ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ УФ-ОТВЕРЖДАЕМЫХ АКРИЛАТОВ.
ÓÄÊ 547.97: 535.8; 541.147
ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈÅ ÌÈÊÐÎÑÒÐÓÊÒÓÐ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÓÔ-ÎÒÂÅÐÆÄÀÅÌÛÕ ÀÊÐÈËÀÒÎÂ.
© 2008 ã. © 2008 ã.
Ì. È. Ôîêèíà; È. Þ. Äåíèñþê, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Þ. Ý. Áóðóíêîâà; Ë. Í. Êàïîðñêèé, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò Ïåòåðáóðã
E-mail: mari2506@rambler.ru
 äàííîé ðàáîòå ðàññìàòðèâàþòñÿ âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ìèêðîñòðóêòóð íà îñíîâå ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ àêðèëàòîâ. Èññëåäóåòñÿ ïðèìåíèìîñòü ìåòîäà ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïîëèìåðíûõ ìèêðîëèíç è ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà.
Êîäû OCIS: 160.5470.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 13.05.2008.
Ââåäåíèå
Ïîëèìåðíûå îïòè÷åñêèå ìàòåðèàëû íà ñåãîäíÿøíèé äåíü èíòåíñèâíî âûòåñíÿþò êëàññè÷åñêîå îïòè÷åñêîå ñòåêëî. Íàèáîëåå èíòåíñèâíî ýòîò ïðîöåññ íàáëþäàåòñÿ â ìèêðîîïòèêå, ãäå ðàçìåðû ýëåìåíòîâ (îò åäèíèö äî ñîòåí ìèêðîìåòðîâ) òðåáóþò èñêëþ÷åíèÿ ñëîæíûõ îïåðàöèé îáðàáîòêè, à èõ âñå áîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå – óäåøåâëåíèÿ è óïðîùåíèÿ òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà. Íåñîìíåííî, ïî îïðåäåëåííûì ïàðàìåòðàì ïîëèìåðû óñòóïàþò êëàññè÷åñêîìó ñòåêëó. Òàê, íàïðèìåð ðàññåÿíèå øèðîêî èñïîëüçóåìûõ ïîëèìåðîâ íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ 0,1–1% (ó ñòåêîë ïîðÿäêà 10–6%); òåìïåðàòóðà äåñòðóêöèè ïîëèìåðîâ ïðèìåðíî 200 °Ñ è äð. Îäíàêî äëÿ áîëüøèíñòâà îáëàñòåé ïðèìåíåíèÿ ïîëèìåðíûõ ýëåìåíòîâ òàêèå ïàðàìåòðû âïîëíå äîïóñòèìû.
Ñåãîäíÿ ìàòðèöû ïîëèìåðíûõ ìèêðîëèíç øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ óâåëè÷åíèÿ âîñïðèèì÷èâîñòè ÏÇÑ-ìàòðèö [1], êîïèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ [2], óâåëè÷åíèÿ ïîëÿ ñêàíèðîâàíèÿ [3–5]. Ìèêðîýëåìåíòû èñïîëüçóþòñÿ â ñèñòåìàõ òåëåêîììóíèêàöèé (â òîì ÷èñëå, äëÿ óïðàâëåíèÿ ñâåòîâûìè ïó÷êàìè â âîëîêîííûõ ëèíèÿõ ñâÿçè), â èíôîðìàöèîííûõ ñèñòåìàõ, ìèêðîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ (ÌÝÌÑ) è ìèêðîîïòîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ (ÌÎÝÌÑ) ñèñòåìàõ [6–8] è ìíîãèõ äðóãèõ. Èíòåíñèâíî ïðîâîäÿòñÿ èññëåäîâàíèÿ ïîëó÷åíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâà èçîáðàæåíèé, ïåðåäàâàåìûõ ïó÷êîì âîëîêîí [9], ñîïðÿæåíèÿ âîëîêíà ñ èñòî÷íèêàìè/ïðèåìíèêàìè èçëó÷åíèÿ [10], ñîçäàíèÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ èíñòðóìåíòîâ ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ [11].
Íåñîìíåííî, òàêîé øèðîêèé ñïðîñ ðîæäàåò ìíîæåñòâî ðàçëè÷íûõ òåõíîëîãèé ïîëó÷åíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû ìåòîäû ïîëó÷å-
íèÿ ìèêðîñòðóêòóð ñ èñïîëüçîâàíèåì òåõíîëîãèé ìèêðîøòàìïîâêè [12, 13], ëàçåðíîé çàïèñè [14] è òåõíîëîãèè ëèòîãðàôèè [15–17].
 äàííîé ðàáîòå ðàññìàòðèâàþòñÿ âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ìèêðîñòðóêòóð íà îñíîâå ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ àêðèëàòîâ. Íà ïðèìåðå ìèêðîëèíç ðàññìîòðèì âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ ïî ïðèíöèïàì ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè, ïîñëå ÷åãî áóäóò èçëîæåíû âîçìîæíîñòè ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà.
Èñïîëüçóåìûå ìàòåðèàëû
 òàáë. 1 ïðèâåäåíû ÓÔ-îòâåðæäàåìûå àêðèëàòû, êîìïîçèöèè èç êîòîðûõ èñïîëüçîâàëèñü â äàííîé ðàáîòå.
Êîìïîçèöèÿ èç íåñêîëüêèõ ìîíîìåðîâ ïîçâîëÿåò âàðüèðîâàòü òàêèìè ñâîéñòâàìè ïîëó÷àåìîãî ýëåìåíòà, êàê ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, òâåðäîñòü, ñâåòîðàññåÿíèå. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìèêðîëèíç èñïîëüçîâàëàñü êîìïîçèöèÿ èç 1, 5 è 6 ìîíîìåðîâ, äëÿ ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå âîëîêíà èñïîëüçîâàëèñü 1, 2, 3, 4 è 6 âåùåâñòâ.
Èç ïðèâåäåííûõ â òàáëèöå âåùåñòâ ñëåäóåò îòìåòèòü ¹ 1 è ¹ 6.
– 2-Carboxyethylacrylate (¹ 1) âçàèìîäåéñòâóåò ñî ñòåêëîì (êâàðöåì) è îáåñïå÷èâàåò, ñ îäíîé ñòîðîíû, êðåïëåíèå ìèêðîýëåìåíòà ê âîëîêíó, ñ äðóãîé – âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ãðàíèöû ïîëèìåðèçîâàííîãî ñëîÿ, íåîáõîäèìîé äëÿ ðåàëèçàöèè ïðèíöèïîâ ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè;
– 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (¹ 6) ÿâëÿåòñÿ èíèöèàòîðîì ïîëèìåðèçàöèè, åãî ñïåêòð ñîîòâåòñòâóåò ñïåêòðó èçëó÷åíèÿ ðòóòíîé ëàìïû.
66 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Òàáëèöà 1. Èñïîëüçóåìûå âåùåñòâà
¹ Íàçâàíèå
Ïðîèçâîäèòåëü
Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ
1 2-Ñarboxyethylacrylate
Aldrich, ÑØÀ ¹ 552348
1,4570
2 2-Phenoxyethylacrylate
Aldrich, ÑØÀ ¹ 40,833-6
1,5180
3 Bisphenol-A-glycerolate 4,500 ppm monomethyl ether hydroquinone as inhibitor
Aldrich, ÑØÀ ¹ 41,116-7
1,557
Í2C
Õèìè÷åñêàÿ ôîðìóëà
CH3 CH3
Íàçíà÷åíèå
Íåíàñûùåííûé ìîíîìåð Ñìà÷èâàòåëü
Íåíàñûùåííûé ìîíîìåð
Íåíàñûùåííûé îëèãîìåð
CH2
4 Trimethylolpropaneethoxylatemethyl ether diacrylate
Aldrich, ÑØÀ ¹ 415871
1,46
5 RDX 51027 (òîðãîâîå íàçâàíèå, ôîðìóëà ïðèáëèçèòåëüíà)
USB, ÑØÀ
1,585
Íåíàñûùåííûé îëèãîìåð
6 2,2-Dimethoxy-2phenylacetophenone (èíèöèàòîð, ñîäåðæàíèå 0,01%)
Aldrich, ÑØÀ
Ïîëóòîíîâàÿ ëèòîãðàôèÿ êàê ìåòîä ïîëó÷åíèÿ ìàòðèö ìèêðîëèíç
Îñíîâíûì ïðèíöèïîì ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè ÿâëÿåòñÿ äîçèðîâàííîå îáëó÷åíèå ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî âåùåñòâà. Ïðè îáëó÷åíèè ìîíîìåðíîé êîìïîçèöèè, íàõîäÿùåéñÿ ìåæäó äâóìÿ ïîâåðõíîñòÿìè (ñòåêëÿííàÿ ïîäëîæêà è ïëåíêà ïîëèýñòåðà) áëàãîäàðÿ ñïåöèôè÷åñêèì ñâîéñòâàì 2-carboxyethyl acrylate (î êîòîðûõ ãîâîðèëîñü âûøå) ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè íà÷èíàåòñÿ ñ ïîâåðõíîñòè ñòåêëÿííîé ïîäëîæêè. Ïðè ýòîì îáðàçóåòñÿ ÷åòêàÿ ãðàíèöà ìåæäó ïîëèìåðèçîâàííûì è íåïîëèìåðèçîâàííûì ñëîÿìè. Äîçèðîâàííàÿ ýêñïîçèöèÿ îáåñïå÷èâàåòñÿ íàëè÷èåì ïîëóòîíîâîãî ôîòîøàáëîíà íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè ïîëèýñòåðà (ïðèìåð ôîòîøàáëîíà ïðèâåäåí íà ðèñ. 1)
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Ôîòîèíèöèèðóþùàÿ ñèñòåìà
Ðèñ. 1. Ìèêðîôîòîãðàôèÿ ïîëóòîíîâîãî ôîòîøàáëîíà. Ðàçìåðû èçîáðàæåíèÿ 0,3×0,3 ìì.
67
Ïîëóòîíîâîé ôîòîøàáëîí
ÓÔ
Ôîðìèðîâàíèå ìèêðîëèíç (ïåðåòåêàíèå æèäêîãî ìîíîìåðà èç íåîñâåùåííûõ îáëàñòåé â áîëåå îñâåùåííûå) á à Óäàëåíèå æèäêîé êîìïîçèöèè – ìèêðîëèíçû ãîòîâû
Ïîëèìåðèçàöèÿ âñåãî ìîíîìåðà (áëàãîäàðÿ óñàäêå âåùåâñòâà, îáðàçóåòñÿ ìèêðîðåëüåô – ìèêðîëèíçû íà ïîëèìåðíîé ïîäëîæêå)
30–50 ìêì 5–10 ìêì
Ðèñ. 2. Ïðîöåññ ïîëó÷åíèÿ ìàòðèö ìèêðîëèíç ìåòîäîì ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè. à – ïîëó÷åíèå îòäåëüíî ñòîÿùèõ ìèêðîëèíç íà ñòåêëÿííîé ïîäëîæêå, á – ìèêðîëèíçû íà ïîëèìåðíîé ïîäëîæêå.
Ðèñ. 3. Ìàòðèöà ìèêðîëèíç è èçîáðàæåíèå öèôðû 9.
Ðèñ. 4. Ðåøåòêà äëèííîôîêóñíûõ ìèêðîëèíç, ïîëó÷åííûõ ïî ñïîñîáó, îñíîâàííîìó íà óñàäêå ïîëèìåðà ïðè ôîòîîòâåðæäåíèè. Äèàìåòð ìèêðîëèíç 100 ìêì, âûñîòà 5 ìêì, ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 5 ìì. 68
Ñõåìàòè÷åñêè ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè èçîáðàæåí íà ðèñ. 2. Äâà ïðîöåññà [18] (íåïîñðåäñòâåííî ïîëèìåðèçàöèÿ è óñàäêà âåùåñòâà â ïðîöåññå ïîëèìåðèçàöèè [19]) îáåñïå÷èâàþò îáðàçîâàíèå ìèêðîëèíç: â ïåðâîì ñëó÷àå (ðèñ. 2à) ìàòðèöó èç îòäåëüíî ðàñïîëîæåííûõ ìèêðîëèíç íà ïîâåðõíîñòè ñòåêëÿííîé ïîäëîæêè (ðèñ. 3), à âî âòîðîì (ðèñ. 2á) ìàòðèöó ìèêðîëèíç íà ïîëèìåðíîé ïîäëîæêå (ðèñ. 4).
Ôîðìèðîâàíèå ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà
Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü íà êâàðöåâîì îïòîâîëîêíå ñ äèàìåòðîì öåíòðàëüíîé æèëû 435 ìêì. Äàííûé ðàçìåð âîëîêíà áûë âûáðàí â îñíîâíîì ïî ïðè÷èíå óäîáñòâà íàáëþäåíèÿ êèíåòèêè. Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5. Èçëó÷åíèå àçîòíîãî ëàçåðà 1, ïðîøåäøåå ÷åðåç ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèé çàòâîð 4 è êâàðöåâóþ ïëàñòèíêó 5, ïîïàäàëî íà òîðåö ñâåòîâîäà. Ôîêóñèðóþùèì èçëó÷åíèå ýëåìåíòîì îïòè÷åñêîé ñõåìû óñòàíîâêè ñëóæèë êâàðö-ôëþîðèòîâûé àõðîìàò ÎÊ-10/3 ñ ðàáî÷èì îòðåçêîì 6,61 ìì. Ïðèåìíûé òîðåö ñâåòîâîäà çàêðåïëÿëñÿ â öàíãîâîì äåðæàòåëå óñòðîéñòâà 8, êîòîðîå ïîçâîëÿëî îñóùåñòâëÿòü åãî ìèêðîìåòðè÷åñêîå ïåðåìåùåíèå ïî îñÿì x, y, z, à òàêæå äîïóñêàëî ïîâîðîò ïëîñêîñòè òîðöà ñâåòîâî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
1 4 57 8
13
23
6
9 10 11
12
Ðèñ. 5. Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ ðîñòà ïîëèìåðíûõ ôîðì íà âûõîäíîì òîðöå ñâåòîâîäà. 1 – àçîòíûé ëàçåð, 2 – èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ëàçåðà, 3 – ðåãóëÿòîð ÷àñòîòû ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ ãåíåðàöèè, 4 – ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèé çàòâîð, 5 – êâàðöåâàÿ ïëàñòèíêà, îáåñïå÷èâàþùàÿ ââîä â ñâåòîâîä èçëó÷åíèÿ ãåëèéíåîíîâîãî ëàçåðà, 6 – ãåëèé-íåîíîâûé ëàçåð, 7 – îáúåêòèâ, îáåñïå÷èâàþùèé ôîêóñèðîâêó èçëó÷åíèé (èñïîëüçîâàíèå îáúåêòèâà ìîæåò áûòü ïîëåçíûì ïðè ðàáîòå ñî ñâåòîâîäàìè ìàëîãî ñå÷åíèÿ (9–50 ìêì)), 8 – äåðæàòåëü ñâåòîâîäà, îáåñïå÷èâàþùèé ïåðåìåùåíèå åãî òîðöà ïî îñÿì x, y, z è ïîâîðîò âîêðóã âåðòèêàëüíîé îñè íà ± 50°; 9 – ëþìèíåñöåíòíûé ýêðàí äëÿ âèçóàëüíîãî íàáëþäåíèÿ ïîëÿ èçëó÷åíèÿ, âûõîäÿùåãî èç ñâåòîâîäà, 10 – ðåàêöèîííûé ñîñóä ñî ñìåñüþ ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ ìîíîìåðîâ, 11 – áèíîêóëÿðíûé ìèêðîñêîï äëÿ íàáëþäåíèÿ çà êèíåòèêîé èçìåíåíèÿ ôîðìû ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ, 12 – âåá-êàìåðà, 13 – íîóòáóê, îáåñïå÷èâàþùèé íàáëþäåíèå è ôèêñàöèþ ïðîöåññà ðîñòà ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ â ðåàëüíîì âðåìåíè.
äà âîêðóã îñè z íà ± 50°. Êâàðöåâàÿ ïëàñòèíêà 5 îáåñïå÷èâàëà ââåäåíèå â òðàêò ðàñïðîñòðàíåíèÿ ÓÔ èçëó÷åíèÿ ïó÷êà êîëëèìèðîâàííîãî èçëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà, èçëó÷àþùåãî íà äëèíå âîëíû 653 íì. Ñâîáîäíûé òîðåö âîëîêíà, ïîìåùåííûé â îáúåì ìîíîìåðíîé êîìïîçèöèè 10, ìîã íàáëþäàòü-
ñÿ ñ ïîìîùüþ áèíîêóëÿðíîãî ìèêðîñêîïà 11. Âåáêàìåðà 12 ïîçâîëÿëà ïðîâîäèòü çàïèñü ýêñïåðèìåíòà â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè.
Èñïîëüçîâàíèå â ñîñòàâå êîìïîçèöèè 2-carboxyethyl acrylate (î åãî ñïåöèôè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ãîâîðèëîñü âûøå) ïîçâîëÿåò ôîðìèðîâàòü ìèêðîýëåìåíòû íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà â ñâîáîäíîì îáúåìå ìîíîìåðà – ðîñò ýëåìåíòà íà÷èíàåòñÿ îò ïîâåðõíîñòè âîëîêíà. Áîëüøîå âëèÿíèå íà ôîðìèðîâàíèå ýëåìåíòà îêàçûâàåò çàïîëíåíèå àïåðòóðû âîëíîâîäà èçëó÷åíèåì. Ñóùåñòâóþò äâà ïðåäåëüíûõ ñëó÷àÿ – ââîä èçëó÷åíèÿ ïî íîðìàëè ê òîðöó âîëîêíà (0°) è ïîä àïåðòóðíûì óãëîì (â äàííîì ñëó÷àå 22°).
Ðîñò îáðàçîâàíèÿ ïðè íîðìàëüíîì ââåäåíèè èçëó÷åíèÿ â âîëîêíî èìååò äâå ñòàäèè. Íà ïåðâîé ñòàäèè ïðè ìàëûõ ýêñïîçèöèÿõ ðîñò îáðàçîâàíèÿ íà÷èíàåòñÿ ñ ïîÿâëåíèÿ â öåíòðå âûõîäíîãî òîðöà ñâåòîâîäà îñòðîãî óçêîãî êîíóñà (ðèñ. 6à). Ïðè óâåëè÷åíèè ýêñïîçèöèè ýòîò êîíóñ ëèøü óâåëè÷èâàåòñÿ ïî äëèíå è âåñüìà ñëàáî ðàñòåò äèàìåòð åãî îñíîâàíèÿ, ïîñòåïåííî ïîëíîñòüþ çàïîëíÿÿ âûõîäíîé òîðåö. Êèíåòèêà ðîñòà êîíóñà (ðèñ. 7, êðèâàÿ 1) òàêæå èìååò äâå ñòàäèè: ïåðâàÿ – ëèíåéíûé ñ ýêñïîçèöèåé ðîñò êîíóñà, âòîðàÿ – çàìåäëåíèå è ïîëíîå ïðåêðàùåíèå ðîñòà åãî äëèíû. Íà âòîðîé ñòàäèè åùå ïðîäîëæàåòñÿ ñëàáîå âîçðàñòàíèå äèàìåòðà îñíîâàíèÿ êîíóñà. Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà êîíóñà, óñðåäíåííàÿ ïî äåñÿòè èçìåðåíèÿì íà ðàçíûõ îáðàçöàõ, ìîæåò äîñòèãàòü çíà÷åíèé 3D, ãäå D – äèàìåòð ñâåòîâåäóùåé æèëû.
Ïðè ïðèáëèæåíèè êîíóñíîé ÷àñòè ê ìàêñèìàëüíîé äëèíå íà÷èíàåòñÿ âòîðàÿ ñòàäèÿ ïðîöåññà. Îáðàçîâàâøèéñÿ óçêèé êîíóñ èìååò îñòðûé êîí÷èê,
(à) (á) (â)
Ðèñ. 6. à – ïîñëåäîâàòåëüíûå ýòàïû ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòà â ïðîöåññå ÓÔ-ôîòîîòâåðæäåíèÿ ïðè ââåäå-
íèè â ñâåòîâîä ïî ïåðâîìó òèïó íà äâóõ ýòàïàõ ïåðâîé è äâóõ ýòàïàõ âòîðîé ñòàäèè; á – ôîòîãðàôèÿ ìèêðîýëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 0°, âðåìÿ ýêñïîçèöèè 26 ñ; â – ôîòîãðàôèÿ ìèêðîýëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 00, âðåìÿ ýêñïî-
çèöèè 90 ñ, êîíöåíòðàöèÿ ðîäàìèíà Â – 0,1 âåñ.%.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
69
I, äåë. 30 20
10 0 0
1 2
20 40 60 t, c
Ðèñ. 7. Êèíåòèêà óâåëè÷åíèÿ äëèíû l (â óñë. åä.) êîíóñà ôîòîîòâåðæäåííîãî ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ â ñâåòîâîä ïî ïåðâîìó (êðèâàÿ 1) è âòîðîìó òèïó (êðèâàÿ 2) ïðè ðàçëè÷íûõ âðåìåíàõ ýêñïîçèöèè. Êðèâûå ïîëó÷åíû óñðåäíåíèåì êèíåòè÷åñêèõ êðèâûõ ïî ïÿòè îáðàçöàì.
êîòîðûé ÿðêî ñâåòèòñÿ, è íà åãî êîíöå íà÷èíàåòñÿ ðîñò íîâîãî êàïëåîáðàçíîãî îáðàçîâàíèÿ (ðèñ. 6â). Îíî òàêæå èìååò çàîñòðåííûé êîíåö, âûòÿíóòûé âäîëü îñè ñâåòîâîäà.  ýòîé ÷àñòè îíî ïîõîæå íà êîíóñ ïåðâîé ñòàäèè. Âòîðîå îáðàçîâàíèå òàêæå èìååò äâå ñòàäèè êèíåòèêè ðîñòà: àêòèâíóþ (ðîñò äëèíû ñ ýêñïîçèöèåé) è ïàññèâíóþ (äëèíà îáðàçîâàíèÿ ïåðåñòàåò ðàñòè). Îäíîâðåìåííî ñ ðîñòîì äëèíû êîíóñíîé ÷àñòè âòîðîãî îáðàçîâàíèÿ íåñêîëüêî âîçðàñòàåò ìàêñèìàëüíûé äèàìåòð åå îñíîâàíèÿ (ðèñ. 6á).
Òàêèì îáðàçîì, ðîñò ïîëèìåðíûõ ñòðóêòóð ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ ïî ïåðâîìó òèïó íà÷èíàåòñÿ è ðàçâèâàåòñÿ êàê êèíåòèêà êîíóñíîé ôîðìû. Ïðè ýòîì íå âîçíèêàåò èíûõ ñòðóêòóð. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ è äëÿ ñîñòàâîâ, ñîäåðæàùèõ ôîòîàêòèâíûå äîáàâêè (ðèñ. 6â). Áîëåå ïîäðîáíî âëèÿíèå ôîòîàêòèâíûõ äîáàâîê íà êèíåòèêó ðîñòà ìèêðîýëåìåíòà íà òîðöå âîëîêíà ðàññìîòðåíî â ðàáîòàõ [20–22]). Îä-
íàêî ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ñèëó ïîãëîùåíèÿ ôîòîàêòèâíîé äîáàâêè, âî-ïåðâûõ, óâåëè÷èâàåòñÿ âðåìÿ ýêñïîçèöèè, âî-âòîðûõ, ôîðìà êîíóñà ñòàíîâèòñÿ áîëåå îêðóãëîé.
Ðîñò îáðàçîâàíèÿ ïðè ñïîñîáå ââåäåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïîä àïåðòóðíûì óãëîì ïðè ìàëûõ ýêñïîçèöèÿõ òàêæå íà÷èíàåòñÿ ñ ïîÿâëåíèÿ â öåíòðå âûõîäíîãî òîðöà ñâåòîâîäà ïîëèìåðíîãî êîíóñà, êîòîðûé ïðè óâåëè÷åíèè ýêñïîçèöèè ðàñòåò â äëèíó è óâåëè÷èâàåòñÿ â äèàìåòðå ó îñíîâàíèÿ, ïîñòåïåííî ïîëíîñòüþ çàïîëíÿÿ âûõîäíîé òîðåö (ðèñ. 8à). Îäíàêî êîíóñ, âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì, èìååò áîëåå âûïóêëóþ ïîâåðõíîñòü, ÷åì ó êîíóñà â ïðåäûäóùåì ñëó÷àå. Áîëåå ÿðêî ýòî ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè ââåäåíèè â êîìïîçèöèþ ôîòîàêòèâíîé äîáàâêè (ðèñ 8â). Îí èìååò áîëåå òóïóþ âåðøèíó è áîëåå âÿëî ðàñòåò â äëèíó. Áûñòðåå ðàçðàñòàÿñü â øèðèíó, îí â ñâîåé çàäíåé ÷àñòè çàïîëíÿåò öèëèíäðè÷åñêóþ îáëàñòü, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ïðîäîëæåíèåì ñâåòîâåäóùåé æèëû. Ïîýòîìó ÷àñòü ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ, ïðèëåãàþùàÿ ê òîðöó ñâåòîâîäà, ñòàíîâèòñÿ öèëèíäðè÷åñêîé. Ïîëèìåðíîå îáðàçîâàíèå â ñâîåì ðàçâèòèè äîñòèãàåò òîé æå äëèíû, ðàâíîé òðåì äèàìåòðàì ñâåòîâåäóùåé æèëû. Ïðè óâåëè÷åíèè âðåìåíè ýêñïîçèöèè ðîñò îáðàçîâàíèÿ ïðîäîëæàåòñÿ ñ ñîõðàíåíèåì öèëèíäðè÷íîñòè ôîðìû.  äàííîì ñëó÷àå áëàãîäàðÿ óâåëè÷åíèþ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ êîìïîçèöèè ïðè ïîëèìåðèçàöèè, çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ îáùåãî ÷èñëà ñâÿçåé â åäèíèöå îáúåìà è áîëåå ïëîòíîé óïàêîâêè ìàêðîìîëåêóë, ìû ïîëó÷àåì ôàêòè÷åñêè ïðîäîëæåíèå ñâåòîâîäíîé æèëû âîëîêíà, êîòîðîå ñàìî íà÷èíàåò âûñòóïàòü â ðîëè âîëíîâîäà.
Êèíåòèêà ðîñòà ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ (ðèñ. 7, êðèâàÿ 2) è â ýòîì ñëó÷àå èìååò äâå ÿðêî âûðàæåííûå ñòàäèè: ëèíåéíûé ðîñò äëèíû êîíóñà ñ ýêñïîçèöèåé, çàìåäëåíèå ðîñòà åãî äëèíû. Òåîðåòè÷åñêè, ïðè îòñóòñòâèè ïîãëîùåíèÿ ÓÔ èçëó÷åíèÿ ïî-
(à) (á) (â)
Ðèñ. 8. à – ïîñëåäîâàòåëüíûå ýòàïû ôîðìèðîâàíèÿ ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ â ïðîöåññå ôîòîîòâåðæäåíÿ ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ â ñâåòîâîä ïî âòîðîìó òèïó (ðîñò ýêñïîçèöèè ñëåâà íàïðàâî); á – ôîòîãðàôèÿ ìèêðýîëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 22°, âðåìÿ ýêñïîçèöèè 60 ñ; â – ôîòîãðàôèÿ ìèêðîýëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 22°, âðåìÿ ýêñïîçèöèè 90 ñ, êîíöåíòðàöèÿ ðîäàìèíà  – 0,1 âåñ.%.
70 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
(à) (á)
Ðèñ. 9. Ïîëèìåðíîå îáðàçîâàíèå, ïîëó÷åííîå â ïðîöåññå ÓÔ-ôîòîîòâåðæäåíèÿ, ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ â ñâåòîâîä ïî âòîðîìó òèïó íà çàêëþ÷èòåëüíîé ñòàäèè ðàçâèòèÿ: íà êîíöå îáðàçîâàíèÿ èìååòñÿ íåñêîëüêî êîíóñíûõ îáðàçîâàíèé, ðàñòóùèõ èç îáùåãî öèëèíäðè÷åñêîãî îñíîâàíèÿ. à – ñõåìà, á – ôîòî.
ëèìåðîì, äàííûé ïðîöåññ ìîã áû ïðîäîëæàòüñÿ áåñêîíå÷íî. Êîíåö ïðîöåññà õàðàêòåðèçóåòñÿ òåì, ÷òî ÷àñòü, ïðèëåãàþùàÿ ê ñâåòîâîäó, ïðèîáðåòàåò ôîðìó öèëèíäðà, íà êîòîðîì èìååòñÿ êîíóñíàÿ âåðøèíà. Äëèíà öèëèíäðè÷åñêîé ÷àñòè ìîæåò äîñòèãàòü 70% äëèíû ñòðóêòóðû. Ðîñò ýòîé ñòðóêòóðû âåñüìà ÷àñòî ñîïðîâîæäàåòñÿ ðàçäâîåíèåì êîíóñà èëè äàæå ïîÿâëåíèåì íåñêîëüêèõ ïèêîâ íà åãî êîíöå (ðèñ. 9). Ïîýòîìó ñòðóêòóðà çà÷àñòóþ âûãëÿäèò êàê öèëèíäð ñî ìíîãèìè îñòðûìè ïè÷êàìè íà êîíöå.
Ðîñò ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ ïðè ââåäåíèè èçëó÷åíèÿ ïðè èíûõ óãëàõ, ÷åì îïèñàííûå âûøå êàê êðàéíèå óñëîâèÿ, ÿâëÿåòñÿ ïðîìåæóòî÷íûì ñëó÷àåì, à ðîñò ïîëèìåðíîé ñòðóêòóðû íà÷èíàåòñÿ è ïðîäîëæàåòñÿ êàê ðàçâèòèå êîíóñíîé ôîðìû. Ïðè ýòîì ïðè ìàëûõ óãëàõ êîíóñ èñêàæàåòñÿ ìàëî è íà âòîðîì ýòàïå åãî ðàçâèòèÿ ïîÿâëÿåòñÿ êàïëåîáðàçíàÿ ÷àñòü. Ïðè óãëàõ, áëèçêèõ ê ïðåäåëüíîìó, âîçìîæíî îáðàçîâàíèå ó÷àñòêîâ öèëèíäðè÷åñêîé ôîðìû.
Çàêëþ÷åíèå
Ïîêàçàíû âîçìîæíîñòè ôîðìèðîâàíèÿ êàê îòäåëüíûõ, òàê è ñâÿçàííûõ ñ îïòè÷åñêèì âîëîêíîì ìèêðîýëåìåíòîâ íà îñíîâå ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ ìîíîìåðîâ. Ïðåäïî÷òèòåëüíàÿ ïîëèìåðèçàöèÿ îò ïîâåðõíîñòè ñòåêëà (êâàðöà), áëàãîäàðÿ ñïåöèôè÷åñêèì ñâîéñòâàì îïðåäåëåííûõ ìîíîìåðîâ, ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ïîëóòîíîâóþ ëèòîãðàôèþ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïëàíàðíûõ ýëåìåíòîâ (ìèêðîëèíç) è èñïîëüçîâàòü ÓÔ-îòâåðæäàåìûå ìîíîìåðû äëÿ ñîçäàíèÿ òîðöåâûõ ýëåìåíòîâ íà îïòè÷åñêèõ âîëîêíàõ. Âîçìîæíîñòü âëèÿíèÿ íà ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè (ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, èçìåíåíèåì óãëà ââîäà èçëó÷åíèÿ â âîëîêíî) ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ðàçëè÷íûå ñòðóêòóðû, à âîçìîæíîñòü êîððåêòèðîâàíèÿ ñîñòàâîâ – íåîáõîäèìûå îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ýòèõ ýëåìåíòîâ.
Ïîëîæèòåëüíûé ïðèðîñò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïðè ïîëèìåðèçàöèè ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü ôàêòè÷åñêè ïðîäîëæåíèå îïòè÷åñêîé æèëû ñâåòîâîäà, à ñëåäîâàòåëüíî, îòêðûâàåò èíòåðåñíûå ïåðñïåêòèâû äëÿ ñîçäàíèÿ ïîëèìåðíûõ ñîåäèíåíèé îïòè÷åñêèõ âîëîêîí. Èñïîëüçîâàíèå èçëó÷åíèÿ, âûõîäÿùåãî èç îïòè÷åñêîãî âîëîêíà, äëÿ ñîçäàíèÿ ìèêðîýëåìåíòà íà åãî òîðöå îáåñïå÷èâàåò èõ ñîãëàñîâàííîñòü. Ïðè ýòîì ñîçäàííûé ýëåìåíò (ôîêîí), óâåëè÷èâàÿ àïåðòóðó âîëîêíà, ìîæåò ñíèæàòü ïîòåðè èçëó÷åíèÿ ïðè ñîãëàñîâàíèè îïòè÷åñêîãî ñâåòîâîäà ñ èñòî÷íèêàìè/ïðèåìíèêàìè èçëó÷åíèÿ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ïî ãðàíòó Ðîñîáðàçîâàíèÿ ÐÍÏ.2.1.1.1403 “Èññëåäîâàíèå ïðîöåññîâ ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîîïòè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòåé â ïîëå ñâåòîâîé âîëíû ïðè ôîòîîòâåðæäåíèè ìîíîìåðíûõ êîìïîçèöèé”.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Berkel C., McGarvey B., Clarke J. Microlens arrays for 2D large area image sensors // Pure Appl. Opt. 1994. V. 3. P. 177–182.
12. Wu M., Whitsides G. Fabrication of two-dimensional arrays of microlenses and their applications in photolithography // J. Micromechanics and Microengineering. 2002. V. 12. Ð. 747–758.
13. Olszak, Descour M. Microscopy in multiples // SPIE OE magazine, 2005. May. p.16–18.
14.
nSoaivnoelnaiRn.e, nVeMhv.,ilPa..ieniepnonHe.n NKo.vEe.l,
Savander P., Silvenoptical techniques for
window glass inspection // Meas. Sci. Technol. 1995. V. 6.
Ð. 1016–1021.
15. Tolstoba N.D. Gram–Schmidt technique for aberration analysis in telescope mirror testing // Proc. SPIE. 1999. V. 3785. Ð. 140–151.
16. Shen X.X., Yu X.Q., Yang X.L., Cai L.Z., Wang Y.R., Dong G.Y., Meng X.F., Xu X.F. Fabrication of periodic microstructures
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
71
by holographic photopolimerization with a low-power continuous-wave laser of 532 nm // Pure Appl. Opt. 2006. V. 8. Ð. 672–676.
17. Kondo T., Juodkazis S., Mizeikis V., Matsuo S., Mizawa H. Fabrication of three-dimensional periodic microstructures in photoresist SU-8 by phase-controlled holographic lithography // New Journal of Physics. 2006. V. 8. Ð. 250–266.
18. Deubel M., Vegener M., Kaso A., John S. Direct laser writing and characterization of “Slanted Pore” Photonic Crystals // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. ¹11. Ð. 1895– 1897.
9. Õàöåâè÷ Ò.Í., Ìèõàéëîâ È.Î. Ýíäîñêîïû: Ó÷åá. ïîñîáèå. Íîâîñèáèðñê: ÑÃÃÀ, 2002. 196 ñ.
10. Schiappellia F., Kumar R., Prasciolu M., Cojoc D., Cabrini S., De Vittorio M., Visimberga G., Gerardino A., Degiorgio V., Di Fabrizio E. Efficient fiber-to-waveguide coupling by a lens on the end of the optical fiber fabricated by focused ion beam milling // Microelectronic Engin. 2004. V. 73–74. Ð. 397–404.
11. Âåéêî Â.Ï., Áåðåçèí Þ.Ä., ×óéêî Â.À. Ëàçåðíûå òåõíîëîãèè ôîðìèðîâàíèÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ èíñòðóìåíòîâ // Èçâ. ÐÀÍ. Ñåð. ôèçè÷åñêàÿ. 1997. Ò. 61. ¹ 8. Ñ. 1627–1631.
12. Kim S., Kang S. Replication qualities and optical properties of UV – moulded microlens arrays // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. Ð. 2451–2456.
13. Moon S., Lee N., Kang S. Fabrication of a microlens array using micro-compression molding with an electroformed mold insert // J. Micromech. Microeng. 2002 V. 13. Ð. 98–103.
14. Hessler Th., Rossi M., Pedersen J., Gale M. T., Wegner M., Steudle D., Tiziani H.J. Microlens arrays with spatial
variation of the optical function // Pure Appl. Opt. 1997. V. 6. Ð. 673–681.
15. Reimer K., Quenzer H.J., Jurss M., Wagner B. Micro-optic fabrication using one-level gray-tone lithography // Proc. SPIE. 1997. V. 3008. Ð. 279–288.
16. Jun Yao, Zheng Cui, Fuhua Gao, Yixiao Zhang, Feng Gao. Design of hybrid micro optical elements with coded gray-tone mask // Microelectronic Engin. 2001. V. 57–58. Ð. 793–799.
17. Tormen M., Businaro L., Altissimo M., Romanato F., Cabrini S., Perennes F., Proietti R., Hong-Bo Sun, Satoshi Kawata, Di Fabrizio E. 3D patterning by means of nanoimprinting, X-ray and two-photon lithography // Microelectronic Engin. 2004. V. 73–74. Ð. 535–541.
18. Ôîêèíà Ì.È., Äåíèñþê È.Þ. Ôîðìèðîâàíèå ðåøåòîê ìèêðîëèíç ìåòîäîì äîçèðîâàííîé ôîòîïîëèìåðèçàöèè ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ îïòè÷åñêèõ êîìïîçèòîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. V. 73. ¹ 11. Ñ. 90–96.
19. Ñìèðíîâà Ò.Â., Áóðóíêîâà Þ.Ý., Äåíèñþê È.Þ. Èçìåðåíèå óñàäîê ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ êîìïîçèöèé íà îñíîâå àêðèëàòîâ è äèàêðèëàòîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. ¹ 5. C. 57–61.
20. Fokina M. Optical surface making by UV-curing of monomeric compositions in near field of coherent light source // Molecular Crystals. 2007. ¹ 468. P. 33/[385]– 42/[394].
21. Áåðåçêèíà À.Ñ. Âëèÿíèå òèïà è êîíöåíòðàöèè êðàñèòåëÿ íà ôîðìèðîâàíèå ìèêðîýëåìåíòà íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà // Ñá. òð. 4-é ìåæâóç. êîíô. ìîëîäûõ ó÷åíûõ Ñàíêò-Ïåòåðáóðãa. ÑÏá.: ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ, 2007. Ñ. 12–16.
22. Fokina M.I., Burunkova J.E., Denisuk I.Yu. Influence of Photoactive Additive on Growth of Polymer Microelements on the top of Optical Fiber // Proc. SPIE. 2007. V. 6732. P. 673215.
72 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
ÔÎÐÌÈÐÎÂÀÍÈÅ ÌÈÊÐÎÑÒÐÓÊÒÓÐ ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÓÔ-ÎÒÂÅÐÆÄÀÅÌÛÕ ÀÊÐÈËÀÒÎÂ.
© 2008 ã. © 2008 ã.
Ì. È. Ôîêèíà; È. Þ. Äåíèñþê, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Þ. Ý. Áóðóíêîâà; Ë. Í. Êàïîðñêèé, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò Ïåòåðáóðã
E-mail: mari2506@rambler.ru
 äàííîé ðàáîòå ðàññìàòðèâàþòñÿ âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ìèêðîñòðóêòóð íà îñíîâå ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ àêðèëàòîâ. Èññëåäóåòñÿ ïðèìåíèìîñòü ìåòîäà ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïîëèìåðíûõ ìèêðîëèíç è ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà.
Êîäû OCIS: 160.5470.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 13.05.2008.
Ââåäåíèå
Ïîëèìåðíûå îïòè÷åñêèå ìàòåðèàëû íà ñåãîäíÿøíèé äåíü èíòåíñèâíî âûòåñíÿþò êëàññè÷åñêîå îïòè÷åñêîå ñòåêëî. Íàèáîëåå èíòåíñèâíî ýòîò ïðîöåññ íàáëþäàåòñÿ â ìèêðîîïòèêå, ãäå ðàçìåðû ýëåìåíòîâ (îò åäèíèö äî ñîòåí ìèêðîìåòðîâ) òðåáóþò èñêëþ÷åíèÿ ñëîæíûõ îïåðàöèé îáðàáîòêè, à èõ âñå áîëåå øèðîêîå ïðèìåíåíèå – óäåøåâëåíèÿ è óïðîùåíèÿ òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà. Íåñîìíåííî, ïî îïðåäåëåííûì ïàðàìåòðàì ïîëèìåðû óñòóïàþò êëàññè÷åñêîìó ñòåêëó. Òàê, íàïðèìåð ðàññåÿíèå øèðîêî èñïîëüçóåìûõ ïîëèìåðîâ íàõîäèòñÿ â ïðåäåëàõ 0,1–1% (ó ñòåêîë ïîðÿäêà 10–6%); òåìïåðàòóðà äåñòðóêöèè ïîëèìåðîâ ïðèìåðíî 200 °Ñ è äð. Îäíàêî äëÿ áîëüøèíñòâà îáëàñòåé ïðèìåíåíèÿ ïîëèìåðíûõ ýëåìåíòîâ òàêèå ïàðàìåòðû âïîëíå äîïóñòèìû.
Ñåãîäíÿ ìàòðèöû ïîëèìåðíûõ ìèêðîëèíç øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ äëÿ óâåëè÷åíèÿ âîñïðèèì÷èâîñòè ÏÇÑ-ìàòðèö [1], êîïèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ [2], óâåëè÷åíèÿ ïîëÿ ñêàíèðîâàíèÿ [3–5]. Ìèêðîýëåìåíòû èñïîëüçóþòñÿ â ñèñòåìàõ òåëåêîììóíèêàöèé (â òîì ÷èñëå, äëÿ óïðàâëåíèÿ ñâåòîâûìè ïó÷êàìè â âîëîêîííûõ ëèíèÿõ ñâÿçè), â èíôîðìàöèîííûõ ñèñòåìàõ, ìèêðîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ (ÌÝÌÑ) è ìèêðîîïòîýëåêòðîìåõàíè÷åñêèõ (ÌÎÝÌÑ) ñèñòåìàõ [6–8] è ìíîãèõ äðóãèõ. Èíòåíñèâíî ïðîâîäÿòñÿ èññëåäîâàíèÿ ïîëó÷åíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà äëÿ óëó÷øåíèÿ êà÷åñòâà èçîáðàæåíèé, ïåðåäàâàåìûõ ïó÷êîì âîëîêîí [9], ñîïðÿæåíèÿ âîëîêíà ñ èñòî÷íèêàìè/ïðèåìíèêàìè èçëó÷åíèÿ [10], ñîçäàíèÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ èíñòðóìåíòîâ ðàçëè÷íîãî íàçíà÷åíèÿ [11].
Íåñîìíåííî, òàêîé øèðîêèé ñïðîñ ðîæäàåò ìíîæåñòâî ðàçëè÷íûõ òåõíîëîãèé ïîëó÷åíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû ìåòîäû ïîëó÷å-
íèÿ ìèêðîñòðóêòóð ñ èñïîëüçîâàíèåì òåõíîëîãèé ìèêðîøòàìïîâêè [12, 13], ëàçåðíîé çàïèñè [14] è òåõíîëîãèè ëèòîãðàôèè [15–17].
 äàííîé ðàáîòå ðàññìàòðèâàþòñÿ âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ ìèêðîñòðóêòóð íà îñíîâå ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ àêðèëàòîâ. Íà ïðèìåðå ìèêðîëèíç ðàññìîòðèì âîçìîæíîñòè ïîëó÷åíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ ïî ïðèíöèïàì ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè, ïîñëå ÷åãî áóäóò èçëîæåíû âîçìîæíîñòè ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà.
Èñïîëüçóåìûå ìàòåðèàëû
 òàáë. 1 ïðèâåäåíû ÓÔ-îòâåðæäàåìûå àêðèëàòû, êîìïîçèöèè èç êîòîðûõ èñïîëüçîâàëèñü â äàííîé ðàáîòå.
Êîìïîçèöèÿ èç íåñêîëüêèõ ìîíîìåðîâ ïîçâîëÿåò âàðüèðîâàòü òàêèìè ñâîéñòâàìè ïîëó÷àåìîãî ýëåìåíòà, êàê ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, òâåðäîñòü, ñâåòîðàññåÿíèå. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìèêðîëèíç èñïîëüçîâàëàñü êîìïîçèöèÿ èç 1, 5 è 6 ìîíîìåðîâ, äëÿ ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå âîëîêíà èñïîëüçîâàëèñü 1, 2, 3, 4 è 6 âåùåâñòâ.
Èç ïðèâåäåííûõ â òàáëèöå âåùåñòâ ñëåäóåò îòìåòèòü ¹ 1 è ¹ 6.
– 2-Carboxyethylacrylate (¹ 1) âçàèìîäåéñòâóåò ñî ñòåêëîì (êâàðöåì) è îáåñïå÷èâàåò, ñ îäíîé ñòîðîíû, êðåïëåíèå ìèêðîýëåìåíòà ê âîëîêíó, ñ äðóãîé – âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ ãðàíèöû ïîëèìåðèçîâàííîãî ñëîÿ, íåîáõîäèìîé äëÿ ðåàëèçàöèè ïðèíöèïîâ ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè;
– 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (¹ 6) ÿâëÿåòñÿ èíèöèàòîðîì ïîëèìåðèçàöèè, åãî ñïåêòð ñîîòâåòñòâóåò ñïåêòðó èçëó÷åíèÿ ðòóòíîé ëàìïû.
66 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Òàáëèöà 1. Èñïîëüçóåìûå âåùåñòâà
¹ Íàçâàíèå
Ïðîèçâîäèòåëü
Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ
1 2-Ñarboxyethylacrylate
Aldrich, ÑØÀ ¹ 552348
1,4570
2 2-Phenoxyethylacrylate
Aldrich, ÑØÀ ¹ 40,833-6
1,5180
3 Bisphenol-A-glycerolate 4,500 ppm monomethyl ether hydroquinone as inhibitor
Aldrich, ÑØÀ ¹ 41,116-7
1,557
Í2C
Õèìè÷åñêàÿ ôîðìóëà
CH3 CH3
Íàçíà÷åíèå
Íåíàñûùåííûé ìîíîìåð Ñìà÷èâàòåëü
Íåíàñûùåííûé ìîíîìåð
Íåíàñûùåííûé îëèãîìåð
CH2
4 Trimethylolpropaneethoxylatemethyl ether diacrylate
Aldrich, ÑØÀ ¹ 415871
1,46
5 RDX 51027 (òîðãîâîå íàçâàíèå, ôîðìóëà ïðèáëèçèòåëüíà)
USB, ÑØÀ
1,585
Íåíàñûùåííûé îëèãîìåð
6 2,2-Dimethoxy-2phenylacetophenone (èíèöèàòîð, ñîäåðæàíèå 0,01%)
Aldrich, ÑØÀ
Ïîëóòîíîâàÿ ëèòîãðàôèÿ êàê ìåòîä ïîëó÷åíèÿ ìàòðèö ìèêðîëèíç
Îñíîâíûì ïðèíöèïîì ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè ÿâëÿåòñÿ äîçèðîâàííîå îáëó÷åíèå ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî âåùåñòâà. Ïðè îáëó÷åíèè ìîíîìåðíîé êîìïîçèöèè, íàõîäÿùåéñÿ ìåæäó äâóìÿ ïîâåðõíîñòÿìè (ñòåêëÿííàÿ ïîäëîæêà è ïëåíêà ïîëèýñòåðà) áëàãîäàðÿ ñïåöèôè÷åñêèì ñâîéñòâàì 2-carboxyethyl acrylate (î êîòîðûõ ãîâîðèëîñü âûøå) ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè íà÷èíàåòñÿ ñ ïîâåðõíîñòè ñòåêëÿííîé ïîäëîæêè. Ïðè ýòîì îáðàçóåòñÿ ÷åòêàÿ ãðàíèöà ìåæäó ïîëèìåðèçîâàííûì è íåïîëèìåðèçîâàííûì ñëîÿìè. Äîçèðîâàííàÿ ýêñïîçèöèÿ îáåñïå÷èâàåòñÿ íàëè÷èåì ïîëóòîíîâîãî ôîòîøàáëîíà íà ïîâåðõíîñòè ïëåíêè ïîëèýñòåðà (ïðèìåð ôîòîøàáëîíà ïðèâåäåí íà ðèñ. 1)
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Ôîòîèíèöèèðóþùàÿ ñèñòåìà
Ðèñ. 1. Ìèêðîôîòîãðàôèÿ ïîëóòîíîâîãî ôîòîøàáëîíà. Ðàçìåðû èçîáðàæåíèÿ 0,3×0,3 ìì.
67
Ïîëóòîíîâîé ôîòîøàáëîí
ÓÔ
Ôîðìèðîâàíèå ìèêðîëèíç (ïåðåòåêàíèå æèäêîãî ìîíîìåðà èç íåîñâåùåííûõ îáëàñòåé â áîëåå îñâåùåííûå) á à Óäàëåíèå æèäêîé êîìïîçèöèè – ìèêðîëèíçû ãîòîâû
Ïîëèìåðèçàöèÿ âñåãî ìîíîìåðà (áëàãîäàðÿ óñàäêå âåùåâñòâà, îáðàçóåòñÿ ìèêðîðåëüåô – ìèêðîëèíçû íà ïîëèìåðíîé ïîäëîæêå)
30–50 ìêì 5–10 ìêì
Ðèñ. 2. Ïðîöåññ ïîëó÷åíèÿ ìàòðèö ìèêðîëèíç ìåòîäîì ïîëóòîíîâîé ëèòîãðàôèè. à – ïîëó÷åíèå îòäåëüíî ñòîÿùèõ ìèêðîëèíç íà ñòåêëÿííîé ïîäëîæêå, á – ìèêðîëèíçû íà ïîëèìåðíîé ïîäëîæêå.
Ðèñ. 3. Ìàòðèöà ìèêðîëèíç è èçîáðàæåíèå öèôðû 9.
Ðèñ. 4. Ðåøåòêà äëèííîôîêóñíûõ ìèêðîëèíç, ïîëó÷åííûõ ïî ñïîñîáó, îñíîâàííîìó íà óñàäêå ïîëèìåðà ïðè ôîòîîòâåðæäåíèè. Äèàìåòð ìèêðîëèíç 100 ìêì, âûñîòà 5 ìêì, ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 5 ìì. 68
Ñõåìàòè÷åñêè ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè èçîáðàæåí íà ðèñ. 2. Äâà ïðîöåññà [18] (íåïîñðåäñòâåííî ïîëèìåðèçàöèÿ è óñàäêà âåùåñòâà â ïðîöåññå ïîëèìåðèçàöèè [19]) îáåñïå÷èâàþò îáðàçîâàíèå ìèêðîëèíç: â ïåðâîì ñëó÷àå (ðèñ. 2à) ìàòðèöó èç îòäåëüíî ðàñïîëîæåííûõ ìèêðîëèíç íà ïîâåðõíîñòè ñòåêëÿííîé ïîäëîæêè (ðèñ. 3), à âî âòîðîì (ðèñ. 2á) ìàòðèöó ìèêðîëèíç íà ïîëèìåðíîé ïîäëîæêå (ðèñ. 4).
Ôîðìèðîâàíèå ìèêðîýëåìåíòîâ íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà
Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü íà êâàðöåâîì îïòîâîëîêíå ñ äèàìåòðîì öåíòðàëüíîé æèëû 435 ìêì. Äàííûé ðàçìåð âîëîêíà áûë âûáðàí â îñíîâíîì ïî ïðè÷èíå óäîáñòâà íàáëþäåíèÿ êèíåòèêè. Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 5. Èçëó÷åíèå àçîòíîãî ëàçåðà 1, ïðîøåäøåå ÷åðåç ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèé çàòâîð 4 è êâàðöåâóþ ïëàñòèíêó 5, ïîïàäàëî íà òîðåö ñâåòîâîäà. Ôîêóñèðóþùèì èçëó÷åíèå ýëåìåíòîì îïòè÷åñêîé ñõåìû óñòàíîâêè ñëóæèë êâàðö-ôëþîðèòîâûé àõðîìàò ÎÊ-10/3 ñ ðàáî÷èì îòðåçêîì 6,61 ìì. Ïðèåìíûé òîðåö ñâåòîâîäà çàêðåïëÿëñÿ â öàíãîâîì äåðæàòåëå óñòðîéñòâà 8, êîòîðîå ïîçâîëÿëî îñóùåñòâëÿòü åãî ìèêðîìåòðè÷åñêîå ïåðåìåùåíèå ïî îñÿì x, y, z, à òàêæå äîïóñêàëî ïîâîðîò ïëîñêîñòè òîðöà ñâåòîâî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
1 4 57 8
13
23
6
9 10 11
12
Ðèñ. 5. Ñõåìà óñòàíîâêè äëÿ ðîñòà ïîëèìåðíûõ ôîðì íà âûõîäíîì òîðöå ñâåòîâîäà. 1 – àçîòíûé ëàçåð, 2 – èñòî÷íèê ïèòàíèÿ ëàçåðà, 3 – ðåãóëÿòîð ÷àñòîòû ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ ãåíåðàöèè, 4 – ýëåêòðîìåõàíè÷åñêèé çàòâîð, 5 – êâàðöåâàÿ ïëàñòèíêà, îáåñïå÷èâàþùàÿ ââîä â ñâåòîâîä èçëó÷åíèÿ ãåëèéíåîíîâîãî ëàçåðà, 6 – ãåëèé-íåîíîâûé ëàçåð, 7 – îáúåêòèâ, îáåñïå÷èâàþùèé ôîêóñèðîâêó èçëó÷åíèé (èñïîëüçîâàíèå îáúåêòèâà ìîæåò áûòü ïîëåçíûì ïðè ðàáîòå ñî ñâåòîâîäàìè ìàëîãî ñå÷åíèÿ (9–50 ìêì)), 8 – äåðæàòåëü ñâåòîâîäà, îáåñïå÷èâàþùèé ïåðåìåùåíèå åãî òîðöà ïî îñÿì x, y, z è ïîâîðîò âîêðóã âåðòèêàëüíîé îñè íà ± 50°; 9 – ëþìèíåñöåíòíûé ýêðàí äëÿ âèçóàëüíîãî íàáëþäåíèÿ ïîëÿ èçëó÷åíèÿ, âûõîäÿùåãî èç ñâåòîâîäà, 10 – ðåàêöèîííûé ñîñóä ñî ñìåñüþ ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ ìîíîìåðîâ, 11 – áèíîêóëÿðíûé ìèêðîñêîï äëÿ íàáëþäåíèÿ çà êèíåòèêîé èçìåíåíèÿ ôîðìû ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ, 12 – âåá-êàìåðà, 13 – íîóòáóê, îáåñïå÷èâàþùèé íàáëþäåíèå è ôèêñàöèþ ïðîöåññà ðîñòà ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ â ðåàëüíîì âðåìåíè.
äà âîêðóã îñè z íà ± 50°. Êâàðöåâàÿ ïëàñòèíêà 5 îáåñïå÷èâàëà ââåäåíèå â òðàêò ðàñïðîñòðàíåíèÿ ÓÔ èçëó÷åíèÿ ïó÷êà êîëëèìèðîâàííîãî èçëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà, èçëó÷àþùåãî íà äëèíå âîëíû 653 íì. Ñâîáîäíûé òîðåö âîëîêíà, ïîìåùåííûé â îáúåì ìîíîìåðíîé êîìïîçèöèè 10, ìîã íàáëþäàòü-
ñÿ ñ ïîìîùüþ áèíîêóëÿðíîãî ìèêðîñêîïà 11. Âåáêàìåðà 12 ïîçâîëÿëà ïðîâîäèòü çàïèñü ýêñïåðèìåíòà â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè.
Èñïîëüçîâàíèå â ñîñòàâå êîìïîçèöèè 2-carboxyethyl acrylate (î åãî ñïåöèôè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ãîâîðèëîñü âûøå) ïîçâîëÿåò ôîðìèðîâàòü ìèêðîýëåìåíòû íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà â ñâîáîäíîì îáúåìå ìîíîìåðà – ðîñò ýëåìåíòà íà÷èíàåòñÿ îò ïîâåðõíîñòè âîëîêíà. Áîëüøîå âëèÿíèå íà ôîðìèðîâàíèå ýëåìåíòà îêàçûâàåò çàïîëíåíèå àïåðòóðû âîëíîâîäà èçëó÷åíèåì. Ñóùåñòâóþò äâà ïðåäåëüíûõ ñëó÷àÿ – ââîä èçëó÷åíèÿ ïî íîðìàëè ê òîðöó âîëîêíà (0°) è ïîä àïåðòóðíûì óãëîì (â äàííîì ñëó÷àå 22°).
Ðîñò îáðàçîâàíèÿ ïðè íîðìàëüíîì ââåäåíèè èçëó÷åíèÿ â âîëîêíî èìååò äâå ñòàäèè. Íà ïåðâîé ñòàäèè ïðè ìàëûõ ýêñïîçèöèÿõ ðîñò îáðàçîâàíèÿ íà÷èíàåòñÿ ñ ïîÿâëåíèÿ â öåíòðå âûõîäíîãî òîðöà ñâåòîâîäà îñòðîãî óçêîãî êîíóñà (ðèñ. 6à). Ïðè óâåëè÷åíèè ýêñïîçèöèè ýòîò êîíóñ ëèøü óâåëè÷èâàåòñÿ ïî äëèíå è âåñüìà ñëàáî ðàñòåò äèàìåòð åãî îñíîâàíèÿ, ïîñòåïåííî ïîëíîñòüþ çàïîëíÿÿ âûõîäíîé òîðåö. Êèíåòèêà ðîñòà êîíóñà (ðèñ. 7, êðèâàÿ 1) òàêæå èìååò äâå ñòàäèè: ïåðâàÿ – ëèíåéíûé ñ ýêñïîçèöèåé ðîñò êîíóñà, âòîðàÿ – çàìåäëåíèå è ïîëíîå ïðåêðàùåíèå ðîñòà åãî äëèíû. Íà âòîðîé ñòàäèè åùå ïðîäîëæàåòñÿ ñëàáîå âîçðàñòàíèå äèàìåòðà îñíîâàíèÿ êîíóñà. Ìàêñèìàëüíàÿ äëèíà êîíóñà, óñðåäíåííàÿ ïî äåñÿòè èçìåðåíèÿì íà ðàçíûõ îáðàçöàõ, ìîæåò äîñòèãàòü çíà÷åíèé 3D, ãäå D – äèàìåòð ñâåòîâåäóùåé æèëû.
Ïðè ïðèáëèæåíèè êîíóñíîé ÷àñòè ê ìàêñèìàëüíîé äëèíå íà÷èíàåòñÿ âòîðàÿ ñòàäèÿ ïðîöåññà. Îáðàçîâàâøèéñÿ óçêèé êîíóñ èìååò îñòðûé êîí÷èê,
(à) (á) (â)
Ðèñ. 6. à – ïîñëåäîâàòåëüíûå ýòàïû ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîýëåìåíòà â ïðîöåññå ÓÔ-ôîòîîòâåðæäåíèÿ ïðè ââåäå-
íèè â ñâåòîâîä ïî ïåðâîìó òèïó íà äâóõ ýòàïàõ ïåðâîé è äâóõ ýòàïàõ âòîðîé ñòàäèè; á – ôîòîãðàôèÿ ìèêðîýëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 0°, âðåìÿ ýêñïîçèöèè 26 ñ; â – ôîòîãðàôèÿ ìèêðîýëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 00, âðåìÿ ýêñïî-
çèöèè 90 ñ, êîíöåíòðàöèÿ ðîäàìèíà Â – 0,1 âåñ.%.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
69
I, äåë. 30 20
10 0 0
1 2
20 40 60 t, c
Ðèñ. 7. Êèíåòèêà óâåëè÷åíèÿ äëèíû l (â óñë. åä.) êîíóñà ôîòîîòâåðæäåííîãî ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ â ñâåòîâîä ïî ïåðâîìó (êðèâàÿ 1) è âòîðîìó òèïó (êðèâàÿ 2) ïðè ðàçëè÷íûõ âðåìåíàõ ýêñïîçèöèè. Êðèâûå ïîëó÷åíû óñðåäíåíèåì êèíåòè÷åñêèõ êðèâûõ ïî ïÿòè îáðàçöàì.
êîòîðûé ÿðêî ñâåòèòñÿ, è íà åãî êîíöå íà÷èíàåòñÿ ðîñò íîâîãî êàïëåîáðàçíîãî îáðàçîâàíèÿ (ðèñ. 6â). Îíî òàêæå èìååò çàîñòðåííûé êîíåö, âûòÿíóòûé âäîëü îñè ñâåòîâîäà.  ýòîé ÷àñòè îíî ïîõîæå íà êîíóñ ïåðâîé ñòàäèè. Âòîðîå îáðàçîâàíèå òàêæå èìååò äâå ñòàäèè êèíåòèêè ðîñòà: àêòèâíóþ (ðîñò äëèíû ñ ýêñïîçèöèåé) è ïàññèâíóþ (äëèíà îáðàçîâàíèÿ ïåðåñòàåò ðàñòè). Îäíîâðåìåííî ñ ðîñòîì äëèíû êîíóñíîé ÷àñòè âòîðîãî îáðàçîâàíèÿ íåñêîëüêî âîçðàñòàåò ìàêñèìàëüíûé äèàìåòð åå îñíîâàíèÿ (ðèñ. 6á).
Òàêèì îáðàçîì, ðîñò ïîëèìåðíûõ ñòðóêòóð ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ ïî ïåðâîìó òèïó íà÷èíàåòñÿ è ðàçâèâàåòñÿ êàê êèíåòèêà êîíóñíîé ôîðìû. Ïðè ýòîì íå âîçíèêàåò èíûõ ñòðóêòóð. Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ è äëÿ ñîñòàâîâ, ñîäåðæàùèõ ôîòîàêòèâíûå äîáàâêè (ðèñ. 6â). Áîëåå ïîäðîáíî âëèÿíèå ôîòîàêòèâíûõ äîáàâîê íà êèíåòèêó ðîñòà ìèêðîýëåìåíòà íà òîðöå âîëîêíà ðàññìîòðåíî â ðàáîòàõ [20–22]). Îä-
íàêî ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â ñèëó ïîãëîùåíèÿ ôîòîàêòèâíîé äîáàâêè, âî-ïåðâûõ, óâåëè÷èâàåòñÿ âðåìÿ ýêñïîçèöèè, âî-âòîðûõ, ôîðìà êîíóñà ñòàíîâèòñÿ áîëåå îêðóãëîé.
Ðîñò îáðàçîâàíèÿ ïðè ñïîñîáå ââåäåíèÿ èçëó÷åíèÿ ïîä àïåðòóðíûì óãëîì ïðè ìàëûõ ýêñïîçèöèÿõ òàêæå íà÷èíàåòñÿ ñ ïîÿâëåíèÿ â öåíòðå âûõîäíîãî òîðöà ñâåòîâîäà ïîëèìåðíîãî êîíóñà, êîòîðûé ïðè óâåëè÷åíèè ýêñïîçèöèè ðàñòåò â äëèíó è óâåëè÷èâàåòñÿ â äèàìåòðå ó îñíîâàíèÿ, ïîñòåïåííî ïîëíîñòüþ çàïîëíÿÿ âûõîäíîé òîðåö (ðèñ. 8à). Îäíàêî êîíóñ, âîçíèêàþùèé ïðè ýòîì, èìååò áîëåå âûïóêëóþ ïîâåðõíîñòü, ÷åì ó êîíóñà â ïðåäûäóùåì ñëó÷àå. Áîëåå ÿðêî ýòî ïðîÿâëÿåòñÿ ïðè ââåäåíèè â êîìïîçèöèþ ôîòîàêòèâíîé äîáàâêè (ðèñ 8â). Îí èìååò áîëåå òóïóþ âåðøèíó è áîëåå âÿëî ðàñòåò â äëèíó. Áûñòðåå ðàçðàñòàÿñü â øèðèíó, îí â ñâîåé çàäíåé ÷àñòè çàïîëíÿåò öèëèíäðè÷åñêóþ îáëàñòü, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ïðîäîëæåíèåì ñâåòîâåäóùåé æèëû. Ïîýòîìó ÷àñòü ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ, ïðèëåãàþùàÿ ê òîðöó ñâåòîâîäà, ñòàíîâèòñÿ öèëèíäðè÷åñêîé. Ïîëèìåðíîå îáðàçîâàíèå â ñâîåì ðàçâèòèè äîñòèãàåò òîé æå äëèíû, ðàâíîé òðåì äèàìåòðàì ñâåòîâåäóùåé æèëû. Ïðè óâåëè÷åíèè âðåìåíè ýêñïîçèöèè ðîñò îáðàçîâàíèÿ ïðîäîëæàåòñÿ ñ ñîõðàíåíèåì öèëèíäðè÷íîñòè ôîðìû.  äàííîì ñëó÷àå áëàãîäàðÿ óâåëè÷åíèþ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ êîìïîçèöèè ïðè ïîëèìåðèçàöèè, çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ îáùåãî ÷èñëà ñâÿçåé â åäèíèöå îáúåìà è áîëåå ïëîòíîé óïàêîâêè ìàêðîìîëåêóë, ìû ïîëó÷àåì ôàêòè÷åñêè ïðîäîëæåíèå ñâåòîâîäíîé æèëû âîëîêíà, êîòîðîå ñàìî íà÷èíàåò âûñòóïàòü â ðîëè âîëíîâîäà.
Êèíåòèêà ðîñòà ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ (ðèñ. 7, êðèâàÿ 2) è â ýòîì ñëó÷àå èìååò äâå ÿðêî âûðàæåííûå ñòàäèè: ëèíåéíûé ðîñò äëèíû êîíóñà ñ ýêñïîçèöèåé, çàìåäëåíèå ðîñòà åãî äëèíû. Òåîðåòè÷åñêè, ïðè îòñóòñòâèè ïîãëîùåíèÿ ÓÔ èçëó÷åíèÿ ïî-
(à) (á) (â)
Ðèñ. 8. à – ïîñëåäîâàòåëüíûå ýòàïû ôîðìèðîâàíèÿ ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ â ïðîöåññå ôîòîîòâåðæäåíÿ ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ â ñâåòîâîä ïî âòîðîìó òèïó (ðîñò ýêñïîçèöèè ñëåâà íàïðàâî); á – ôîòîãðàôèÿ ìèêðýîëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 22°, âðåìÿ ýêñïîçèöèè 60 ñ; â – ôîòîãðàôèÿ ìèêðîýëåìåíòà ïðè óãëå ââîäà 22°, âðåìÿ ýêñïîçèöèè 90 ñ, êîíöåíòðàöèÿ ðîäàìèíà  – 0,1 âåñ.%.
70 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
(à) (á)
Ðèñ. 9. Ïîëèìåðíîå îáðàçîâàíèå, ïîëó÷åííîå â ïðîöåññå ÓÔ-ôîòîîòâåðæäåíèÿ, ïðè ââåäåíèè ÓÔ èçëó÷åíèÿ â ñâåòîâîä ïî âòîðîìó òèïó íà çàêëþ÷èòåëüíîé ñòàäèè ðàçâèòèÿ: íà êîíöå îáðàçîâàíèÿ èìååòñÿ íåñêîëüêî êîíóñíûõ îáðàçîâàíèé, ðàñòóùèõ èç îáùåãî öèëèíäðè÷åñêîãî îñíîâàíèÿ. à – ñõåìà, á – ôîòî.
ëèìåðîì, äàííûé ïðîöåññ ìîã áû ïðîäîëæàòüñÿ áåñêîíå÷íî. Êîíåö ïðîöåññà õàðàêòåðèçóåòñÿ òåì, ÷òî ÷àñòü, ïðèëåãàþùàÿ ê ñâåòîâîäó, ïðèîáðåòàåò ôîðìó öèëèíäðà, íà êîòîðîì èìååòñÿ êîíóñíàÿ âåðøèíà. Äëèíà öèëèíäðè÷åñêîé ÷àñòè ìîæåò äîñòèãàòü 70% äëèíû ñòðóêòóðû. Ðîñò ýòîé ñòðóêòóðû âåñüìà ÷àñòî ñîïðîâîæäàåòñÿ ðàçäâîåíèåì êîíóñà èëè äàæå ïîÿâëåíèåì íåñêîëüêèõ ïèêîâ íà åãî êîíöå (ðèñ. 9). Ïîýòîìó ñòðóêòóðà çà÷àñòóþ âûãëÿäèò êàê öèëèíäð ñî ìíîãèìè îñòðûìè ïè÷êàìè íà êîíöå.
Ðîñò ïîëèìåðíîãî îáðàçîâàíèÿ ïðè ââåäåíèè èçëó÷åíèÿ ïðè èíûõ óãëàõ, ÷åì îïèñàííûå âûøå êàê êðàéíèå óñëîâèÿ, ÿâëÿåòñÿ ïðîìåæóòî÷íûì ñëó÷àåì, à ðîñò ïîëèìåðíîé ñòðóêòóðû íà÷èíàåòñÿ è ïðîäîëæàåòñÿ êàê ðàçâèòèå êîíóñíîé ôîðìû. Ïðè ýòîì ïðè ìàëûõ óãëàõ êîíóñ èñêàæàåòñÿ ìàëî è íà âòîðîì ýòàïå åãî ðàçâèòèÿ ïîÿâëÿåòñÿ êàïëåîáðàçíàÿ ÷àñòü. Ïðè óãëàõ, áëèçêèõ ê ïðåäåëüíîìó, âîçìîæíî îáðàçîâàíèå ó÷àñòêîâ öèëèíäðè÷åñêîé ôîðìû.
Çàêëþ÷åíèå
Ïîêàçàíû âîçìîæíîñòè ôîðìèðîâàíèÿ êàê îòäåëüíûõ, òàê è ñâÿçàííûõ ñ îïòè÷åñêèì âîëîêíîì ìèêðîýëåìåíòîâ íà îñíîâå ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ ìîíîìåðîâ. Ïðåäïî÷òèòåëüíàÿ ïîëèìåðèçàöèÿ îò ïîâåðõíîñòè ñòåêëà (êâàðöà), áëàãîäàðÿ ñïåöèôè÷åñêèì ñâîéñòâàì îïðåäåëåííûõ ìîíîìåðîâ, ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ïîëóòîíîâóþ ëèòîãðàôèþ äëÿ ïîëó÷åíèÿ ïëàíàðíûõ ýëåìåíòîâ (ìèêðîëèíç) è èñïîëüçîâàòü ÓÔ-îòâåðæäàåìûå ìîíîìåðû äëÿ ñîçäàíèÿ òîðöåâûõ ýëåìåíòîâ íà îïòè÷åñêèõ âîëîêíàõ. Âîçìîæíîñòü âëèÿíèÿ íà ïðîöåññ ïîëèìåðèçàöèè (ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ, èçìåíåíèåì óãëà ââîäà èçëó÷åíèÿ â âîëîêíî) ïîçâîëÿåò ïîëó÷àòü ðàçëè÷íûå ñòðóêòóðû, à âîçìîæíîñòü êîððåêòèðîâàíèÿ ñîñòàâîâ – íåîáõîäèìûå îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ýòèõ ýëåìåíòîâ.
Ïîëîæèòåëüíûé ïðèðîñò ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ïðè ïîëèìåðèçàöèè ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü ôàêòè÷åñêè ïðîäîëæåíèå îïòè÷åñêîé æèëû ñâåòîâîäà, à ñëåäîâàòåëüíî, îòêðûâàåò èíòåðåñíûå ïåðñïåêòèâû äëÿ ñîçäàíèÿ ïîëèìåðíûõ ñîåäèíåíèé îïòè÷åñêèõ âîëîêîí. Èñïîëüçîâàíèå èçëó÷åíèÿ, âûõîäÿùåãî èç îïòè÷åñêîãî âîëîêíà, äëÿ ñîçäàíèÿ ìèêðîýëåìåíòà íà åãî òîðöå îáåñïå÷èâàåò èõ ñîãëàñîâàííîñòü. Ïðè ýòîì ñîçäàííûé ýëåìåíò (ôîêîí), óâåëè÷èâàÿ àïåðòóðó âîëîêíà, ìîæåò ñíèæàòü ïîòåðè èçëó÷åíèÿ ïðè ñîãëàñîâàíèè îïòè÷åñêîãî ñâåòîâîäà ñ èñòî÷íèêàìè/ïðèåìíèêàìè èçëó÷åíèÿ.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ïî ãðàíòó Ðîñîáðàçîâàíèÿ ÐÍÏ.2.1.1.1403 “Èññëåäîâàíèå ïðîöåññîâ ôîðìèðîâàíèÿ ìèêðîîïòè÷åñêèõ ïîâåðõíîñòåé â ïîëå ñâåòîâîé âîëíû ïðè ôîòîîòâåðæäåíèè ìîíîìåðíûõ êîìïîçèöèé”.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Berkel C., McGarvey B., Clarke J. Microlens arrays for 2D large area image sensors // Pure Appl. Opt. 1994. V. 3. P. 177–182.
12. Wu M., Whitsides G. Fabrication of two-dimensional arrays of microlenses and their applications in photolithography // J. Micromechanics and Microengineering. 2002. V. 12. Ð. 747–758.
13. Olszak, Descour M. Microscopy in multiples // SPIE OE magazine, 2005. May. p.16–18.
14.
nSoaivnoelnaiRn.e, nVeMhv.,ilPa..ieniepnonHe.n NKo.vEe.l,
Savander P., Silvenoptical techniques for
window glass inspection // Meas. Sci. Technol. 1995. V. 6.
Ð. 1016–1021.
15. Tolstoba N.D. Gram–Schmidt technique for aberration analysis in telescope mirror testing // Proc. SPIE. 1999. V. 3785. Ð. 140–151.
16. Shen X.X., Yu X.Q., Yang X.L., Cai L.Z., Wang Y.R., Dong G.Y., Meng X.F., Xu X.F. Fabrication of periodic microstructures
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
71
by holographic photopolimerization with a low-power continuous-wave laser of 532 nm // Pure Appl. Opt. 2006. V. 8. Ð. 672–676.
17. Kondo T., Juodkazis S., Mizeikis V., Matsuo S., Mizawa H. Fabrication of three-dimensional periodic microstructures in photoresist SU-8 by phase-controlled holographic lithography // New Journal of Physics. 2006. V. 8. Ð. 250–266.
18. Deubel M., Vegener M., Kaso A., John S. Direct laser writing and characterization of “Slanted Pore” Photonic Crystals // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. ¹11. Ð. 1895– 1897.
9. Õàöåâè÷ Ò.Í., Ìèõàéëîâ È.Î. Ýíäîñêîïû: Ó÷åá. ïîñîáèå. Íîâîñèáèðñê: ÑÃÃÀ, 2002. 196 ñ.
10. Schiappellia F., Kumar R., Prasciolu M., Cojoc D., Cabrini S., De Vittorio M., Visimberga G., Gerardino A., Degiorgio V., Di Fabrizio E. Efficient fiber-to-waveguide coupling by a lens on the end of the optical fiber fabricated by focused ion beam milling // Microelectronic Engin. 2004. V. 73–74. Ð. 397–404.
11. Âåéêî Â.Ï., Áåðåçèí Þ.Ä., ×óéêî Â.À. Ëàçåðíûå òåõíîëîãèè ôîðìèðîâàíèÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ èíñòðóìåíòîâ // Èçâ. ÐÀÍ. Ñåð. ôèçè÷åñêàÿ. 1997. Ò. 61. ¹ 8. Ñ. 1627–1631.
12. Kim S., Kang S. Replication qualities and optical properties of UV – moulded microlens arrays // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. Ð. 2451–2456.
13. Moon S., Lee N., Kang S. Fabrication of a microlens array using micro-compression molding with an electroformed mold insert // J. Micromech. Microeng. 2002 V. 13. Ð. 98–103.
14. Hessler Th., Rossi M., Pedersen J., Gale M. T., Wegner M., Steudle D., Tiziani H.J. Microlens arrays with spatial
variation of the optical function // Pure Appl. Opt. 1997. V. 6. Ð. 673–681.
15. Reimer K., Quenzer H.J., Jurss M., Wagner B. Micro-optic fabrication using one-level gray-tone lithography // Proc. SPIE. 1997. V. 3008. Ð. 279–288.
16. Jun Yao, Zheng Cui, Fuhua Gao, Yixiao Zhang, Feng Gao. Design of hybrid micro optical elements with coded gray-tone mask // Microelectronic Engin. 2001. V. 57–58. Ð. 793–799.
17. Tormen M., Businaro L., Altissimo M., Romanato F., Cabrini S., Perennes F., Proietti R., Hong-Bo Sun, Satoshi Kawata, Di Fabrizio E. 3D patterning by means of nanoimprinting, X-ray and two-photon lithography // Microelectronic Engin. 2004. V. 73–74. Ð. 535–541.
18. Ôîêèíà Ì.È., Äåíèñþê È.Þ. Ôîðìèðîâàíèå ðåøåòîê ìèêðîëèíç ìåòîäîì äîçèðîâàííîé ôîòîïîëèìåðèçàöèè ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ îïòè÷åñêèõ êîìïîçèòîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. V. 73. ¹ 11. Ñ. 90–96.
19. Ñìèðíîâà Ò.Â., Áóðóíêîâà Þ.Ý., Äåíèñþê È.Þ. Èçìåðåíèå óñàäîê ÓÔ-îòâåðæäàåìûõ êîìïîçèöèé íà îñíîâå àêðèëàòîâ è äèàêðèëàòîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2006. ¹ 5. C. 57–61.
20. Fokina M. Optical surface making by UV-curing of monomeric compositions in near field of coherent light source // Molecular Crystals. 2007. ¹ 468. P. 33/[385]– 42/[394].
21. Áåðåçêèíà À.Ñ. Âëèÿíèå òèïà è êîíöåíòðàöèè êðàñèòåëÿ íà ôîðìèðîâàíèå ìèêðîýëåìåíòà íà òîðöå îïòè÷åñêîãî âîëîêíà // Ñá. òð. 4-é ìåæâóç. êîíô. ìîëîäûõ ó÷åíûõ Ñàíêò-Ïåòåðáóðãa. ÑÏá.: ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ, 2007. Ñ. 12–16.
22. Fokina M.I., Burunkova J.E., Denisuk I.Yu. Influence of Photoactive Additive on Growth of Polymer Microelements on the top of Optical Fiber // Proc. SPIE. 2007. V. 6732. P. 673215.
72 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008