Доктор технических наук Александр ПОЛЕЩУК, заведующий лабораторией дифракционной оптики Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск)

Основу оптики в классическом ее варианте составляют линзы, призмы, зеркала - элементы, уже давно достигшие пределов совершенства.

Дальнейший прогресс в этой области науки и техники связывают с широким применением дифракционных оптических элементов (ДОЭ), представляющих собой тонкие стеклянные пластинки, одна из сторон которых имеет микрорельеф с минимальными поперечными размерами и глубиной в доли микрона, точнее - до половины длины волны света (0,4 - 0,7 мкм).

Они могут заменять привычные объективы, преобразовывать лазерное излучение, формировать изображения виртуальных объектов, рассчитанных компьютером, а их использование открывает перспективу создания дешевых, легких, компактных, но в то же время функционально сложных оптических приборов.

Диапазон применения ДОЭ очень широк: от искусственных хрусталиков глаза человека до оптики космических телескопов.

ДИФРАКЦИЯ И РЕФРАКЦИЯ

Впервые заметили и описали явление дифракции* итальянский физик и астроном Франческо Гримальди и английский естествоиспытатель Роберт Гук во второй половине XVII в., но использовать его в изготовлении оптических приборов удалось много позднее. Современная дифракционная оптика - порождение века информационных технологий, она не могла появиться ранее из-за отсутствия таких инструментов, как лазер и компьютер.

* Дифракция - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий, благодаря чему волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т.д. (прим. ред.).

Простейшие преобразования световых пучков обычными (А) и дифракционными (В) элементами.

Разработку методов изготовления ДОЭ начали в Институте автоматики и электрометрии СО РАН в 1970-е годы под руководством доктора технических наук Вольдемара Коронкевича. Основные усилия были направлены на создание лазерных систем записи дифракционных структур и разработку термохимической технологии получения фотошаблонов в тонких пленках хрома, а позднее - на новые методы изготовления фазовых ДОЭ со сложным профилем.

Об этом пойдет речь далее, но вначале - несколько пояснений. Не только в классической, но и в дифракционной оптике базовым элементом является линза. Она предназначена для фокусировки света и построения изображений объектов, т.е. для геометрических и волновых преобразований световых пучков. Например, параллельный пучок (плоскую волну) на входе она преобразует в сходящийся (сферическую волну) на выходе. Но дифракционная линза отличается от традиционной рефракционной*.

Чтобы на основе обычной плоско-выпуклой линзы построить дискретную (дифракционную) структуру воспользуемся геометрическим способом. Для этого следует условно разделить первую на тонкие сферические слои одинаковой толщины. Радиусы слоев тогда будут равны радиусу кривизны сферической поверхности линзы, а их толщина h равна величине Nλ(n-1), где λ - длина волны света, N - целое число, n - коэффициент преломления материала линзы. Значит, если линза имеет толщину 5 мм, то при λ=0,5мкм, n=1,5 (стекло) число сферических слоев толщиной 1 мкм будет равно 5000. К тому же на плоской поверхности линзы различные слои можно объединять в дискретную ступенчатую структуру двумя линиями, параллельными оптической оси. Полученная конфигурация называется зонной пластинкой или дифракционной линзой, а ее действие на световую волну аналогично производимому рефракционной линзой. Но в последней длина оптического пути от точки объекта до его изображения постоянна для всех лучей, пересекающих апертуру** линзы - она работает за счет рефракции и преломления пучка света на ее поверхности (условно линзу можно представить как совокупность призм с разными углами, возрастающими от центра к периферии, поэтому будут различны и углы преломления световых лучей, попадающих на каждую из призм).

В дифракционной же длина оптического пути на границах зон претерпевает скачки, равные А. (при N=1) или Nλ, если во втором случае линза имеет "глубокий" профиль (N > 1). При этом она работает за счет явлений дифракции на круговой тонкой решетке, шаг которой уменьшается к периферии линзы и для больших апертур может достигать значений порядка длины волны света. У дифракционной линзы есть и еще одна важная и полезная особенность: она может быть в тысячи раз тоньше по сравнению с равным ей по оптической силе классическим аналогом.

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Потенциальные возможности дифракционных оптических элементов во многом определяет технология их изготовления, которая должна обеспечивать восстановление формы волнового фронта с заданной точностью, доходящей для некоторых применений до 1/1000 длины волны света.

* В рефракционной линзе используется явление рефракции (преломления). По сути это изменение направления распространения электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами {прим. ред.).

** Апертура - характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет и противостоять дифракционному размытию деталей изображения (прим. ред.).

Преобразование плоско-выпуклой линзы в дифракционную (a) и ее трехмерная модель (b).

До последнего времени для микроструктурирования оптических поверхностей применяли то же оборудование, что и для производства изделий микроэлектроники. Однако топологическая структура поверхности ДОЭ имеет произвольный характер, в то время как у микросхемы, как правило, - вид системы линий и прямоугольников. В привычных методах дифракционная структура представлялась набором элементарных изображений - трапеций или прямоугольников, ориентированных вдоль двух фиксированных ортогональных осей. Изготавливали ДОЭ путем сканирования светочувствительного слоя сфокусированным электронным или лазерным пучком в декартовой системе координат, что приводило к искажениям в формируемом изображении. Но это недопустимо, например, для ДОЭ предназначенных для аттестации асферических зеркал* современных телескопов. Такие ДОЭ должны иметь погрешность выполнения кольцевой дифракционной структуры не более 0,1 мкм при общих размерах изделия в несколько сотен миллиметров. Элементы данного типа можно изготовить только с помощью устройств, использующих для записи полярную систему координат. Кстати, последняя предпочтительна и для большей части фокусирующей оптики. В чем же ее особенности?

При таком способе записи подложка, покрытая светочувствительным слоем, вращается с постоянной угловой скоростью, в то время как сфокусированный пучок перемещается вдоль прямой линии, пересекающей центр вращения. Причем при спиральном сканировании, реализуемом с помощью медленного непрерывного перемещения записывающего пятна, ДОЭ изготавливаются как целое без остановок и возвратов. Это позволяет значительно уменьшить время записи и избежать каких бы то ни было сшивок, типичных для устройств, действующих в декартовой системе координат. Круговое сканирование, оптимальное для записи ДОЭ с осевой симметрией, реализуется методом дискретного перемещения записывающего пятна. Данный метод записи оптимален и для синтеза ДОЭ с произвольной "планировкой".

На этом принципе в Институте автоматики и электрометрии СО РАН разработана прецизионная круговая лазерная система записи, предназначенная для изготовления ДОЭ в полярной системе координат. Известно, что лазерное излучение можно сфокусировать в пятно размером меньше длины волны света (~ 0,5 мкм) и получить в нем высокую плотность мощности. В результате расположенное в фокусе вещество практически мгновенно нагревается до высокой температуры. А управляя с помощью компьютера перемещением лазерного пучка и мощностью излучения, удается придать поверхности светочувствительного материала требуемые свойства. В этом качестве мы, в частности, используем пленки хрома; в них под действием нагрева, вызванного лазером, возникает скрытое "термохимическое" изображение. Это позволяет производить прямую запись высококачественных синтезированных голограмм, штриховых и угловых шкал, кодовых дисков, сеток и различного рода фотошаблонов.

Заметим: в дифракционной оптике используют элементы как с прямоугольным, так и с пилообразным профилем поверхности. Создание рельефа с прямоугольным профилем начинается с нанесения пленки хрома толщиной примерно 50 - 80 нм на поверхность стеклянной оптической пластины. Затем на ней сфокусированным пучком мощного лазера записывают необходимую структуру.

В нашей лаборатории было установлено, что аморфные пленки хрома после воздействия излучения меняют свою внутреннюю структуру, а на их поверхности образуется тонкий слой окислов этого металла. Управляя с компьютера перемещением лазерного пятна и мощностью излучения, можно создать в указанной пленке скрытое изображение, которое затем проявляется в селективном проявителе: металл в чистом виде быстро растворяется, а экспонированные участки остаются. Таким образом на поверхности пластины формируется микроструктура. Ее-то и используют в качестве "шаблона" для получения рельефа нужной глубины уже в самом стекле, прибегая для этого к реактивному ионному травлению. Затем остатки хрома стравливают, и дифракционный

* Асферическими называют линзы или зеркала, одна или обе поверхности которых не являются сферическими (прим. ред.).

Запись ДОЭ в декартовой (A) и полярной (B) системах координат. Стрелками показаны направления движения записывающего пятна и адресные сетки.

элемент с бинарным рельефом - готов. В итоге получают структуры с минимальными размерами в доли микрона.

Лазерная технология применима и тогда, когда требуется ДОЭ с пилообразной формой поверхности. На пластину наносят вначале тонкую пленку фоторезиста. Этот материал обладает свойством изменять скорость растворения в проявителе в зависимости от величины экспозиции, т.е. меняя ее, можно изменить толщину пленки. Для формирования рельефа ее поверхность экспонируют движущимся сфокусированным лазерным пучком изменяемой мощности. После проявления в пленке образуется рельеф заданной формы. На завершающем этапе проводят реактивное ионное травление, и рельеф из пленки фоторезиста переносится в материал пластины.

АСФЕРИЧЕСКИЕ ВОЛНОВЫЕ ФРОНТЫ

Сферические и плоские волновые фронты формируются в оптике естественным образом с помощью линз, призм и сферических зеркал. Точечный источник света (скажем, торец волоконного световода) "рождает" почти идеальную сферическую световую волну. Форму такого волнового фронта можно проконтролировать с очень большой точностью путем сличения с первичным эталоном (плоскостью или сферой) через длину волны света лазерного интерферометра. В настоящее время в метрологических центрах ряда стран, в частности во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологической службы, созданы первичные эталоны плоских и сферических поверхностей с погрешностью менее 1 нм. Например, в качестве эталона первых используют ртутное (или масляное) зеркало.

Однако до настоящего времени метрологических эталонов асферических волновых фронтов (АВФ) не существовало, и задача их разработки не ставилась. Это было связано с тем, что невозможно непосредственно и однозначно проконтролировать форму АВФ, если он значительно (больше нескольких длин волн света) отличается от плоского или сферического. Кроме того, само формирование такого волнового фронта методами классической оптики (линзы, зеркала) имеет существенные ограничения.

Фундаментальная задача создания эталонов АВФ, определенных с погрешностью менее 1 нм, необходима для развития ряда направлений оптики, таких как рентгеновская оптика (телескопы и микроскопы), астрономическая (в том числе космического базирования), синхротронного излучения, нанолитографических установок глубокого ультрафиолета* и др.

В настоящее время для формирования АВФ широко используют как линзы (или зеркала), так и ДОЭ. Все эти элементы преобразуют исходный плоский или сферический волновой фронт от точечного источника излучения в асферический, т.е. по сути они являются корректорами волнового фронта.

Рефракционные корректоры, состоящие из набора обычных сферических линз, до последнего времени широко применяли для контроля асферических зеркал, хотя они имеют значительные остаточные аберрации (до 0,05 длины волны), а размеры линз достаточно велики. Так, линзовый корректор для контроля асферического зеркала диаметром 6,5 м телескопа Magellan (США) имеет длину около 1,5 м при диаметре линз до 200 мм, причем допустимая погрешность юстировки линз составляет всего несколько микрон. Разработанное же в Институте автоматики и электрометрии СО РАН аналогичное устройство состоит всего из одного дифракционного оптического элемента и имеет остаточные аберрации менее 10 ^{- 5} длины волны света, т.е. идеально подходит для такого рода преобразований. В последнее время, после разработ-

* Нанолитография - технология изготовления микросхем с размерами элементов менее 100 нм методом экспонирования резиста ультрафиолетовым или рентгеновским излучением (прим. ред.).

Методы изготовления микрорельефа ДОЭ с прямоугольным (a) и пилообразным (b) профилем.

ки новых методов изготовления микрорельефа, ДОЭ стали широко применять для интерферометрического контроля асферической оптики и коррекции волновых фронтов лазеров.

Однако для того, чтобы такие корректоры стали метрологическими эталонами, необходимо обеспечить сертификацию АВФ. Исключительную важность этой операции иллюстрирует пример с американским космическим телескопом "Хаббл". Сразу после вывода его в космос в 1990 г. выяснилось, что асферическое зеркало диаметром 2,4 м изготовлено с дефектом - сферическая аберрация не позволяла достичь и десятой доли запланированного разрешения. Ошибка произошла при сборке линзового корректора: одну из линз установили с небольшим смещением от расчетной позиции, а характеристики АВФ не контролировались. Погрешность в формируемом АВФ привела при полировке зеркала к ошибке в 2 мкм при норме в 0,015 мкм. Потребовалась внеплановая экспедиция "Спейс Шаттл" (США) в 1993 г. для установки в телескоп корректирующей оптической системы, а собственно ремонт обошелся НАСА в 700 млн. дол.

После этого случая все разрабатываемые в США новые телескопы начали проверять с помощью эталонных ДОЭ (или синтезированных голограмм). Следует отметить, что в СССР такой метод был предложен почти на 20 лет раньше.

В последние годы в нашем институте разрабатывают методы сертификации АВФ с нанометровой точностью для контроля формы уникальных асферических зеркал телескопов. Один из путей решения проблемы - применение имитаторов АВФ в сочетании с интерферометром. При этом сферический волновой фронт с выхода интерферометра проходит ДОЭ-корректор и преобразуется в АВФ. Для его сертификации и контроля последовательно с ДОЭ-корректором устанавливают ДОЭ-имитатор. Волновой фронт отражается и дифрагирует на нем, снова проходит ДОЭ-корректор и возвращается назад в интерферометр. И если оба ДОЭ изготовлены точно, то интерферометр не зарегистрирует искажений и можно полагать, что АВФ соответствует идеалу. Если же имеются остаточные аберрации, то это сигнал: что-то не так. Анализ искажений в ряде случаев позволяет идентифицировать их источник.

Другой путь решения проблемы аттестации АВФ - использование комбинированных дифракционных элементов (КД). Их рассчитывают и изготавливают так, что в итоге формируется несколько независимых волновых фронтов. В случае, когда один из них является асферическим, а другой сферическим, установка эталонного сферического зеркала в сферический волновой фронт позволит проконтролировать ход лучей в оптической системе. То есть

Сравнение изображений центральной части ядра галактики М100, сделанных до (a) и после (b) ремонта телескопа "Хаббл".

в этом случае эталонное зеркало выполняет роль ДОЭ-имитатора.

При создании эталонных ДОЭ для контроля асферической оптики в Институте автоматики и электрометрии СО РАН впервые в мире был разработан и построен программно-аппаратный комплекс прямой лазерной записи микроструктур в полярной системе координат на основе прецизионной установки лазерной записи CLWS-300IAE. Новые адаптивные методы коррекции внешних воздействий (температуры, вибраций, деформаций, атмосферного давления и т.д.) позволили обеспечить погрешность записи менее 10 нм в течение 10 ч и более непрерывную работу установки.

За последние несколько лет в нашем институте изготовлены эталонные ДОЭ для контроля формы поверхности асферических зеркал ряда уникальных российских и зарубежных телескопов. На Лыткаринском заводе оптического стекла (Московская область) с помощью наших эталонных ДОЭ изготовлены: зеркало диаметром 1,7 м для перспективного российского космического телескопа "Спектр-УФ", зеркало диаметром 4,1 м для широкоугольного телескопа VISTA, который уже работает в Южной европейской обсерватории (ESO) на горе Параналь в Чили, зеркало диаметром 3,7 м для телескопа ARIES (Индия) и др.

В рамках международных контрактов также разработаны и изготовлены эталонные ДОЭ для контроля оптических систем телескопов SALT, E-ELT, Magellan, LBT JWST.

Большой южноафриканский телескоп SALT с зеркалом диаметром 11 м формально сдан в эксплуатацию в 2005г., но из-за сложности в настройке оптической системы был полностью неработоспособен. Его юстировка стала реальной благодаря эталонному ДОЭ, созданному в Институте автоматики и электрометрии СО РАН. В настоящее время коллектив Южноафриканской обсерватории закончил эти работы и уже получил изображения звезд прекрасного качества. Первые результаты с выражением признательности коллективу нашего института опубликованы в 2010 г.

Экстремально большой европейский телескоп E-ELT с диаметром зеркала 39 м (сдача его в эксплу-

Контроль формы АВФ с помощью ДОЭ-имитатора (a) и КД-корректора с эталонным сферическим зеркалом (b).

атацию планируется к 2018 г.) будет крупнейшим в мире. В Институте автоматики и электрометрии разработана и рассчитана оптическая система на основе прецизионного амплитудно-фазового ДОЭ для контроля прототипов сегментов телескопа. Погрешность формируемого асферического волнового фронта с учетом всех ошибок изготовления составила 5,3 нм.

Помимо того наш институт разработал и изготовил для Стюардовской обсерватории Университета Аризоны (США) эталонные ДОЭ для контроля асферических зеркал телескопов Magellan (зеркало диаметром 6,4 м), Большого бинокулярного телескопа (2 зеркала диаметром по 8,4 м каждое) и новой инфракрасной космической обсерватории Джэймс Вебб (JWST) с диаметром зеркала 6,6 м, запуск которой в точку L₂ Лагранжа* планируется в 2018 г.

В заключение отметим несколько ключевых моментов, важных для развития дифракционной оптики.

Создание круговой лазерной системы записи стимулировало исследовательские работы, направленные на разработку новых технологий синтеза дифракционных структур. Изготовление ДОЭ в полярной системе координат оказалось очень продуктивным. Точность воспроизведения формы волнового фронта дифракционными элементами достигла λ100, что соответствует наивысшим стандартам классической оптики.

Значительным стимулятором исследований стала разработка лазерной термохимической технологии изготовления ДОЭ в тонких пленках хрома. Предложенная в лаборатории дифракционной оптики технология отличается исключительной простотой и воспроизводимостью в сочетании с высоким качеством получаемых микроструктур.

Усовершенствованы методы расчета и изготовления прецизионных ДОЭ для контроля асферической оптики с гарантированной точностью.

* Точки Лагранжа - точки в системе из двух массивных тел, в которых третье тело с пренебрежимо малой массой, на которое не действуют никакие другие силы, кроме гравитационных со стороны двух первых тел, может оставаться неподвижным относительно этих тел; названы в честь французского математика, астронома и механика Жозефа Луи Лагранжа, первым обнаружившего это явление в 1772 г. В точке L₂ (примерно 1,5 млн. км от Земли) орбитальный период объекта становится равным орбитальному периоду нашей планеты. Это идеальное место для размещения космических обсерваторий и телескопов, так как оно находится в тени Земли (прим. ред.).