5.2. Изготовление микролинз электростимулированной миграцией ионов из расплава соли

с использованием игольчатого анода

Известен способ изготовления микролинз с использованием в качестве анода и источника ионов Ag⁺ серебряной проволоки, которая размещается непосредственно на поверхности стеклянной подложки [80]. В этом способе электростимулированная миграция ионов серебра осуществляется в стеклянную пластинку непосредственно с серебряной проволоки в соответствии рис. 41.

Рис. 41. Способ изготовления интегральных микролинз

Согласно этому способу одна из плоскостей стеклянной пластин­ки (1) приводится в соприкосновение с расплавом соли (2), в который погружен платиновый электрод (3), выполняющий роль катода. Анодом и источником ионов серебра является серебряная игла (4), острие которой располагается на противоположной плоскости стеклянной пластинки (1).

После приложения внешнего стимулирующего электрического поля ионы серебра диффундируют с острия серебряной иглы в поверхность стеклянной пластинки, вызывая увеличение показателя преломления стекла. Область диффузии, с повышенным показате­лем преломления и имеющая форму полу­сферы, фактически является микролинзой.

Пластинка натриево-силикатного стекла с содержанием окиси натрия 14% размером 30×10×2,6 (мм) одной плоскостью приводится в соприкосновение с расплавом К₂Cr₂O₇, в котором находится платиновый катод. Анод был выполнен в виде иглы диаметром 1 мм из чистого серебра Ср 99,99 и располагался на противоположной плоскости стеклянной пластинки. Между анодом и катодом при­кладывалось внешнее стимулирующее напряжение величиной 12 В. Электростимулированная миграция ионов серебра из иглы в стеклянную пластинку осуществлялась при температуре 500°С в течение 90 минут. При этом в стекле была сформирована микролинза полусферической формы диаметром 1,6 мм, фокусным расстоянием 7,1 мм и диаметром фокального пятна 16 мкм.

Этот способ изготовления микролинз позволяет отказаться от таких операций как термическое вакуумное нанесение металлических пленок и фотолитография, которые обычно используются при изготовлении микролинз в стеклах.

В дальнейшем этот способ изготовления микролинз был несколько упрощен. В качестве катода (расплава соли К₂Cr₂O₇) использовалась алюминиевая пленка, нанесенная методом термического напыления в вакууме на одну из сторон стеклянной пластинки. Анодом и источником ионов серебра, также как и в предыдущем случае, являлась серебряная (Ср 99,99) проволока диаметром 1 мм. Для создания надежного контакта между стеклом и проволокой, проволока затачивалась на шлифовальном круге до придания кончику проволоки сферической формы. Для осуществления электростимулированной миграции ионов из кончика проволоки в стеклянную пластинку вся конструкция приводилась в нагретое состояние.

На рис. 42 представлена схема изготовления микролинз по описанному выше способу.

Рис. 42. Схема изготовления микролинз

На электрической печи (1), располагался алюминиевый электрод (2), выполнявший роль катода. Стеклянная пластинка (3) стороной с нанесенной тонкой пленкой лежала непосредственно на катоде. На противоположной стороне пластинки устанавливался серебряный электрод (4), выполненный в виде проволоки с закругленным концом. Блок питания (5) использовался для подачи стимулирующего напряжения, а микроамперметр (6) – для измерения электрического тока в процессе электростимулированной миграции ионов серебра.

.

В качестве подложки использовалось стекло К8 размером 35×35×2,9 (мм). Температура процесса миграции была 380°С, стимулирующее напряжение  85 В. Время формирования микролинзы составило 4 часа. Электрический ток в процессе миграции изменялся от 40 до 500 мкА.

З ависимость величины электрического тока от времени протекания процесса миграции ионов представлена на рис. 43.

Рис. 43. Зависимость величины электрического тока от времени протекания процесса миграции ионов

Как видно из рис. 43 электрический ток плавно возрастает, достигая максимального значения через 90 минут после начала процесса, и далее остается неизменным.

Это можно объяснить тем, что в начальный момент площадь соприкосновения стеклянной подложки и серебряной проволоки, имеющей закругленный конец невелика, количество внедряемых ионов незначительное, а, следовательно, и величина тока мала. Затем, по мере внедрения ионов серебра в стекло, площадь соприкосновения растет и, достигнув максимума, остается далее постоянной.

На рис. 44 представлен внешний вид изготовленной микролинзы.

Рис. 44. Внешний вид изготовленной микролинзы

Полученная микролинза имела недостаточно круглую форму. Большие механические напряжения, возникшие в стекле в результате замены ионов натрия ионами серебра, привели к появлению трещин у границ микролинзы в процессе полировки ее поверхности. Кроме того высокое содержание ионов серебра в области микролинзы и их большая подвижность, обусловленная высокой температурой процесса миграции привели к появлению коллоидной окраски микролинзы.

Проведенные измерения показали, что диаметр микролинзы составил D=1,6 мм, фокусное расстояние – F=11 мм, диаметр фокального пятна – D_F =40 мкм.

Поскольку в процессе изготовления микролинз таким способом все ионы натрия, перемещаясь к катоду, замещаются ионами серебра из серебряной проволоки. Это приводит к тому, что область миграции имеет максимальную концентрацию ионов серебра, а, следовательно, и максимальное изменение показателя преломления. Если воспользоваться формулой линзы [81]

, (60)

где F – фокусное расстояние линзы; – относительный показатель преломления (n и n₁ – соответственно абсолютные показатели преломления линзы и окружающей среды); R₁ и R₂ – радиусы кривизны ее поверхностей, то учитывая, что плоская поверхность микролинзы имеет бесконечно большой радиус кривизны, т.е. R₁=∞ и , можно оценить изменение показателя преломления в области микролинзы. Для изготовленной микролинзы изменение показателя преломления составило Δn=0,1.

Для уменьшения внутренних напряжений в стекле, приводящих к появлению трещин в области миграции были изменены режимы изготовления микролинзы. Была повышена температура процесса миграции до 420°С, уменьшено стимулирующее напряжение до 70 В, уменьшено время миграции до 2 часов, а также было увеличено время остывания подложки после проведения процесса миграции. В результате внесенных изменений в режим изготовления была получена микролинза диаметром D=680 мкм, с фокусным расстоянием F=4,7 мм и диаметром фокального пятна D_F=16 мкм. Изменение показателя преломления в области миграции и в этом случае было равно Δn=0,1.

На рис. 45 представлен фотография полученной микролинзы и ее фокального пятна.

Рис. 45. Фотография полученной микролинзы и ее фокального пятна.

Известно, что форма и размер фокального пятна определяют качество линзы. В случае дифракции на круглом отверстии диаметра D дифракционное изображение состоит из центрального светлого пятна (пятно Эйри) и окружающих его светлых колец. Пятно Эйри содержит приблизительно 84% всей световой энергии, и принимается за изображение точечного и центрального пятна в фокальной плоскости линзы. Радиус пятна Эйри можно определить по формуле

, (61)

где λ – длина волны излучения; D – диаметр линзы; F – фокусное расстояние линзы [82].

Интенсивность пятна Эйри значительно превышает интенсивность окружающих его колец. Поэтому при оценке дифракции в оптических системах обычно принимают во внимание только радиус пятна Эйри. Чем больше радиус фокального пятна линзы отличается от радиуса пятна Эйри (дифракционного предела), тем хуже фокусирующие свойства линзы.

Диаметр пятна Эйри (дифракционного предела) для изготовленных линз составляет 10,6 мкм. Сравнивая дифракционный предел с диаметрами фокальных пятен изготовленных линз, приходим к выводу, что вторая линза обладает лучшими фокусирующими свойствами, и ее форма наиболее близка к сферичной.

Недостатком описанного выше способа получения микролинз является невозможность изготовления микролинз с различным изменением показателем преломления между линзой и подложкой (Δn). Микролинзы, получаемые этим способом имеют одно и тоже соотношение между фокусным расстоянием и их диаметром, что обусловлено максимальным показателем преломления в области диффузии, который можно получить в данном стекле, внедряя ионы серебра из серебряной проволоки.

Для создания микролинз с различным соотношением их диаметра и фокусного расстояния было предложено новое технологическое решение, заключающееся в том, что электростимулированная миграция ионов серебра в стеклянную пластинку осуществляется из анода, выполненного в виде капилляра, заполненного расплавом солей, содержащих ионы серебра, с погруженным в него положительным электродом, и имеющего контакт с поверхностью стеклянной пластинки [83]. Поскольку расплав солей, заполняющий капилляр, может содержать различное количество ионов серебра, то получаемые микролинзы будут иметь различный показатель преломления, что приведет к формированию микролинз с различным соотношениям между фокусным расстоянием и диаметром формируемых микролинз.

На рис. 46 представлена схема изготовления интегральных микролинз предложенным способом.

На одной из поверхностей стеклянной пластинки (1) располагают капилляр (2), заполненный расплавом солей (3), ионы которых, проникая в стеклянную подложку, приводят к увеличению показателя преломления. Внутри капилляра (2) в контакте с расплавом солей (3) находится электрод (4), на который подается положительный потенциал. На противоположную поверхность стеклянной пластинки (1) наносят алюминиевый слой (5), играющий роль тонкопленочного катода.

Внешнее электрическое поле, стимулирующее процесс внедрения ионов в стеклянную пластинку (1), прикладывают между электродом (4), погруженным в расплав солей (3), находящимся в капилляре (2), и алюминиевым слоем (5), расположенным на противоположной стороне стеклянной пластинки (1).

При подаче напряжения на электроды (4) и (5) в стеклянной пластинке (1) возникает электрическое поле, стимулирующее процесс внедрения ионов из расплава солей (3) в стеклянную пластинку (1). В процессе электростимулированной миграции ионов из расплава солей (3) в стеклянной пластинке (1) у капилляра (2) формируется область полусферической формы с повышенным показателем преломления, являющаяся микролинзой (6).

+

Рис. 46. Схема изготовления микролинз

Для получения интегральной микролинзы в качестве пластинки использовалось оптическое стекло К8, на одной из сторон которой размещался капилляр, заполненный расплавом солей AgNO₃ и NaNO₃, взятых в отношении 1:10 (моль). Противоположная сторона стеклянной пластинки при этом была покрыта тонким алюминиевым слоем, игравшим роль катода. Анодом служила платиновая проволока, погруженная в расплав солей. Стеклянная пластинка с капилляром нагревалась до 380°С. Стимулирующее напряжение составляло 30 В. Время изготовления интегральной микролинзы 30 мин. В результате электростимулированной миграции ионов из расплава солей в стеклянной пластинке была получена интегральная микролинза диаметром 158 мкм, фокусным расстоянием – 1850 мкм и диаметром фокального пятна – 15 мкм. Изменение показателя преломления в области линзы составило – 0,06.