7.3. Разработка и исследование матриц интегральных микролинз для датчика волнового фронта Шака-Гартмана

Флуктуации показателя преломления среды изменяют направление распространения света, могут приводить к расфокусировке луча, в итоге оптические изображения неточно соответствуют самому предмету. Поиск путей решения проблемы получения изображений объектов, наблюдаемых через среду, пусть даже со случайно-неоднородными пространственно-временными характеристиками, привели к формированию самостоятельного раздела физической науки – адаптивной оптики. Но прежде чем пытаться скомпенсировать изменения волнового фронта, необходимо как можно точнее их зарегистрировать, для этого используются датчики волнового фронта. Одним из таких датчиков является датчик Шака-Гартмана, изготавливаемый на основе матрицы микролинз (линзового растра).

Датчик волнового фронта Шака-Гартмана представляет собой линзовый растр, который фокусирует на CCD-матрицу лазерный пучок, отраженный от исследуемой поверхности или прошедший через оптически неоднородную среду. При этом смещение фокального пятна каждой микролинзы пропорционально локальному наклону волнового фронта пучка, пришедшего в приёмную апертуру прибора.

Матрица локальных наклонов позволяет математически вычислить аберрации исследуемого волнового фронта. Таким образом датчик позволяет количественно восстановить форму отражающей поверхности или распределение оптической толщины в неоднородной среде с пространственным разрешением, зависящим от количества микролинз в растре [100].

Основным элементом датчика Шака-Гартмана является квадратный или гексагональный линзовый растр (матрица микролинз). Каждая линза обычно имеет размеры от 1 мм и меньше. Линзы датчика разделяют исследуемый волновой фронт на субапертуры, формируя в фокальной плоскости растра массив фокальных пятен. В фокальной плоскости матрицы микролинз расположена CCD-камера, регистрирующая получаемое изображение – гартманограмму. Первоначально производится определение «нулевого отсчета» датчика. При подаче на вход пучка с плоским волновым фронтом (его получают при помощи высококачественного калибровочного зеркала) на выходе формируется картина, состоящая из пятен, регулярно расположенных на оптических осях линз. Эта картина принимается за эталонную. При подаче на вход датчика пучка с искаженным волновым фронтом каждое пятно сдвигается относительно оси линзы. Смещение каждого фокального пятна пропорционально локальному наклону волнового фронта в пределах данной субапертуры. Таким образом, измерением смещения пятен, определяются локальные наклоны искаженного волнового фронта.

Применяются датчики Шака-Гартмана в адаптивной оптике, когда необходимо исследовать изменения, вносимые в волновой фронт средой, например, для решения проблем связанных с улучшением снимков Земли, полученных со спутников, которые искажаются флуктуациями атмосферы. В дальнейшем в оптические системы вносятся изменения противоположные по знаку тем, что были зафиксированы датчиками Шака-Гартмана для минимизации искажений и получения излучения такого, какое было до прохождения искажающих объектов. Одной из возможных областей применения является офтальмология, где с помощью датчиков волнового фронта можно компенсировать аберрации, вносимые в световой пучок хрусталиком глаза и стекловидным телом, и тем самым более четко рассмотреть глазное дно.

Матрица микролинз для датчика волнового фронта Шака-Гартмана формировалась в подложках оптического стекла К8 размером 50×50×2 мм. Методом термического вакуумного напыления на одну из сторон наносился маскирующий слой алюминия толщиной 0,6 мкм. В маскирующем слое с помощью фотолитографии создавалась матрица отверстий диаметром 30 мкм, содержавшая 53400 (200×267) отверстий, расположенных на расстоянии 150 мкм друг от друга. На противоположную сторону стеклянной пластинки наносился тонкопленочный электрод-катод толщиной 1 мкм. Поскольку микролинзы для датчика Шака-Гартмана должны иметь большое фокусное расстояние, электростимулированная миграция ионов должна проводиться из расплава солей с низкой концентрацией ионов Ag⁺. Поэтому в качестве рабочего расплава использовалась смесь солей AgNO₃+NaNO₃ (1:200 моль).

Электростимулированная миграция ионов Ag⁺ из расплава соли в стекло осуществлялась при температуре 380°С и внешнем стимулирующем напряжении 50 В, прикладываемом между тонкопленочным катодом и анодом, погруженным в расплав соли, в течение 30 мин. Электрический ток, в процессе электростимулированной миграции ионов достигал 60 мА и был постоянен во время всего процесса. По окончании заданного времени миграции и полного остывания до комнатной температуры стеклянная подложка промывалась от остатков расплава и погружалась в 25% раствор КОН для удаления алюминиевого маскирующего слоя и катода. После окончательной промывки в воде и сушки, поверхность полученной матрицы микролинз со стороны катода сошлифовывалась и полировалась. На рис. 85 представлена фотография фрагмента полученной матрицы микролинз.

Измерение параметров микролинз в матрице (диаметра микролинз, фокусного расстояния и диаметра фокального пятна) проводилось визуально при помощи микроскопа ERGAWAL и микрометра окулярного винтового MOB-1-15^х в свете гелий-неонового лазера (λ = 0,63 мкм).

Проведенные измерения оптических свойств микролинз показали, что диаметр микролинз составил 125 мкм, фокусное расстояние – 1,5 мм, диаметр фокального пятна – 19 мкм. Эта матрица микролинз может применяться в датчике волнового фронта с CCD–камерой (8-бит), имеющей размер одного пиксела – 8 мкм. При этом датчик позволит измерять искажения волнового фронта с динамическим диапазоном угла 8° (44 мрад) и чувствительностью на уровне 20 мкрад.

Рис. 85. Фотография фрагмента полученной матрицы микролинз

Для увеличения фокусного расстояния и улучшения фокусирующих свойств линз матрица микролинз подвергалась дополнительному отжигу при температуре 450°С в течении 2 ч. В результате дополнительного отжига происходила диффузия ионов Ag⁺ в стеклянной подложке и нарушалась резкая граница между линзой и стеклом.

На рис. 86 показана фотография матрицы микролинз после дополнительного отжига в течении 2 ч.

Рис. 86. Матрица микролинз после двухчасового отжига

После двухчасового отжига микролинзы имели фокусное расстояние 2,5 мм и диаметр фокального пятна – 28 мкм.

После четырехчасового отжига микролинзы уже имели фокусное расстояние 4-5 мм и диаметр фокального пятна – 49 мкм (рис. 87).

Рис. 87. Фотографии микролинз и их фокальных пятен после четырехчасового отжига

После проведенного отжига матрица микролинз в датчике волнового фронта с CCD–камерой (8-бит), может измерять искажения волнового фронта с динамическим диапазоном угла 2° (11 мрад) и с чувствительностью – 3 мкрад [97].

С помощью интерференционного микроскопа (рис. 32) были проведены исследования пространственного рас­пределения показателя преломления в микролинзах в матрице до термического отжига и после него.

На рис. 88 показаны интерференционные картины исследуемой матрицы микролинз до термического отжига и после отжига в течении 2 и 4 часов, получаемые с помощью интерференционного микроскопа.

Рис. 88. Интерференционные картины исследуемой матрицы микролинз:

а – до термического отжига;

б – после отжига в течении 2 часов;

в – после отжига в течении 4 часов

Резкий изгиб интерференционных полос на краях микролинз (рис.88 а) свидетельствует о наличии четко выраженной границы между областью, где произошел ионный обмен Na⁺  Ag⁺ и где его не было. Микролинзы имеют ступенчатый профиль изменения показателя преломления. Полученная интерференционная картина позволяет судить о сферичности изготовленных микролинз и соответствует изменению оптической толщины в различных точках области миграции. Оптическая толщина микролинз имеет максимальное значение в центре и плавно уменьшается к краям линз. Если считать, что показатель преломления в области миграции имеет одинаковое значение, что наблюдается в действительности, то изменение оптической толщины зависит в основном от формы самой микролинзы.

У микролинз подвергнутых дополнительному термическому отжигу резкая граница становится градиентной за счет диффузии ионов Ag⁺ в стеклянной подложке. Размеры микролинз увеличиваются, растет плотность упаковки микролинз в матрице (рис. 88 б, в). Дополнительная диффузия ионов Ag⁺ в отсутствии их источника приводит к снижению концентрации ионов, а следовательно к уменьшению показателя преломления. Такие микролинзы имеют большое фокусное расстояние и фокальное пятно, и могут использоваться в датчиках волнового фронта Шака-Гартмана [101].