5.1. Изготовление микролинз электростимулированной миграцией ионов из расплава соли

с использованием игольчатого катода

Микролинзы по первому способу изготавливались следующим образом. Тщательно очищенная стеклянная пластинка размером 30  30  1,25 мм закреплялась с помощью пружинного зажима между анодом, выполненным в виде серябряной лодочки, и катодом, представлявшим игольчатый электрод. На рис. 38 дана схема получения микролинз с использованием игольчатого катода. Одна из сторон стеклянной пластинки (1) приводилась в соприкосновение с расплавом соли (2), содержавшей ионы, способные проникать в стеклянную подложку и вызывать в ней повышение показателя преломления. На противоположной стороне пластинки располагался игольчатый катод (3). Анодом являлся серебряный электрод (4), выполненный в виде лодочки и помещенный в расплав соли.

Рис. 38. Схема получения микролинз с применением игольчатого катода

Отсутствие маскирующего слоя на поверхности подложки, погруженной в расплав, позволяет получить радиальное распределение напряженности электрического поля на поверхности пластинки с максимумом, находящимся против катода, и постепенным уменьшением напряженности к периферии. Такое распределение напряженности электрического поля в образце приводит к неравномерной скорости миграции ионов серебра из расплава соли с максимумом на нормали, соединяющей игольчатый электрод и поверхность стекла, соприкасающуюся с расплавом.

Анализ конфигурации электрического поля, возникающего при таком расположении электродов, выполнен на основе следующих соображений: предполагается, что игольчатый катод (3) представляет собой не что иное, как точечный заряд – q , а расплав соли (2) – проводник, заполняющий бесконечное полупространство, верхней границей которого служит плоскость раздела сред стекло – расплав. В этом случае, воспользовавшись методом изображений [79], можно определить потенциал электрического поля для области глубиной d (толщина стеклянной пластинки (1)) между точечным зарядом и проводником

, (57)

где x, y – текущие координаты точки;  – диэлектрическая проницаемость стекла; ₀ – электрическая постоянная.

С помощью соотношения находятся составляющие напряженности электрического поля в указанной области

;

, (58)

позволяющие, в свою очередь, определить картину силовых линий поля.

Исходя из приводимых соображений, можно получить распределение силовых линий поля, действующего на ионы Ag⁺, расположенные вдоль поверхности подложки в начальный момент времени. Действительно, в данном случае y = 0, и из формул (58) следует

, (59)

так что силовые линии в начале миграции нормальны к поверхности раздела, и поле воздействует на ионы Ag⁺ с силой, изменяющейся по закону (59).

Качественный график распределения силовых линий приведен на рис. 39, где для определенности положено d = 1 мм (график симметричен относительно оси X = 0).

Рис. 39. Распределение силовых линий электрического поля при использовании игольчатого катода

Рассчитанные распределения силовых линий стимулирующего поля в стекле хорошо согласуются с экспериментальными результатами.

Сформированная таким образом область с повышенным показателем преломления выполняет функции собирающей линзы. На рис. 40 изображен внешний вид поперечного сечения области диффузии, сфотографированной с помощью микроскопа.

Рис. 40. Внешний вид поперечного сечения области миграции ионов серебра, получаемой при помощи игольчатого катода

В процессе изготовления планарных линз этим способом электростимулированная миграция ионов проводилась из расплава солей AgNO₃ и NaNO₃ , взятых в молярном отношении 1 : 1 , при температуре 380С и постоянном стимулирующем напряжении 150 В. Время миграции ионов было 15 и 60 мин. Во время процесса электрический ток, обусловленный движением ионов Na⁺ к катоду и ионов Ag⁺ из расплава соли в стекло, постепенно возрастал от 0,04 мА до 2–3 мА. Глубина проникновения ионов Ag⁺ в стекло при времени миграции 15 мин. составила 200 мкм, а при времени миграции 60 мин. – 600 мкм.

Исследование микролинз, получаемых указанным способом, выявило наличие значительных аберраций, обусловленных плохой сферичностью микролинз. Наибольшую сферичность подобные линзы имеют в своей верхней части. У основания линза монотонно переходит в планарный волновод, формируемый на всей поверхности стекла, находящегося в контакте с расплавом соли. Отсутствие внешнего стимулирующего электрического поля в области, удаленной от игольчатого электрода, не препятствует проведению обычного ионного обмена Na⁺ Ag⁺ между подвижными ионами стекла и ионами расплава.

Уменьшение аберраций у таких линз достигается либо диафрагмированием, либо сполировыванием периферийной, не сферичной части линзы вместе с планарным волноводом. В зависимости от глубины сполировки периферийной части линзы фокусные расстояния составили 5  15 мм при диаметре получаемых при этом линз 1  2,5 мм. При этом диаметр фокального пятна достигал 50 мкм.

Поскольку полученные таким образом линзы имеют оптическую связь с планарным волноводом, формируемым на поверхности стекла в результате ионного обмена, то оптическое излучение, распространяющееся по волноводу, также фокусируется этими линзами, примерно таким же образом, как это происходит в линзах Люнеберга.