатываемую поверхность наносят слой, чувствительный к электронному облучению, затем поверхность облучают электронным пучком, сфокусированным до диаметра в десятые доли мкм. Запись заданного рисунка ведется электронным лучом, управляемым от ЭВМ с помощью электростатических или магнитных систем. Установки для электронной литографии - сложные оптоэлектронные системы большой стоимости. После получения заданного рисунка непосредственно электронным пучком или после химического проявления проводится ионное или ионно-химическое травление по полученной контактной маске. В сочетании с электронной литографией другие методы травления, как правило, не используются.

Многослойные контактные маски

Такие маски обычно используют для получения высокой селективности ионного травления. Многослойные контактные маски характеризуются малой скоростью ионного и ионно-химического распыления. Маски получают следующим образом: на обрабатываемую поверхность наносят нечувствительный к излучению слой металла, окисла, полупроводника или полимера, затем наносят светочувствительный слой и проводят процесс фотолитографии.

Методом химического или ионного травления на первом слое получают заданный рисунок, служащий контактной маской при создании рельефа на поверхности детали. Окончательное получение заданного рельефа на поверхности детали проводится ионным или ионно-химическим травлением.

Контактную маску из нечувствительного к излучению материала можно получать и методом обратной литографии, т.е. сначала на поверхности д-тали получают контактную маску из светочувствительного материала методом фотолитографии, затем на полученный рельефный слой наносят (обычно испарением в вакууме) материал контактной маски (металл, окислы и др.) и химически удаляют ранее сформированный рельефный слой. После этого проводят ионное или ионно-химическое травление по контактной маске, например, из металлического слоя.

Общие требования к маскам:

-материал маски должен иметь достаточно хорошую адгезию к поверхности детали, выдерживать процесс проявления (или нарезания) и ионно-химическое травление;

-при записи рисунка и последующем проявлении границы элементов маски должны быть как можно ближе к вертикальным;

-чем меньше скорость ионного или ионно-химического распыления маски, тем она эффективнее;

-маска после ионно-химического травления должна легко удаляться с поверхности детали.

В конкретных задачах создания элементов микротроптики важнейшим фактором является материал подложки. Принимая во внимание материал подложки и требования к микроструктуре, которую требуется нанести, выбирают тот или иной метод маскирования, материал контактной маски, состав рабочего газа и режимы ионно-химического проявления. Органические светочувствительные материалы, как правило, перед ионным травлением подвергают различного рода обработкам - химическое дубление, прогрев и т. д. с тем, чтобы повысить их устойчивость к ионному распылению.

Изменение свойств поверхностей под действием ионной бомбардировки

Бомбардировка поверхности твердого тела ионами сопровождается распылением обрабатываемого материала. Скорость распыления зависит от условий обработки и свойств обрабатываемой поверхности. Бомбардировка стекла имеет свои особенности. Прежде всего, оптическое стекло, как правило, является многокомпонентной системой. В поверхностном слое компоненты имеют различную скорость распыления, поскольку разные атомы имеют различную энергию связи с поверхностью твердого тела. В результате в поверхностном слое происходит преимущественное распыление компонентов, имеющих меньшую энергию связи и меньшую массу.

Многие, сравнительно неустойчивые окислы, которые могут входить в состав стекла, в условиях бомбардировки теряют кислород (, СаО, РbО и др.). 32OF

При обработке свинцовосодержащего стекла марок ТФ, 6Ба4 в поверхностном слое происходит диссоциация окисла свинца, определяющая появление поглощения и электрической проводимости стекл. Исследование поверхности методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) показало, что бомбардировка ионами аргона с энергией 1 кэВ приводит к повышению показателя преломления с 1,48 до 1,73, что, очевидно, связано с восстановлением свинца из окисла при ионной обработке. Увеличивается п-глощение и щелочносиликатного стекла NaAl-2704.

Изменение поглощения щелочно-силикатного стекла при ионной бомбардировке ионами Аr с энергией 1 кэВ: 1, 2 - исходная и обработанная поверхности

Дополнительная обработка поверхности ионами кислорода восстанавливает оптические свойства стекла, сохраняя при этом свойства модифицированной инертными ионами поверхности. Исследование поверхностного слоя щелочно-силикатного стекла NaAl-2704 после ионной обработки в аргоне с энергией ионов 1-2 кэВ показали, что поверхностный слой обедняется натрием, и на поверхности образуется пленка кремнезема, образованная ко-денсированными мостиками ? Si - 0 - Si ?

Аналогичное обеднение поверхности щелочными компонентами и углеродом наблюдалось и на свинцовосодержащих стеклах, что приводило к увеличению эмиссии электронов с поверхности этих стекол и было использовано для повышения ионной обработкой коэффициента вторичной элетронной эмиссии стекла 6Ва4.

Образование на поверхности твердых тел в результате ионной обработки измененного слоя существенно влияет на химическую активность поверхности. Так, ионную бомбардировку в атмосфере инертных газов используют для повышения коррозийной стойкости металлов. Ионная обработка в атмосфере химически активных ионов (азот, кислород) приводит к образованию пассивирующих пленок, на поверхности кремния в атмосфере азота образуется пленка Si3N4.

При ионной бомбардировке полупроводников в атмосфере инертных газов в поверхностном слое из-за низкой радиационной стойкости образуется большое число разорванных связей, структура нарушается, и в некоторых случаях поверхность аморфизируется, что наблюдалось при обработке кремния и германия. Это способствует высокой химической активности поверхности. Было замечено, что подвергнутые ионной обработке образцы кремния, германия, антимонида индия и др. при соприкосновении с воздушной средой покрываются матовой пленкой, поэтому их необходимо после ионной обра-ботки некоторое время выдерживать в вакууме и при вскрытии вакуумной камеры напускать осушенный воздух или инертный газ. Это же необходимо при ионной обработке нестойких стекол.

Создание радиационных дефектов, структурные и химические превращения, происходящие в результате ионной бомбардировки, сопровождаются изменением оптических свойств материалов. Как указывалось выше, у свинцовосодержащих стекол появляется поглощение. Поглощение наблюдается и при ионной обработке NaCl, KC1, Ba F2 и др. Полупроводниковые кристаллы кремния и германия при определенных режимах обработки покрываются "молочной" пленкой. Ba F2

Ионная бомбардировка влияет также и на отражение от поверхности твердого тела. Во-первых, коэффициент отражения света изменяется из-за изменения коэффициента преломления среды, во-вторых, при ионной обработке происходит изменение геометрического рельефа. В зависимости от дозы и режима травления можно использовать ионный пучок либо для полировки поверхности (низкие энергии ионов), либо для создания шероховатых поверхностей (высокие энергии ионов, химически активные ионы, когда избирательно вытравливаются границы зерна или отдельные компоненты обрабатываемого материала).

При отражении света от поверхности раздела двух сред изменяется поляризация электромагнитной волны. Эти изменения очень чувствительны к наличию вблизи поверхности раздела тонкого переходного слоя (третьей оптической среды), созданного ионной бомбардировкой. Оценка толщины и показателя преломления этого слоя возможно с использованием метода эллипсометрии проводилась на оптических поверхностях К8 и плавленного кварца, обработанных по методу глубокого шлифования и полированиея плюс ионная обработка до снятия дефектного слоя на глубину ~ 2 мкм. Ион-ная обработка осуществлялась на установках для ионного травления в диодном режиме. Источником ионов Аr служила плазма ВЧ разряда, р = 0,4 Па, 1 мА/с. 2м

В качестве характеристики поверхностного слоя обычно используют эффективную толщину dэф поверхностного слоя, физический смысл которой состоит в том, что ее значение определяет поверхностный слой, где оптические свойства существенно отличаются от свойств материала в объеме, а за пределами этой области свойства слоя считать близкими к свойствам в объеме.

Эллипсометрические исследования поверхности после ионной обработки показали, что в поверхностном слое наблюдается некоторый градиент показателя преломления. Так, для стекла К8 при обработке ионами Аг с энергией 0,5 кэВ наблюдается повышение показателя преломления, затем показатель преломления уменьшается и на глубине 30-50 нм приближается к объемному . Значения n получены при послойном химическом травлении ионно-обработанных поверхностей в 1% HF. Эллипсометрические измерения показали, что наиболее существенное отличие оптических свойств поверхностного слоя от свойств материала в объеме имеет место в поверхностной области на глубине до 10 нм.

При ионном травлении плавленого кварца наблюдается такая же картина, однако из-за более высокой радиационной стойкости глубина измененного слоя на поверхности кварца при тех же энергиях бомбардируемых ионов меньше и составляет величину ~ 10 нм.

Исследование зависимости оптических характеристик поверхностного слоя стекла К8 от энергии бомбардирующих ионов, что с увеличением энергии более 0,5 кэВ толщина поверхностного измененного слоя возрастает. Однако в интервале энергий 2,0 - 2,5 кэВ значение dэф стабилизируется вследствие температурных нагрузок на поверхность, приводящих к отжигу дефектов, наводимых ионной бомбардировкой. Опыт показал, что минимальная толщина измененного поверхностного слоя наблюдается на оптических материалах при обработке поверхностей ионным пучком с энергией ионов ~ 0,5 кэВ. Однако при этих энергиях ионов скорости съема оптических материалов невелики поэтому в случае необходимости больших съемов ионную обработку проводят при высоких энергиях (~ 1,5 - 2кэВ}, а на последней стадии обрабатывают поверхность ионами с энергией ~ 0,5 кэВ.

Зависимость толщины измененного поверхностного слоя от энергии ионов

Ионная обработка поверхности плавленого кварца (КУ), полированного по методу ГШП приводит к расширению области прозрачности в УФ области спектра на 10 нм.

Спектр пропускания плавленого кварца: 1 - до ионной обработки; 2 - после ионной обработки ионами Аr с энергией 1,5 кэВ; 3 - после ионной обработки и термообработки при 600єС

В ИК области спектра при ионной обработке поверхности плавленого кварца также наблюдается увеличение показателя преломления до 1,621 в максимуме фундаментальной колебательной полосы поглощения (1100 см ) = Si - 0 -Si =, что связано с наведением в поверхностном слое радиационных дефектов, обеднением поверхности кислородом с преобладанием в поверхностном слое моноокиси кремния.

Прогрев образцов при t = 600єС восстанавливает пропускание до исходного значения, ширина полосы пропускания сохраняется. Сочетание ионной обработки и термообработки широко применяется для получения совершенных поверхностей за счет удаления дефектного слоя с поверхности и, соответственно, снижения светорассеяния. В то же время образование на поверхности измененного слоя с более высоким показателем преломления приводит к некоторому уменьшению коэффициента пропускания в области л> 170 нм. Как уже упоминалось, ионная обработка приводит к изменению эмиссионных свойств оптических материалов. Приведем некоторые примеры. Для изготовления электронных умножителей и других приборов со вторично-эмиссионным усилением регистрируемого сигнала используются восстановленные в водороде свинцово-силикатные стекла.

В результате многочисленных исследований установлено, что эмиссионные свойства этих стекол существенно зависят от способа их обработки и определяются прежде всего соотношением окислов свинца и кремния в эмиттируюшем слое глубиной в несколько десятков нм. Было показано, что ионная обработка приводит к изменению оптических свойств свинцово-содержащих стекол вследствие изменения элементного состава поверхности. Это изменение влечет за собой изменение эмиссионных свойств поверхности. Коэффициент вторичной электронной эмиссии у для невосстановленных стекол после ионной обработки изменяется незначительно. На рис.34 приведены зависимости у (в относительных единицах) от энергии первичных электронов для обработанных ионами образцов и для контрольных, поверхность которых предварительно обработана обычным шлифованием и полированием.

На следующем рис. видно, что повышение у весьма слабое, наблюдается лишь некоторое смещение максимума у в сторону меньших энергий первичных электронов. Такое смещение максимума свидетельствует об уменьшении глубины выхода вторичных электронов и изменении состава приповерхностного слоя на глубине выхода вторичных электронов, происходящем в результате ионной бомбардировки. По данным работы глубина выхода вторичных электронов составляет для невосстановленного стекла 15 - 30 нм.

Зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии электронов для стекол 6Ва4 до восстановления (3, 4) и после (1, 2): контрольные образцы; образцы, обработанные ионами аргона

После восстановления свойства стекол, прошедших ионную обработку, резко отличаются от исходных, не ионнообработанных, После восстановления свойства стекол, прошедших ионную обработку, резко отличаются от исходных, не ионнообработанных у становится заметно выше, особенно при малых значениях первичных электронов. При этом смещение максимума сохраняется.

Известно, что в процессе термоводородного восстановления идет интенсивная диффузия из объема к поверхности различных элементов стекла (углерода, щелочных металлов и др.), присутствие которых в поверхностном слое снижает его у. В результате ионной обработки при энергии ионов аргона ~ 0,5 кэВ поверхность стекла приобретает более совершенную структуру за счет сглаживания микронеровностей, удаления микровключений абразива и других продуктов, оставшихся на поверхности после механической обработки. Как было показано выше, показатель преломления стекла возрастает; что свидетельствует об образовании более плотных слоев, в связи с чем диффузия из объема в поверхностный слой затруднена. Анализ Ожеспектров, полученных с поверхностей контрольных и ионнообработанных образцов; показывает, что поверхностный слой обеднен щелочными металлами, углеродом и другими элементами, которые появляются на исходных образцах в результате диффузии из объема при термоводородном восстановлении.

Таким образом, формирование эмиттирующего слоя на поверхности ионнообработанных стекол при последующем восстановлении происходит в более благоприятных условиях, как в качественном, так и в количественном отношениях, в результате чего у стекла возрастает на 20 30%.

Свинцовосодержащие стекла применяются, в частности, для изготоления усилителей электронного изображения микроканальных пластин ( МКП) представляет собой пучок параллельно уложенных стеклянных каналов диаметром 10 20 мкм. Внутренняя поверхность каналов имеет высокое сопротивление и у = 3 5. Таким образом, каждый из каналов является миниатюрным электронным умножителем. МКП используется,например, в электроннооптических преобразователях, т.е. в приборах, предназначенных для усиления яркости изображения и спектрального преобразования излучения. Принцип действия такого усилителя заключается в следующем: электронное изображение с электрода фокусируется электронной линзой или переносится однородным электростатическим полем на МКП, к торцам которой прикладывается напряжение 23 кэВ. Электроны, попадая внутри каналов МКП, ударяются об их стенки, вызывая эмиссию вторичных электронов, которые увлекаются полем внутри каждого канала и совершают по мере прохождения многочисленные акты вторичной эмиссии, в результате чего электронный поток на выходе канала во много раз выше, чем на входе.

Основными характеристиками МКП являются коэффициент вторичной электронной эмиссии, линейная область работы пластины, разрешающая способность и фактор шума. Разрешающая способность электроннооптических преобразователей с МКП, в основном, определяется диаметром каналов, в которые попадает электронный поток. В современных МКП единичные каналы отделены друг от друга перегородками, имеющими определенную толщину, торцовая поверхность которой является нерабочей. В зависимости от толщины перегородок 30% общей поверхности торца оказывается нерабочей и коэффициент прозрачности МКП ( коэффициент пропускания электронного потока) составляет не более 0,7.

Ионная обработка позволяет повысить прозрачность МКП за счет растравливания и расширения входного торца канала. Степень увеличения диаметра канала зависит от энергии бомбардирующих ионов и времени обработки. Так, при обработке МКП с исходным диаметром канала 9,5 10 мкм при толщине перегородки 2,5 мкм после двухчасовой обработку ионами Аr с энергией 1 кэВ диаметр канала расширится на 2 мкм. Исследование торца МКП на растровом электронном микроскопе показало, что уменьшение толщины перегородок между единичными каналами происходит на глубину не более половины диаметра канала. В продольном разрезе обработанные каналы имеют вид воронки (расширение в сторону падающего потока).

Было показано, что у свинцовосодержащих стекол в результате ионной обработки возрастает на 30%. Естественно, что и в МКП, изготовленных из этих стекол, в результате ионной обработки перед термоводородным восстановлением коэффициент усиления потока электронов также увеличивается. МКП, обработанные ионами с энергией 0,51 кэВ, имеют коэффициент усиления первичного потока электронов в 23 раза выше, а фактор шума в 1,5 2 меньше, чем у пластин, не подверженных до термоводородного восстановления ионной обработке. Улучшение характеристик МКП после ионной обработки объясняется ее положительным воздействием на поверхность так же, как и в случае со свинцовосодержащим стеклом. Повысить у МКП можно также путем нанесения на ее поверхность пленки эффективного эмиттера (CsCl, SiO и др.). Опыт показывает, что эффективность эмиттера, нанесенного на предварительно обработанную ионами аргона поверхность в 2 раза выше, чем у МКП без предварительной ионной обработки.

Кроме того, ионная обработка с целью очистки поверхности оказывает свое положительное действие и при нанесении на МКП металлических пленок, служащих электродами. Пленки, в частности, хрома обладают лучшей адгезией, более равномерные, и пробой в них наблюдается значительно реже, чем на пленках, нанесенных без ионной обработки.

В настоящее время для реализации электронного изображения в электроннооптических схемах используются монолитные люминесцентные экраны, изготовленные из люминесцентной керамики, например, на основе сульфида цинка. Светоотдача люминесцентной цинкосульфидной керамики в несколько раз больше, чем у экранов на основе оптических стекол.На люминесцентные свойства оптической керамики существенное влияние оказывает состояние поверхности. Наличие нарушенного слоя, который образуется в результате механической обработки приводит к образованию центров безызлучательной рекомбинации, которые гасят люминесценцию. В работе показано, что основной причиной снижения яркости свечения является деформация решетки при механическом воздействии. Ионная обработка позволяет убрать деформированный слой полностью или частично. В результате яркость свечения экранов повышается. В табл.1 приведены относительные значения яркости свечения экранов при разных пусковых напряжениях и разной глубине съема поверхностного слоя материала при обработке ионами аргона с энергией 1 кэВ .

Повидимому, яркость свечения экранов возрастает не только за счет снятия ионной бомбардировкой нарушенного слоя, но и за счет наведения радиационных дефектов, обеспечивающих излучательную рекомбинацию. Об этом свидетельствует значительное повышение яркости при низких значениях первичных электронов, глубина проникновения которых соизмерима с глубиной "измененного" ионной бомбардировкой слоя.

Ионная бомбардировка повышает чувствительность оптической катодохромной керамики к электронному потоку. Так, эффективность окрашивания экранов электронным пучком изготовленной из галогенсодалитовой керамики после ионной обработки ионами Аr с энергией 1 кэВ возрастает на порядок.

Таблица 1

Влияние ионной обработки на относительную яркость свечения катодолюминесцентных экранов

Заключение

Киноформные элементы имеют целый ряд преимуществ. Технология синтеза таких элементов включает в себя решение обратной задачи и формирование рассчитанного микрорельефа с высокой точностью, составляющей для оптического диапазона порядка 20 нанометров. Последняя задача может быть успешно решена с помощью технологии электронной литографии.

Размещено на Allbest.ru