Grupa 7

Syntetyczny opis
wyników realizacji zadań wPBZ-MIN-009/T11/2003 pt. „Elementy i moduły
optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie
środowiska i technice wojskowej"
Grupa 7 Elementy optyki światłowodowej
Podgrupa 7.1. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie światłowodów
kapilarnych, przełączników światłowodowych i światłowodowych siatek Bragga
Zadanie 7.1.1. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie światłowodów kapilarnych
Opracowano technologię i konstrukcję światłowodów kapilarnych ze szkieł miękkich
korzystając z modyfikacji istniejącego ciągu technologicznego przeznaczonego do wytwarzania
światłowodów do celów instrumentalnych; Opanowano powtarzalną metodę laboratoryjnego
uzyskiwania światłowodów kapilarnych o zmiennych parametrach geometrycznych.
Opracowaną technologię wdrożono do produkcji doświadczalnej na terenie Katedry
Promieniowania Optycznego, Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej oraz wytworzono
szereg serii doświadczalnych światłowodów kapilarnych.
Przeprowadzona charakteryzacja wyciąganych włókien światłowodowych kapilarnych na
etapie technologicznym i po wyciąganiu, w tym dokonane pomiary parametrów geometrycznych,
propagacyjnych i mechanicznych wykazały zgodność ich parametrów z założeniami i możliwość
wykorzystania.
Opracowany i wytworzony asortyment światłowodów kapilarnych zgodnie ze specyfikacją
wymiarową, jest dostępny dla zainteresowanych wraz z opisem technicznym. Dotychczas
udostępniono już takie próbki kilku użytkownikom do celów badawczych.
Opublikowano i utworzono internetową stronę informacyjną dotyczącą wytworzonych
światłowodów kapilarnych i kształtowanych (zgodnie z załączoną tabelą), wraz z ofertą ich
udostępnienia.
Zespół technologiczny światłowodów kształtowanych ze szkieł miękkich, reprezentowany
przez autorów niniejszego opracowania grupuje laboratoria materiałowe, technologiczne, pomiarowe i
aplikacyjne na terenie Politechniki Białostockiej i Politechniki Warszawskiej. Laboratoria
współpracujące są także na terenie AGH. Zespół dysponuje opracowaniami światłowodami
kształtowanymi, między innymi, następujących rodzajów: o złożonej refrakcji, o nietypowych
kształtach rdzenia, wielordzeniowe oraz kapilarne.
Światłowody mogą być udostępniane zainteresowanym zespołom akademickim do badań w
ilościach próbek laboratoryjnych bezpłatnie jedynie wtedy gdy ich poszukiwane rodzaje (wymiary,
refrakcja, właściwości mechaniczne) są zgodne z asortymentem podanym w ofercie, a ich próbki są w
posiadaniu laboratorium. Specjalne żądania wykonania światłowodu kształtowanego, w tym
kapilarnego, o parametrach dostosowanych do aplikacji kontrahenta są możliwe do wykonywane na
zasadach komercyjnych w uzgodnionym terminie, na zasadzie zlecenia pracy technologicznej dla
uczelni.
Podsumowanie głównych parametrów wytwarzanych światłowodów kapilarnych
Parametr
Rodzaje szkieł
Refrakcja
Technologia
Wymiary geometryczne
Średnica zewnętrzna [μm]
Średnica wewnętrzna [μm]
Stabilność
wymiarów
poprzecznych [%]
Średni stopień eliptyczności [%]
Pokrycie zewnętrzne
Pokrycie wewnętrzne
Rodzaj, wielkość
wieloskładnikowe
sodowo-wapniowe,
barowo-sodowe,
ołowiowo-sodowe,
borokrzemionkowe,
typowo 1,55 – 1,75 , specjalne poza tym zakresem
tyglowa, preformowa, hybrydowa
typoszereg wymiarowy lub na specjalne zamówienie (znacznie większe koszty) próbki
dostępne poza typoszeregiem; w szczególności o mniejszych średnicach;
Standardowo 30 – 350 , specjalne poza tym zakresem
Standardowo 2 – 200 , specjalne poza tym zakresem
mniejsza niż 3
mniejsza niż 1
Standardowo poliamidowe, twarde,
Brak, lub tzw. kondycjonowanie wnętrza kapilary
Zakres przezroczystości [nm]
Średni poziom przezroczystości
Profil refrakcyjny
Apertura numeryczna wewnętrzna
Apertura numeryczna zewnętrzna
Wytrzymałość
mechaniczna
[GPa]
Parametr Weibulla
Średni łamiący promień zgięcia
Długość dostarczanych próbek
Termin dostarczania próbek z
zakresu typoszeregu
Termin dostarczania próbek spoza
typoszeregu
lub
próbek
specjalnych
Typowe
koszty
próbek
typoszeregu
Inne światłowody kształtowane
400 – 2000 , zależnie od materiału włókna,
80%/5m w zakresie widzialnym
Skokowy, wieloskokowy,
Typowo 1 lub 0,2-0,4
0,15-0,4
ok. 0,3-1,5
ok. 3 – 7
ok. 5mm dla 50 μm do 30 mm dla 200 μm
typowo 20-40cm, 1 m, (specjalne do 5 m)
2 tygodnie
1 miesiąc / po umówieniu się z laboratorium technologicznym co do parametrów technicznych
i złożeniu zamówienia;
Zamówienie indywidualne (najmniej korzystne cenowo, związane z jednokrotnym
uruchomieniem procesu technologicznego): materiały – ok. 1000zł, technologia ok. 1000zł,
pomiary i charakteryzacja podstawowych parametrów ok. 1000zł;
Pierścieniowe, eliptyczne, o złożonej refrakcji, o złożonym kształcie rdzenia, ze specjalnych
materiałów,
Zapytania kierować do Laboratorium Technologii Światłowodów, Katedra Promieniowania
Optycznego, Wydział Elektryczny, Politechnika Białostocka; ul. Wiejska 45 D, 15-351 Białystok,
tel.085-746-94-37, 746-94-31; email: prof. Jan Dorosz <[email protected]>.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 7.1.2. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie przełączników
mikromechanicznych
Zgodnie z ofertą, podstawowym celem realizacji zadania jest opracowanie światłowodowego
modułu przełącznika przydatnego do zastosowań w sieciach czujników światłowodowych, o
następujących parametrach optycznych:
 straty wtrącenia <2dB,
 przesłuch <-50dB,
 odbicie wsteczne <-60dB,
 czas przełączenia < 10ms.
Są to wielkości wystarczające do potencjalnych zastosowań przełącznika w sieciach czujników
światłowodowych. W ramach I etapu, odnośnie własności użytkowej przełącznika jaką jest typ
przełączanych światłowodów, prowadzono rozmowy, seminaria, wykonano prezentacje dla: Instytutu
Lotnictwa w Warszawie (IL), Orlenu, TPI sp. z o. o. oraz dla zainteresowanych Zespołów
Badawczych reprezentowanymi przez Wydział Chemii Wydział Fizyki PW. Doprowadziło to do
doprecyzowania wymagań na typ przełączanego światłowodu na: włókna szklane w płaszczu
polimerowym (PCS i HCS) o średnicach rdzenia z zakresu: 250-600
m i pokryciu
1mm. Spowodowało to konieczność zmiany chemicznych technologii, wykonania układu
pozycjonowania włókien odbiorczych, na technologię mikro- elektro- drążenia. Zmiana ta została
zaakceptowana podczas odbioru częściowego z dnia 12.04.2006.
W realizacji podzadania dla celów projektowych opracowano modele głowic przełącznika,
które zaimplementowano jako skrypty programu MathCad. Zakup aparatury umożliwił wykonanie
układów pomiarowych, oraz realizację kluczowego zagadnienia preparatyki światłowodów.
Opracowano wskazówki technologiczne i wykonano podzespoły głowicy oraz głowicę przełącznika.
Zadanie doboru materiałów i weryfikację topologii wykonano eksperymentalnie. Opracowano układy
towarzyszące głowicy przełącznika zapewniające wymaganą szybkość przełączania. Opracowano i
wykonano zintegrowany sterownik głowicy zawierający interfejs komunikacyjny RS232 i
oprogramowanie. Przeprowadzono badania, w tym długoterminowe testy, parametrów
demonstratorów głowic przełącznika i układu sterownika jak i całych modułów. W trakcie realizacji
podzadania okazało się, że w ramach prezentowanych rozwiązań parametry podane w ofercie
dotyczące strat wtrącenia i czasu przełączania są blisko wartości granicznych. W efekcie końcowym
wykonano dwa moduły mikro-mechanicznych przełączników światłowodowych o następujących
parametrach:
 straty wtrącenia <2dB,
przesłuch <-70dB (nie mierzalny posiadaną aparaturą –70dB),
odbicie wsteczne <-60dB,
czas przełączenia < 10ms, zalecany przy długoterminowej pracy niezbędny czas do
ponownego przełączenia 10ms,
 typ światłowodów: BFH 37-400, (możliwość instalacji w głowicy światłowodów o średnicy
pokrycia mniejszej od 1mm, i średnicy rdzenia większej od 250µm),
 złącza optyczne SMA,
 sterowanie modułu bezpośrednio elektryczne lub przez interfejs RS232 poprzez załączone
oprogramowanie.
Do odbioru końcowego przedstawiono: dwa moduły przełączników, oprogramowanie, karta
informacyjna modułu przełącznika oraz zbiór rysunków detali mechanicznych i schematów
elektronicznych. Wszystkie zadania wynikające z harmonogramu zostały wykonane.



Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 7.1.3. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie światłowodowych siatek
Bragga
Efektem fotoczułości nazywamy trwałe zmiany współczynnika załamania materiału pod
wpływem oświetlenia. Jak dotąd nie ma jednoznacznej teorii o mechanizmach, które wywołują ten
efekt. Najbardziej prawdopodobną przyczyną jest występowanie centrów barwnych. W szkle, a
szczególnie w szkle domieszkowanym germanem, występują liczne i różnorodne defekty strukturalne
wywołane procesami syntezy szkła i wyciągania włókna. Po oświetleniu następuje rozpad wiązań,
zmieniają się wartości współczynnika absorpcji. W konsekwencji prowadzi to do lokalnych zmian
współczynnika załamania. Realizowane zgodnie z takim modelem siatki Bragga nazwano siatkami I
rodzaju. Istnieje możliwość termicznego wymazania zjawiska w temperaturach rzędu 2000C.
Światłowodowa siatka Bragga jest dla światła typowym filtrem pasmowo-zaporowym. Aby uzyskać
efekt musimy lokalnie oświetlić rdzeń włókna skupioną wiązką światła lasera UV. W naszym
przypadku jest to laser argonowy Coherent o pracy ciągłej z podwajaniem częstotliwości 100mW
(244nm). Jego zalety to: doskonała spójność przestrzenna i stabilność długoterminowa, nadaje się do
niewielkich serii produkcyjnych i prac badawczych. Moc ta w zupełności wystarcza do wykonywania
siatek Bragga. Przy tych mocach wiązki nie udaje się wykonać siatki Bragga na typowym włóknie
telekomunikacyjnym. Zrealizowaliśmy proces wodorowania ciśnieniowego. Wodór pod ciśnieniem do
160bar w temperaturze pokojowej wnika do rdzenia i powoduje wzrost oddziaływania z molekułami
germanu i znacząco zwiększa fotoczułość w rejonie 240nm. Wodorowane odcinki włókien są
przechowywane w zamrażarce. W ramach projektu wykonano dodatkowo wewnątrz komercyjnej
zamrażarki specjalną wkładkę wykorzystując ogniwa Peltiera, dzięki czemu temperatura zamrażarki
wynosi -40÷-430C. Światłowody można obecnie długo magazynować po wodorowaniu nie tracąc ich
własności fotoczułych (ponad rok).
Aby wykonać siatkę należy na rdzeniu wytworzyć wzór interferencyjny. Można to zrealizować
dwiema metodami. W tzw. metodzie interferencyjnej dzielimy wiazkę lasera po połowie. Po odbiciu
obu wiązek od zwierciadeł uzyskuje się periodyczny układ prążków interferencyjnych rzutowany na
rdzeń włókna. Zmiana położenia i obrót zwierciadeł pozwala na zmiany okresu siatki Bragga w
znacznym zakresie. W metodzie maski fazowej wykorzystujemy specjalną siatkę dyfrakcyjną. Jest ona
„stemplem” umożliwiającym wielokrotne wykonywanie siatek Bragga o bardzo podobnych
parametrach dla określonej długości fali zgodnej z ustaleniami normatywnymi pod warunkiem
identycznego oświetlania. Jednak dla każdej długości fali wymagana jest nowa, dość kosztowna
maska fazowa.
Światłowodowe siatki Bragga ze względu na bardzo małą szerokość widmową, rzędu ułamka
nanometra, wymagają specyficznego systemu pomiarowego o ekstremalnie dużej rozdzielczości
spektralnej pojedynczych pm oraz dynamice pomiaru rzędu 50dB. Podjęliśmy decyzję o zakupie
używanego analizatora widma optycznego. Dzięki dokonaniu aneksu do umowy mieliśmy
wystarczające środki finansowe do realizacji tego zamierzenia. Z dostępnych propozycji wybraliśmy
najlepsze rozwiązanie w postaci analizatora Advantest o czterokrotnym przejściu sygnału przez siatkę
dyfrakcyjną (zmniejszenie poziomu szumów tła) i najlepszej dostępnej rozdzielczości spektralnej
10pm. Umożliwia on pomiary charakterystyk spektralnych elementów światłowodowych w szerokim
zakresie widmowym zgodnie z wymaganiami. Użytkownik ma możliwość wyboru różnych trybów
pracy analizatora zależnie od wymaganej rozdzielczości i poziomu sygnału, różniących się, między
innymi, także szybkością przebiegu pomiaru. Stwarza to również możliwość dokonywania pomiarów
parametrów siatki bezpośrednio w trakcie procesu naświetlania. Układ pomiarowy wyposażono w
odpowiednie złącza umożliwiające szybkie wsunięcie do środka i mocowanie „gołego”
standardowego włókna. Złącze to jest wykonane w standardzie FC/PC. Dla światłowodów o
nietypowych średnicach wykonano złącza regulowane w powietrzu „na styk”. Do tego celu
zbudowano 2 stoliki x/y/z ze śrubami mikrometryzcnymi.
W układzie z maską fazową stosowano pierwotnie silnik krokowy. Silnik ten powodował wibracje
mechaniczne systemu optycznego. Zastąpiono go silnikiem liniowym z kartą sterownika
przystosowaną do współpracy z komputerem. Opracowano odpowiedni program pracy tym silnikiem.
Zakupiono również maski fazowe na zgodne z wymaganiami projektu długości fal. Kryterium wyboru
masek były w kolejności: parametry optyczne, niski poziom sygnału w zerowym rzędzie i cena.
Źródła światła o dużej gęstości spektralnej są niezbędne do prowadzenia pomiarów o wysokiej
rozdzielczości i dużej dynamice zmian sygnału. Produkowane obecnie diody elektroluminescencyjne
charakteryzują się wysoką gęstością mocy spektralnej na jednodomowym wyjściu światłowodowym.
Dla obniżenia kosztów zakupiono jedynie moduły diod wykonując układy sterowania i kontroli we
własnym zakresie. Dwie diody umieszczano w jednej obudowie. Wykonano takie źródła dla pasm
1000,1300 i 1550nm.
Po realizacji w/w prac naświetlono siatki Bragga w interesujących i wymaganych przez PZB
obszarach spektralnych, tj. 1030, 1060, 1300 i 1550nm. Ich przykładowe charakterystyki
przedstawiono w sprawozdanu merytorycznym. Zgodnie z umową przedstawiamy po 5 siatek dla
każdego z tych obszarów.
Stwierdzamy, że dzięki uczestnictwu w grancie PBZ wykonujemy obecnie siatki Bragga dla długości
fal w zakresie spektralnym 980-1600nm na typowych włóknach telekomunikacyjnych.
Najprawdopodobniej zakres ten może być rozszerzony w górę i w dół (granicą jest m.in. stabilność
mechaniczna). Jedynie geometria stosowanych obecnie układów optycznych, rozdzielczość systemu,
posiadanie włokna jednomodowego dla odpowiedniego zakresu oraz potrzeby użytkowników
wstrzymują ich realizację. Zrealizowaliśmy siatki o szerokości spektralnej (FWHM) od 63pm do
6,5nm. Wykonanie siatek szerszych od 2nm wymaga jednak stosowania specjalnych procedur, np.
wykorzystując zjawisko chirpu. Zostało to zrealizowane naświetlając kolejne odcinki włókna z różną
dawką promieniowania lub na przewężeniu światłowodowym. Filtry o jeszcze szerszej
charakterystyce możemy zrealizować w postaci tzw. siatek długookresowych. Współczynnik tłumienia
przekracza w niektórych egemplarzach wartośc 45dB. Nie da się jednak uzyskać w każdym przypadku
wszystkich założonych parametrów jednocześnie, np. siatki bardzo wąskie spektralnie mają bardzo
krótkie czasy ekspozycji; wówczas współczynnik tłumienia jest niewielki.
Opracowanie technologii wytwarzania siatek Bragga w sposób kontrolowany, o określonej szerokości
pasma i współczynniku tłumienia umożliwia otrzymanie filtrów optycznych w postaci siatek Bragga
na rdzeniu światłowodu i otwiera możliwości ich zastosowania w wielu dziedzinach techniki:
telekomunikacji światłowodowej (filtry, multipleksery, kompensatory dyspersji, elementy EDFA),
technice laserowej (zwierciadła i filtry), pomiarach wielkości nieelektrycznych (naprężenia i
temperatura) i budowie skomplikowanych, niskostratnych podzespołów światłowodowych.
Dzięki realizacji projektu PBZ-MiN-009/T11/2003 została stworzona baza technologiczna do
realizacji siatek Bragga o parametrach zgodnych z życzeniem użytkownika, powstała unikalna
aparatura umożliwiająca wykonywanie i pomiar parametrów spektralnych siatek na rdzeniu
światłowodu (oraz innych podzespołów włóknowych) z rozdzielczością 10pm. Opracowano
technologie umożliwiające projektowanie i realizację siatek Bragga o parametrach zgodnych z ofertą
i założeniami pracy:
• szerokości spektralnej 0,15-3nm – granica dolna została w praktyce znacznie rozszerzona,
siatki o szerokości spektralnej 1,5nm są względnie proste do wykonania, realizacja siatek o
większej szerokości spektralnej wymaga znacznie bardziej skomplikowanych procedur, ale jest
w pełni możliwa, jak pokazano na przykładach,
• współczynniku tłumienia do 30dB, osiągnąć można wyższe współczynniki tłumienia, powyżej
40dB, wpływ zastosowanego włókna jest tu istotny,
• zakresie spektralnym 1000 – 1600nm,
Opracowane siatki mogą być wykorzystane przy realizacji kolejnych projektów badawczych z
dziedziny telekomunikacji, technologii laserów włóknowych i metrologii oraz realizacji innych
podzespołów światłowodowych
Stwierdzamy, że realizacja podzadania przebiegła zgodnie z koncepcją podaną we wniosku, opis
otrzymanych wyników badań i uzyskane parametry techniczne siatek Bragga dla pasm 1030, 1060,
1300 i 1550nm są zgodne z Umową, nie udało się zrealizować siatek na włóknie dwupłaszczowym.
Próby wykonania takiej siatki zakończyły się niepowodzeniem. Po konsultacjach uznano, że w
laserach włóknowych średniej i dużej mocy, w których włókna dwupłaszczowe są stosowane,
znacznie lepszym rozwiązaniem jest dołączanie rezonatorów braggowskich z zewnątrz, np. techniką
spawania. Rezonatory te są wówczas wykonane w sposób tradycyjny na zwykłych jednomodowych
włóknach germanowych.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 7.2. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie planarnych siatek
dyfrakcyjnych do urządzeń spektroskopowych i laserów przestrajalnych.
Program realizacji zadania obejmuje zestawienie kompletnego wyposażenia do projektowania
siatek, przygotowania podkładów pod żelatyny, formowania warstw światłoczułych, naświetlania,
obróbki fotochemicznej, pomiarów kontrolnych w trakcie procesu, pomiarów atestujących siatki i
końcowego zapewnienia trwałości w późniejszch warunkach pracy. Oprócz wyposażenia i technologii
końcowym wynikiem realizacji zestaw siatek stanowiący przykładową ofertę dla kontrahentów, przy
czym możliwe będzie także wytwarzanie innych typów, dostosowanych do indywidualnych potrzeb.
Zakłada się, że siatki będą pod względem jakości konkurencyjne w stosunku do zagranicznych
odpowiedników i będą nadawały się do zastosowań w sprzęcie wysokiej klasy już produkowanym
bądź wykorzystującym nowo odkrywane techniki.”
Opracowane i wykonane siatki będą miały kształt koła i niewielkie rozmiary 2-5 cm średnicy
przeznaczone np. do spektrometrów w różnych obszarów widma, o możliwie wysokiej wydajności w
maksimum, ok. 70%, i charakterystyce opadającej do ok. 40% na brzegach zakresu o szerokości jednej
oktawy (λ max = 2×λ min ). Uzupełniać je powinny siatki wąskopasmowe o wydajności ok. 90 % w
maksimum. Wszystkie egzemplarze są zabezpieczone przed długotrwałymi wpływami klimatycznymi
podczas pracy w typowych warunkach laboratoryjnych.
Biorąc pod uwagę podpisany aneks (wykreślająca siatkę - hologram odbiciową jako nie wiążącą się z
rozwijaną koncepcją technologii), skład zestawu demonstratorów siatek transmisyjnych
potwierdzający opracowanie i opanowanie całego procesu technologicznego został ustalony jako:
1. Szerokopasmowa, transmisyjne na zakres 450-850 nm. Wydajność maksymalna 70%, na
brzegach zakresu większa niż 40%.
2. Szerokopasmowa, transmisyjna na zakres 580 -1060 nm. Wydajność maksymalna 70%, na
brzegach zakresu większa niż 40%.
3. Wąskopasmowa na zakres 1550 -1600 nm. Wydajność maksymalna 85%.
4. Szerokopasmowa, transmisyjna, zakres spektralny 850-1650 nm, wydajność maksymalna 70
%, na brzegach zakresu większa niż 40%
5. Szerokopasmowa, transmisyjna, zakres spektralny 1100-2100 nm, wydajność maksymalna 70
%, na brzegach zakresu większa niż 40%
6. Szerokopasmowa, transmisyjna, zakres spektralny 1300-2500 nm, wydajność maksymalna 70
%, na brzegach zakresu większa niż 40%
W ramach zadania zakupiono i zainstalowano laser na stanowisku holograficznym laser argonowy
LJ-800 krajowej produkcji. Zestawiono i zainstalowano pomocniczy urządzenia pomiarowe:
interferometr do kontroli zaburzeń kontrastu prążków, laboratoryjny układ do pomiaru szumu siatek,
dwa spektrometry do pomiaru wydajności: siatkowy na zakres UV-VIS i pryzmatyczny na zakres
VIS-IR oraz układ do pomiaru częstości siatek.
Przygotowane i sprawdzone w trakcie pracy procedury wykonywania siatek dyfrakcyjnych w
żelatynach dwuchromianowych dają możliwość projektowania i wykonania siatek o założonych
parametrach. Jako wynik wykonania zadania przedstawiono sześć siatek na zakresy wynikające z
oferty: 850-1650 nm; 450-900 nm; 580-1060 nm; 1100-2100 nm; 1530-1560 nm; 1300-2500 nm i
cztery dodatkowe 420-760 (1000) nm; 550-1000 nm; 650-950 nm; 940-1140 nm.
Wykonane w ramach projektu siatki dyfrakcyjne pokrywają cały zakres promieniowania
widzialnego oraz bliskiej podczerwieni, a ich parametry są odpowiednie dla zastosowań w
urządzeniach spektralnych, w szczególności w spektrometrach obrazowych. Uzyskano charakterystyki
spektralne o wysokim maksimum wydajności, często przekraczającym założone 70%, a w niektórych
siatkach dochodzącym nawet do 90%. Także wydajność przy granicznych długościach fal zakresu
λ min – 2λ µιν z reguły przekracza założone 40%. W razie potrzeby istnieje możliwość jej zwiększenia
na wybranym krańcu zakresu obrotem siatki (zmianą kąta padania), przy jednoczesnym zachowaniu
wysokiego maksimum.
Wykonawca nawiązał kontakt z firmą P&P Optica w Kanadzie. Oferuje ona cały zestaw
zaawansowanych technicznie przyrządów do spektrometrii optycznej, m. in. spektrometry
ramanowskie, obrazujące, wielokanałowe, konwencjonalne o podwyższonym stosunku sygnału do
szumu i miniaturowe spektrometry światłowodowe. Z firmy kanadyjskiej uzyskano informacje na
temat widmowych zakresów roboczych siatek, którymi interesują się klienci oraz opinie o przesłanych
próbkach wraz z sugestiami poprawy zauważonych wad i szczegółami, mającymi znaczenie gdy siatka
jest montowana w urządzeniach wysokiej jakości. Równocześnie firma stwierdziła, że wykonane
technologią opracowaną w ramach wykonania zadania siatki są w pełni przydatne do wykorzystania w
urządzeniach spektralnych, w tym spektrometrach obrazowych. Uzyskane wyniku badań były
referowane na konferencji „Diffractive Optics 2005”
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe
Zadanie 7.3. Opracowanie technologii i konstrukcji oraz wykonanie matryc mikrosoczewek
Podstawowym celem zadania było opanowanie metody projektowania i wytwarzania
dyfrakcyjnych elementów optycznych o wysokiej sprawności, to jest wysokiej wydajności
dyfrakcyjnej (η>90%) i jednocześnie dużych aperturach numerycznych (NA>0.25). Badania
prowadzono pod kątem wykorzystania technologii do wytwarzania elementów mających
zastosowanie w dwóch obszarach:
• do otrzymywania macierzy mikroobrazów (powielanie sygnałów optycznych) oraz
• kolimowania wiązki światła emitowanej przez diody laserowe.
W obu przypadkach zaproponowano zastosowanie nowego typu elementów optycznych, to jest
odpowiednio fazowych filtrów próbkujących oraz eliptycznych płytek strefowych o zmiennej liczbie
poziomów fazowych.
Do wytwarzania wielopoziomowych struktur dyfrakcyjnych zaproponowano technologię
pozwalającą na wykonanie profili o L=2n poziomach fazowych w n procesach litograficznych.
W każdym z nich wzór naświetlony wiązką elektronów w warstwie elektronorezystu stanowi po
wywołaniu maskę do formowania profilu dyfrakcyjnego poprzez reaktywne trawienie jonowe podłoża.
Istotną cechą metody jest wykorzystanie wiązki do centrowania poszczególnych poziomów
technologicznych, gwarantujące wysoka dokładność profili.
Opracowano programy komputerowe pozwalające na generację danych fazowych płytek
sferycznych, eliptycznych i cylindrycznych w formacie wymaganym przez system do
elektronolitografii ZBA20, na którym wykonywane były wzory struktur dyfrakcyjnych.
Określono warunki dla obu podstawowych procesów technologicznych, to jest procesów
generacji wzorów oraz trawienia wielopoziomowych profili dyfrakcyjnych, zakładając możliwość
uzyskania elementów o 8 poziomach (teoretyczna wydajność dyfrakcyjna 95%) ze stopniami
fazowymi o wymiarach poprzecznych 0.5 µm i wysokości kontrolowanej z dokładnością lepszą
niż 10%. Przyjęte rozwiązania pozwoliły na poprawne wykonanie wzorów z wymiarem minimalnym
0.3 µm (znamionowa rozdzielczość elektronolitografu ZBA20 wynosi dla struktur periodycznych
0.4 µm), a błędy wysokości profili trawionych w podłożach kwarcowych nie przekraczały 2%.
Technologię zweryfikowano poprzez wykonanie i zbadanie właściwości siatek oraz mikrosoczewek
dyfrakcyjnych o 2, 4 i 8 poziomach fazowych. Uzyskano elementy o bardzo dobrej jakości frontu
falowego (rms=1%) i wysokiej wydajności dyfrakcyjnej, wynoszącej dla soczewek o 8 poziomach
fazowych z wymiarem krytycznym 0.8 μm 92%, a z wymiarem 0.5μm 88%, co stanowi odpowiednio
97% i 93% wydajności teoretycznej takich struktur.
Zaprojektowano i wykonano fazowy filtr próbkujący pozwalającym na otrzymywanie
jednorodnej macierzy mikroobrazów. W uproszczeniu filtr taki jest odpowiednikiem dwuwymiarowej
macierzy ”skompresowanych” mikrosoczewek, to jest soczewek, których efektywne apertury są
większe niż odległości między soczewkami (efekt niemożliwy do uzyskania w przypadku
rzeczywistych soczewek). Przyjmując minimalny wymiar elementów b=2 μm za-projektowano filtr
równoważny tablicy 200x200 soczewek o ogniskowej f=99d2/(100λ)=62.58 mm i aperturze o boku
a=2λf/b=39.6 mm (λ=632.8 nm) umieszczonych w sieci kwadratowej o stałej d=0.2 mm
(powierzchnia struktury 40x40 mm2). Filtry o 8 poziomach fazowych wykonano na podłożach
kwarcowych. Uzyskano struktury o wysokiej, sięgającej 91% wydajności zapewniające rozdzielczość
obrazowania 2 µm i jednorodny rozkład natężenia powielanych obrazów z równomiernością lepszą niż
5%. Klasyczna macierz mikrosoczewek, jaką zastępuje wykonana struktura, miałaby rozdzielczość
198 µm, to jest prawie 100 razy gorszą. Ponadto, podczas gdy uszkodzenie pojedynczej soczewki w
takiej macierzy powoduje istotne pogorszenie jakości pojedynczego obrazu, to lokalne uszkodzenia
filtra nie ma istotnego wpływu na jakość obrazowania. Wykonane fazowe filtry próbkujące mogą więc
z powodzeniem zastąpić macierze mikrosoczewek i służyć do generowania macierzy obrazów
o bardzo wysokiej jednorodności.
Zaprojektowano i wykonano elementy dyfrakcyjne służące do formowania wiązek światła
emitowanych przez jednowymiarowe matryce diod laserowych (tzw. linijki diod laserowych) biorąc
pod uwagę struktury wytwarzane w ITME i ITE, to jest linijki emitujące światło o długości fali λ
równej 808 (moduł d=0.5 mm) oraz 980 i 1002 nm (d=0.6 mm) składające się z 8 do 16 diod.
Przyjęto, że do kolimacji wykorzystane zostaną układy umieszczonych obok siebie dyfrakcyjnych
soczewek eliptycznych o prostokątnych aperturach (liczba soczewek równa liczbie diod). Za istotną
zaletę takiego rozwiązania uznać należy wyrównanie natężenia światła w przekroju formowanej
wiązki wynikające z nakładania się wiązek światła emitowanych przez poszczególne diody linijki.
Korzystne z punktu widzenia miniaturyzacji układu są także jego małe wymiary – maksymalny
wymiar apertury elementu odpowiada długości linijki, a jego odległość od diod z 1 równa jest około 5d
(2 do 3 mm). Tak mała odległość nie pozwala jednak na skuteczne wyeliminowanie rozbieżności
ugiętej wiązki w płaszczyźnie złącz, wynikającej z długości krawędzi l emitującej światło. Minimalna
szerokość wiązki a x , niezależnie od liczby diod w linijce wiązce, rośnie wraz z odległością z 2 od
elementu optycznego (z 2 >z 1 ) zgodnie z zależnością a x =2.z 2 .l.tan(θ r )/(d-l).
Właściwe projekty elementów wielopoziomowych poprzedzono wykonaniem i zbadaniem
binarnych modeli soczewek eliptycznych o zróżnicowanych aperturach kątowych (θ r =30÷70 w osi
równoległej i θ p =90÷250 w osi prostopadłej do złącza) oraz układów takich soczewek. Stwierdzono, że
w przypadku diod laserowych wytwarzanych w ITME przyjęcie apertury odpowiadającej kątom
rozbieżności wiązki 2θ r =100 i 2θ p =400 zapewniać powinno możliwość wykorzystania 90% energii
emitowanej przez diody. Dla tak dużych kątów wykonanie wydajnych elementów o 8 poziomach
fazowych nie jest jednak możliwe (wymiar krytyczny poniżej λ/2). Jako rozwiązanie zaproponowano
zastosowanie nowego typu elementów dyfrakcyjnych, to jest elementów o dwóch powierzchniach
fazowych lub zmiennej liczbie stopni fazowych. Doświadczalnie stwierdzono, że osiągane dzięki temu
znacznie większe apertury numeryczne pozwalają - pomimo mniejszej wydajności dyfrakcyjnej takich
elementów – na bardziej efektywną kolimację wiązek o dużych kątach rozbieżności niż byłoby to
możliwe w przypadku struktur o standardowym profilu fazowym i tym samym wymiarze krytycznym.
Uwzględniając ograniczone ramy czasowe projektu zdecydowano, że układy kolimujące zostaną
wykonane w postaci elementów ze zmienną liczba poziomów fazowych. Struktury zaprojektowano
zakładając uzyskanie w odległości z 2 =20 z 1 ≈ 46 mm wiązki o przekroju 2x2 mm2. Przyjęto apertury
kątowe θ p =230 i θ r =50, λ=808 nm, krawędź emitującą l=0.1 mm, moduł linijki d=0.5 mm oraz liczbę
diod w linijce równą 8 (parametry linijek dostarczonych przez ITME, w wersji binarnej wykonano
także element obejmujący 32 diody).
Awaria elektronolitografu ZBA20 w końcowej fazie realizacji pracy i przedłużający się okres
naprawy (ponad 3 miesiące) nie pozwoliły na wykonanie układu zgodnie z założeniami projektu.
Zamiast elementów o profilu z 8 poziomami fazowymi wykonano struktury o 4 stopniach fazowych,
równoważne pod względem formowania wiązki, ale o mniejszej wydajności dyfrakcyjnej. Uzyskane
elementy zapewniały prawidłowy przekrój wiązki (kwadrat o boku 2±0.2 mm), a ich wydajność
dyfrakcyjna wyniosła 61% przy teoretycznej wydajności takich struktur równej 65.4%. Sprawność
układu, mierzona jako stosunek mocy ugiętej wiązki do mocy emitowanej przez linijkę w kącie
bryłowym 800, wyniosła 53%. Ta niewysoka wartość wynikła przede wszystkim z niższej wydajności
dyfrakcyjnej soczewek, będącej skutkiem ograniczenia profilu fazowego do 4 poziomów. Uzyskane
wyniki dają jednak podstawy do stwierdzenia, że w przypadku profili obejmujących 8 stopni
fazowych – a struktury takie były wykonane w ramach pracy - przyjęte rozwiązania zapewnić
powinny wydajność dyfrakcyjną powyżej 85% (teoretyczna wydajność 89%), a w rezultacie znacznie
wyższą, przekraczającą 73%, sprawność elementów.
Układy kolimujące w ilości 24 sztuk, każdy obejmujący 8 dyfrakcyjnych soczewek eliptycznych
o zmiennym profilu fazowym, wykonano na podłożach kwarcowych i sporządzono demonstratory w
postaci linijek diod laserowych sprzężonych z elementami kolimującymi.
Odpowiadając na zapotrzebowanie producenta sprzętu medycznego związane z zastosowaniem
laserów do celów medycznych (firma WAMED, biostymulacja skanerem laserowym λ=808 nm)
w ramach projektu wykonano także prototypową partię eliptycznych soczewek dyfrakcyjnych
(4 poziomy fazowe, wydajność dyfrakcyjna 75%) przeznaczonych do kolimacji pojedynczych diod
laserowych. Zgodnie z postawionymi wymaganiami elementy zapewniają uzyskanie wiązki o dobrze
zdefiniowanym kwadratowym przekroju 2 cm2 w odległości 100 cm od źródła.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe