Формирования микрооптических поверхностей на основе фотоотверждения мономерных композиций в ближнем поле световой волны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Фокина, Мария Ивановна

• Фокина, Мария Ивановна
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фокина, Мария Ивановна

Глава 1

Полимерные микроэлементы в технике

Фотополимеризация

Особенности фотополимеризации

Постановка задачи исследования

Глава II

Экспериментальные установки

Использованные материалы

Глава III

Направленная полимеризация с использованием фотошаблона

Контрастная литография

Полутоновая литография

Фотополимеризация на торце волокна

Формироеаие микроэлемента в свободном объеме

Формирование микроэлемента в ограниченном объеме

Глава IV

Обнаруженные закономерности и эффекты, обсуждение результатов и модель

процесса

Самофокусировка света в среде с положительным знаком изменения

показателя преломления при фотополимеризации

Эффект близости

Влияние ингибирующего действия кислорода на резкий край области

фотополимеризации

Возможность преодоления дифракционного предела в фотолитографии

Влияние усадки

Теоретические основы и методы эмпирического расчета формирования

оптической микроструктуры

Глава V

Анализ и возможные применения полученных микроструктур

Заключение

Список литературы:

Приложение Лазерная прочность полимеров

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирования микрооптических поверхностей на основе фотоотверждения мономерных композиций в ближнем поле световой волны»

Введение

Современное развитие интегральной оптики, особенно аппаратуры телекоммуникации для гражданского применения, неразрывно связано с прогрессом в технике и технологии интегрально-оптических элементов и их

гр О V/

удешевлением. Так, развитие сотовой и, особенно, оптоволоконной связи, низкие цены на передачу больших массивов информации, сравнимые с ценами обычной проводной телефонной связи, были бы невозможны без создания новых оптических технологий и материалов. Оптоволоконные системы передачи, волоконные эрбиевые усилители сигнала и гибридные оптико-электронные схемы выборки адреса и коммутации - элементы, низкая цена которых определяется применением новых материалов и технологий, и в первую очередь, полимеров и элементов на их основе.

Основное требование современной техники этой области - наилучшее соотношение цена - качество. Такие эффективные и в то же время дешевые интегрально-оптические элементы реализуются на базе планарных полимерных волноводов, поскольку аналогичные элементы на базе ниобата лития имеют себестоимость на два порядка выше. Современные полимеры обеспечивают сочетание трех основных параметров: низкая цена материала, высокая производительность (технологии штамповки) и высокие технические параметры. Отсутствие высокотемпературных процессов получения изделий, характерных для кристаллических интегрально-оптических элементов, также приводит к упрощению и удешевлению технологии. Другое важное следствие низкотемпературных технологических процессов - возможность прямой интеграции полимерной интегральной оптики с электронными кремниевыми микросхемами путем формирования планарной полимерной интегрально-оптической структуры непосредственно на поверхности защитной пленки 8Юг 'кристалла электронной микросхемы. Пример такой интегрированной структуры - сверхбыстродействующего электрооптического модулятора -переключателя приведен на рисунке 1 [1].

Рис. 1. Иллюстрация интеграции электронной кремниевой микросхемы с полимерной интегрально-оптической структурой. В нижнем слое - кремниевая микросхема, на верхнюю поверхность которой нанесена планарная полимерная волноводная структура

В таблице 1 приведены основные полимерные материалы интегральной оптики и важнейшие их характеристики. [2] Таблица 1. Полимерные материалы и волноводные характеристики

Метод формирования Материал Волноводные потери и другие свойства

Штамповка Золь-гель полимеры 633 нм 0,5-2 дБ/см

ЕОБМА 1300 нм 0,3 дБ/см

Центрифугирование рвгт 834 нм 4,81 дБ/см

(планарное)

УФ - литография ПММА с красителем 632,8 нм 0,08 дБ/см

УФ - литография/ РР8(} 632,8 нм 0,16 дБ/см

Реактивное ионное Ап = 0,003

травление 0,19% двулучепреломление на 632,8 нм

РБСВ 1330 нм 0,25 дБ/см 1550 нм 0,2 дБ/см Тё ~ 400 °С

ВСВ 1330 нм 0,5 дБ/см 1550 нм< 1.5 дБ/см Т§> 350 °С

а-пммА 830 нм 0,02 дБ/см

Полисилоксан 1330 нм 0,17 дБ/см 1550 нм 0,43 дБ/см

Таблица 1. Продолжение

УФ - литография/ Плазменное травление Хлоро-фторированный полиимид 1550 нм < 0,4 дБ/см Ап = 0,01-0.02 на 1550 нм

Реактивное ионное травление/ Фотообесцвечивание ПММА-дисперсный красный 1330 нм 0,4 дБ/см Т§~250°С/131°С

УФ - литография/ Прямая лазерная запись акрилаты 1550 нм 0,24 дБ/см Дп < 2x10"5 на 1550 нм

Электронно-лучевая прямая запись Е№1 1550 нм 0,48 дБ/см (ТМ мода) 1330 нм 0,22 дБ/см (ТМ мода)

Все вышеуказанные технологические методы легко позволяют формировать одно- или многослойные структуры, расположенные в одной плоскости, на основе которых и выполняются схемы. В то же время трехмерные структуры важны для передачи сигнала (сопряжения) между оптоволокном и интегрально-оптическими элементами. Данная проблема является одной из наиболее существенных для дешевой полимерной интегральной оптики, однако полностью она не решена и до настоящего времени. Эта проблема создания трехмерных структур также актуальна для сопряжения оптоволокна с полупроводниковыми лазерами, имеющими планарную структуру светоизлучающей поверхности.

На сегодняшний день для передачи сигналов на большие расстояния используется одномодовое цилиндрическое оптоволокно, имеющее диаметр световедущей жилы 7 мкм, в то же время размеры микрополоскового световода - основного элемента полимерной интегральной оптики - составляют 2,5x5 мкм. Столь значительное несоответствие апертур не позволяет их соединять «в стык» без значительных потерь излучения. Та же проблема существует и при сопряжении полупроводниковых лазеров с оптоволокном - размер светоизлучающей площадки лазера составляет 0,6x10 - 20 мкм - что

существенно отличается от диаметра оптоволокна. Различны также и апертуры выходящего света.

Естественно, наиболее очевидный путь решения проблемы -использование согласующих микролинз традиционного типа. Однако, размеры сопрягаемых элементов в единицы микрометров, также как требование обеспечения массового производства элементов, полностью исключают применение микролинз в виде отдельных элементов с их последующей ручной юстировкой, поскольку такая операция не совместима с массовым производством и требованием низкой цены элементов.

В настоящее время проводятся многочисленные исследования в области разработки технологических процессов, обеспечивающих формирование согласующих микроэлементов на торце оптоволокна. Используются различные методы - как естественное формирование сферических поверхностей под действием сил поверхностного натяжения при плавлении либо торца оптоволокна, либо нанесенного на торец фоторезиста, так и прямые методы формирования микролинз на торце оптоволокна с использованием мощного электронного пучка для создания на торце оптоволокна структуры Френелевской линзы [3].

Наиболее многообещающими и эффективными на настоящий момент представляются полимерные технологии, поскольку обеспечивают получение как отдельных микролинз, так и массивов, а также формирование фиксаторов оптоволокна в одном технологическом процессе.

В качестве примера использования подобной технологии на рисунке 2 приведена типичная матрица микролинз для сопряжения волноводов [4]. Здесь матрица микролинз дополнена двумя решетками для фиксации оптоволокна, имеющими калиброванные отверстия, соответствующие диаметру волокна (125 мкм). Как решетки, так и матрица микролинз выполняются из полимера по одной технологии, обеспечивающей получение прецизионных микронных объемных структур. А поскольку как полимерный материал, так и

технологический процесс недороги, это открывает широкие возможности для изготовления элементов с низкой ценой.

Процессы создания элементной базы подобного типа в настоящее время интенсивно исследуются и выходят на уровень, обеспечивающий их применение в промышленности.

Методы, основанные на самоформировании и самосопряжении формируемых микролинз с оптоволокном, базируются на специфических физических эффектах, при которых излучение, выходящее из торца оптоволокна, формирует микроэлемент на его торце в результате фотополимеризации мономерной композиции в поле световой волны. При соответствующем прохождении процесса возможно получение необходимых микроэлементов, форма и расположение которых формируется выходящим из торца оптоволокна излучением и, следовательно, оказываются самосогласованными как с оптической осью оптоволокна, так и с апертурой выходящего из оптоволокна излучения.

Реализация данных методов основана на фотополимеризации мономерной композиции излучением, выходящим из торца оптоволокна. Метод самосогласования впервые был предложен в 1974 году в работе [5]. Позднее, исследования в этом направлении были продолжены [6]. Однако, сложность интерпретации наблюдаемых процессов, являющихся суперпозицией как оптических, так и химических эффектов, протекающих при

Рис. 2 Решетка микролинз для сопряжения волноводов

фотополимеризации композиции на торце оптоволокна, не позволила однозначно описать наблюдаемые процессы и выделить основные эффекты, ответственные за формирование микроэлемента. Также не была исследована кинетика процессов, что и не позволило использовать эти интересные методы на практике.

Целью данной работы является исследование эффектов самоорганизации фотополимеризующихся композиций, включая нанокомпозиты, в поле световой волны на торце оптоволокна с целью разработки научных основ технологии формирования элементов сопряжения оптоволокна.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие

задачи:

1. Поиск и исследование основных физических эффектов, ответственных за самоорганизацию фотополимеризующегося материала с положительным знаком изменения показателя преломления при фотопревращениях в поле световой волны.

2. Проведение исследований кинетики процесса формирования самоорганизованного оптического элемента и выявление его связи с условиями эксперимента, такими как тип фотополимеризующейся композиции, наличие ингибирующих агентов, диффузионные процессы, распределение светового поля на торце оптоволокна.

3. Создание физических основ и разработка методов формирования оптимальных элементов сопряжения оптоволокна с заданной формой оптических поверхностей, а также исследование их характеристик в реальных условиях.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались в рамках 23 докладов на 8 международных конференциях:

• Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика» Санкт - Петербург, Россия, 2005, 2009;

• International Conference on "Electronic Processes in Organic Materials (1СЕРОМ)" - Гурзуф, Украина 2006; Львов, Украина 2008; Ивано-Фронковск, 2010;

• International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT ) -Минск, Белоруссия 2007;

• International Conference «Functional Materials» (ICFM) - Партенит, Украина 2007, Партенит, Украина 2009;

• The millennium new materials seminar - Mikkeli, Finland, 2007;

• International Symposium on Molecular Marerials (MOLMAT) - Тулуза, Франция, 2008;

• International Conference on Photonics, Devices and Systems, PHOTONICS PRAGUE - Прага, Чешская Республика, 2008;

• Workshop on nanotechnology and nanoanalytics, Санкт-Петербург, 2009; трех Всероссийских межвузовских конференциях молодых ученых — Санкт-Петербург, 2005, 2007, 2008; двух Научно и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО - Санкт-Петербург, 2007, 2008.

Диссертант отмечен двумя дипломами первой степени за лучшие доклады:

• «Решётки микролинз на основе УФ-отверждаемых оптических композитов» на 2-й межвузовская конференция молодых ученых СПб, ИТМО, 2005;

• Optical surface making by UV-curing of monomeric compositions in near field of coherent light source на 6th International Conference on "Electronic Processes in Organic Materials (1СЕРОМ-6)" Гурзуф, 2006,

Автор был приглашен профессором Isabelle Ledoux-Rak в 2007 году в Университет ENS de Cachan, где в ходе визита было проведено обсуждение экспериментальных результатов. Результаты данного исследования стали определяющими для создания микролазеров совместно с ENS de Cachan.

Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенном заседании кафедры «Оптики квантоворазмерных систем» СПбГУ ИТМО.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ из них 7 в Российских журналах ВАК, а также 8 в зарубежных рецензируемых журналах, включая 3 учебных пособия и 1 монографию. Список работ приведен в конце автореферата.

Результаты диссертационной работы нашли применение в 14 грантах, контрактах и госконтрактах, по ГосОборонЗаказу, выполняемых коллективом кафедры ОКРС СПб ГУ ИТМО, в котором автор диссертации выполняла весь необходимый объем работ по исследованиям самоорганизации полимерных структур. Так, можно отметить наиболее значительные гранты и контракты, в которых вклад автора был определяющим:

Грант Рособразование, РНП.2.1.1.1403, «Исследование процессов формирования микрооптических поверхностей в поле световой волны при фотоотверждении мономерных композиций», 2006 - 2008 гг (Диссертант ответственный исполнитель); Рособразование темплан, Проект 19072, «Исследование закономерностей формирования размерных параметров микроструктур в светоотверждаемых материалах», 2009 - 2010г.; Грант Рособразование, РПН 2.1.1.3937 «Исследования путей преодоления дифракционного предела в нано- фотолитографии на базе процессов самоорганизации и нелинейного просветления нанокомпозиционных фотополимерных систем» 2009-2011г.

Контракты: «Исследование и разработка защитных элементов на основе полимерных материалов», НИИ ГоЗнак, 2005; «Разработка 01Р-технологии для получения цветопеременных структур», ГоЗнак 2007; «Поиск технических путей создания элементов активных фазированных антенных решеток с оптическим распределением сигналов по раскрыву», шифр «Таганрог-ИТМО» НПО «Стрела» 2007 - 2008; Госконтракт, шифр «Досмотр - Д», заказчик в/ч 68240 2008 - 2009.

Автор является обладателем гранта РФФИ 07-02-08160-3 «Участие в International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT 2007)», 2007 r.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры Оптики Квантоворазмерных Систем СПбГУ ИТМО при подготовке магистров по направлениям 200600.68 «Фотоника и оптоинформатика», 200600.68.04 «Интегрально-оптические элементы фотоники». Диссертант является соавтором трех учебно-методических пособий.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Материалы изложены на 128 страницах, включая 90 рисунков и 3 таблицы. Список литературы составляет 72 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Фокина, Мария Ивановна

Заключение

В работе проведен подробный анализ процессов самоорганизации полимера и самофокусировки света в среде, приводящих к формированию микрооптических элементов сформированных в ближнем поле световой волны на торце оптоволокна.

Проведенная работа содержит значительную экспериментальную часть, в которой рассмотрены основные исследованные эффекты и их связь с составом материала и условиями проведения эксперимента. Показано, что общий случай самофокусировки света в среде с положительным знаком изменения показателя преломления при фотополимеризации, заключающийся в формировании длинного, практически бесконечного самоорганизованного волновода, диаметр которого осциллирует в результате процессов фокусировки/дефокусировки и может быть видоизменен внешними условиями, накладывающими ограничение на длину роста. Например, введение абсорбирующих красителей приводит к прогрессирующему уменьшению интенсивности света по длине элемента, и в конечном счете - к формированию сфероконического элемента в пределах первой пучности самоорганизованного волновода.

Проведен анализ полученных экспериментальных результатов и выполнено сравнение с теорией. Выработана эмпирическая модель, объясняющая полученные результаты.

На основе данной выработанной модели проведено формирование оптимального согласующего элемента на торце оптоволокна и выполнено измерение его оптических характеристик. Показано, что элемент эффективно фокусирует свет, выходящий из волокна в фокальную точку, причем потери на рассеяние не превышают 5 %. Экспериментальное подтверждение результатов исследований показало их высокую значимость и ценность для практики, подтверждением чему является их использование при выполнении хоздоговорных работ.

Основными результатами диссертационной работы можно считать:

1. Экспериментальное подтверждение факта диффузии фотораддкалов из области экспонирования в окружающий объем, являющийся основным процессом, определяющим эффект близости и самоорганизацию при соединении двух оптических волноводов.

2. Объяснение образования самоорганизованных оптических волноводов, как суперпозиции двух эффектов: самофокусировки света в среде с положительным знаком изменения показателя преломления при фотополимеризации и ингибирующего влияния кислорода. Возможность формирования бесконечного цилиндра, конусов, сфероконических элементов, обусловленная суперпозицией двух вышеуказанных эффектов.

3. Способ получения самоорганизованных согласующих микрооптических элементов, основанный на торможении процесса роста волновода при введении фотоабсорбера в фотополимеризующуюся композицию, в результате чего происходит формирование сфероконического элемента в пределах первой пучности самоорганизованного оптического волновода.

4. Путь преодоления критерия Релея в фотолитографии, основанный на фотохимических превращениях в нанокомпозиционном материале, обладающем эффектами самоорганизации и обеспечивающем нелинейное преобразование излучения в точке фокуса. * *

Я искренне благодарна моему руководителю доктору физ.-мат. наук, профессору Денисюку И.Ю. за постоянную поддержку, ценные советы, полезные дискуссии, за создание атмосферы творческого контакта в семилетней совместной работе, начиная с 2004 года.

Пользуюсь возможностью поблагодарить кандидата физ.-мат. наук, доцента Ю.Э Бурункову, совместная работа с которым всегда была приятной и взаимно полезной, особенно же за предоставление фотополимеризующихся материалов, использованных в работе. За полезные обсуждения, за дружескую поддержку и помощь - кандидата технических наук Н.Д. Ворзобову.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фокина, Мария Ивановна, 2012 год

Список литературы:

1. Dalton L., Harper A., Ren A., Wang F., Todorova G., Chen J., Zhang C., Lee M. Polymeric Electro-optic Modulators: From Chromophore Design to Integration with Semiconductor Very Large Scale Integration Electronics and Silica Fiber // Optics Ind. Eng. Chem. Res. - 1999. - V. 38. - P. 8-33;

2. Pun E. Y. В., Wong W. H. Polymeric waveguides and devices for integrated

ГУ

optics applications; ,

3. Schiappelli 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 Engineering - 2004. - V. 73-74. -P. 397-404;

4. Ren Yang, Steven A. Soper, Wanjun Wang Microfabrication of pre-aligned fiber bundle couplers using ultraviolet lithography of SU-8 // Sensors and Actuators A -2006. - V. 127.-P. 123-130;

5. L.G. Cohen, M.V. Schneider, // Appl. Opt. - 1974. - V. 13, - P. 89- 93;

6. Hocinea M., Bachelot R., Ecoffet C., Fressengeas N., Royer P., Kugel G. End-of-fiber polymer tip: manufacturing and modeling // Synthetic Metals - 2002. -V. 127.-P. 313-318;

7. Romanato F., Businaro L., Tormen M., Perennes F., Matteucci M., Marmiroli В., Balsev S., Di Fabrizio E. Fabrication of 3D micro and nanostructures for MEMS and MOEMS: an approach based on combined lithographies // Journal of Physics: Conference series International MEMS conference- 2006. -V.34 -P. 904-911;

8. Hierold C. From micro- to nanosystems: mechanical sensors go nano // Journal ofmicromechanics and microengineering. - 2004. - V.14. - P. 1-11;

9. Дрожжин A., MEMS: микроэлектромеханические системы, часть 1-3, 18.10.2010, http://www.3dnews.ru/editorial/MEMS-microelectromechanical-systems-Part-1;

10. Разумовский А. С., Братищев А. В., Микроэлектромеханические системы, Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов, http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article 1195;

11. Why Polymers? - Why NOT? По материалам сайта Simon Fraser University http ://www. sfii. ca/immr/pmp/whypoly .htm;

12. по материалам сайта Чудеса техники, сто великих чудес техники http://www.tiptoptech.net/biochip.html;

13. Dario P., Chiara Carrozza М., Benvenuto A., Menciassi A. Micro-systems in biomedical applications // J. Micromech. Microeng. - 2000. - V. 10. - P. 235244;

14. Robert A. Lee, Patrick W. Leech Optically variable watermark (OYW) microstructures for transparent substrates // Microelectronic Engineering - 2006. -Y. 83. - V. 2004-2008;

15. Leech P. W., Lee R. A.,. Davis T. J. Printing via hot embossing of optically variable images in thermoplastic acrylic lacquer // Microelectronic Engineering - 2006. - V. 83. - P. 1961-1965;

16. Richard R.A. Syms, David F. Moore. Optical MEMS for telecoms // Materials today - 2002. - August. - P. 26 - 35;

17. по материалам сайта iXBT http ://www.ixbt. com/news/hard/index. shtml? 12/43/99;

18. Alongkarn Chutinan, Sajeev John, Ovidiu Toader. Diffractionless Flow of Light in All-Optical // Microchips Physical Review Letters, - 2007. - V. 90. - N. 12, -P. 123901-1 -123901-4;

19. матрица - «сердце» цифрового фотоаппарата 08.07.2005 http:/koct.net/cost/detail.php?ID=1306;

20. Милчев М. Тенденции в цифровой фотографии. Часть 4 (пиксели) по материалам сайта IS0100 фото клуб http://isol00.ru/show_item/1043.html;

21. Ming - Hsien Wu, George M Whitsides Fabrication of two-dimensional arrays of microlenses and their applications in photolithography // J. Micromechanics and Microengineering, - 2002. - V. 12. - P. 747 - 758;

22. A. Olszak, М. Descour. Microscopy in multiples // SPAE's oemagazine, - 2005. -May.-P. 16-18;

23. Savolainen M., Peiponen К. E., Savander P., Silvennoinen R., Vehvilainen H. Novel optical techniques for window glass inspection // Meas. Sci. Technol., -1995.-V.6.-P. 1016-1021;

24. Tolstoba N. D. Gram - Schmidt technique for aberration analysis in telescope mirror testing // Proc. SPIE. - 1999 - V. 3785. - P. 140-151;

25. Белоусов В.П., Белоусова И.М.и др. Нелинейно-оптические свойства фуллеренсодержащих сред // Оптический журнал. - 1997. - V. 64. - Р. 8284;

26. Белоусов В.П., Белоусова И.М. и др. Нелинейно-оптические ограничители лазерного излучения на суспензиях углеродных и фулероидных наночастиц // Оптический журнал. - 2004. - V. 71. - Р. 6-12;

27. Hernandez F. Е. and Yang S. High-dynamic-range cascaded-focus optical limiter // Optics letters. - 2000. - V. 25. - N. 16. -P. 1180-1182;

28. Richard R.A. Syms, David F. Moore Optical MEMS for telecoms // Materials Today - 2002. - July/August. - P. 26 - 35;

29. Krenn J., Ditlbacher H., Schider G., Hohenau A., Leitner A. Aussenegg F. R. Surface plasmon micro- and nano-optics // Journal of Microscopy, - 2003. - V. 209.-P. 167-172;

30. каталог компании SUSS MicroOptics, http://www.suss-microoptics.com/shop/index.html;

31. http://www.rpcphotonics.com/defense. asp;

32. по материалам сайта Videoprof, http://videoprof.com.ua/tecpro-fillini.html;

33. Asselin D., Topart P., Grenier P. Threading the needle //SPAE's oemagazine -2005. - May. - P. 22-24;

34. Кугушев А.И., Островский А.И. Способы и устройства ввода излучения инжекционных лазеров в одномодовые волоконные световоды // Зарубежная радиоэлектроника. - 1990. - N. 11. - Р. 52;

35. Uekawa M., Sasaki H., Shimura D. et al. SurfaceMountable Silicon Microlens for LowCost Laser Modules // IEEE Photonics Technology Letters. - 2003. -July. - P. 945 - 947;

36. Frish M. В., Fijol J., Fike E. E., Jacobson S. A., Keating P. В., Kessler W. J., LeBlanc J. Coupling of single mode fibers to planar Si waveguides using vertically tapered mode converters// Confluent Photonics. - 2002. - V. 9. - P. 29 -13;

37. Вейко В.П., Березин Ю Д., Чуйко В. А., Кромин А. К. Лазерные технологии формирования волоконно-оптических инструментов// Известия РАН. Серия физическая. - 1997. - Т.61, №8. - С. 1627 - 1631;

38. Yang Y., Lee J., Reichard К., Ruffin P., Liang F. Fabrication and implementation of a multi-to-single mode converter based on a tapered multimode fiber// Optic Communications. - 2005. - №249. - P. 129 - 137;

39. Schiapelli A., Kumar R., Prasciolu M., Cojoc D., Cabrini S.// Efficient fiber-to-waveguide coupling by a lens on the end of the optical fiber fabricated by focused ion beam milling. - Microelectronic Engineering. - 2004. - №73-74. - P. 397 - 404;

40. Вейко В.П., Петров А. А. Применение волоконных микролинз для повышения оптических межсоединений// Лазерные технологии. - 2000. -№3. - С. 68-84;

41. Barchelot R., Ecoffet С., Deloiel D., Royer P. Integration of micrometer-sized polymer elements at the end of optical fibers by free-radical photopolymerization// Applied Optics. - 2001. - V.40, №32. - P. 5860 - 5871;

42. Плеханов А. И., Шелковников В. В. Оптические волокна с концевыми фотополимерными микролинзами// Российские нанотехнологии. - 2006. -Т.1, № 1-2. - С. 240-244;

43. Manabu Kagami, Tatsuya Yamashita, Hiroshi Ito Light-induced self-written three-dimensional optical waveguide // Applied physics letters. - 2001. -V. 79, -N. 8.-P. 1079- 1081;

44. Yamashita К., Kuro Т., Oe К. Fabrication of self-written waveguide in photosensitive polyimide resin by controlling photochemical reaction of photosensitizer //Applied physics letters. - 2004. - V. 85, - N. 18. - P. 3962 -3964;

45. Naohiro Hirose, Osamu Ibaragi. Optical Component Coupling using Self-Written Waveguidesn // Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies VIII, Proc. of SPIE. - 2004. - V. 5355. - P. 206 - 214;

46. Louay Eldada. Optical communication components // Rewiew of scientific instruments, - 2004. - V. 75. -N. 3. - P. 575-593;

47. Грищенко B.K., Маслюк А.Ф., Гудзера C.C. Жидкие фотополимеризующиеся композиции, К.: Наук. Думка, 1985, (Экспериментальная научная энциклопедия http://wiki.laser.ru, статья Фотополимеризация, М.А.Марков, ИПЛИТ РАН);

48. Radiation Curing Primer I: Inks, Coatings and Adhesives, Second Edition, C.J.Kallendorf, ed., RadTech International North America, 1991 (Экспериментальная научная энциклопедия http://wiki.laser.ru, статья Фотополимеризация, М.А.Марков, ИПЛИТ РАН);

49. по материалам сайта www.xumuk.ru;

50. Andrzejewska Е. Photopolymerization kinetics of multifunctional monomers Review // Prog. Polym. Sci. - 2001. - V. 26. - P. 605-665;

51. по материалам статьи: Оценка эффективности пломбирования полостей I класса композитом с вкладкой, Адамчик А.А., Адамчик Ал.А., Арутюнов А.В. Кафедра терапевтической стоматологии с сайта Стоматологической клиники доктора Разуменко http://www.razumenko.ru/articles/article/35/;

52. Температурный режим полимеризации смеси полимер-мономер, http://livedental.ru/ temperaturnyj-rezhim-polimerizacii-smesi-monomer-po-limer.html;

53. Croutxe-Burghorn С., Soppera О., Lougnot D.J. Fabrication of microlenses by direct photo-induced crosslinking polymerization // Appl. Surface Science, -2000.-V. 168.-P. 80-91;

54. Узденский В. Б. Модификация полимерных материалов - придание изделиям новых потребительских свойств и улучшение условий переработки, от 15 Марта 2010 http://www.bars2.com/articles/show/?articleId= 11;

55. Denisyuk I. Yu., Fokina M. I., Vorzobova N. D., Burunkova Yu. E., Bulgakova V. G. Microelements with High Aspect Ratio Prepared by Self-Focusing of Light at UV-Curing // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2008. - V. 497. - P. 228[560]-235[567];

56. Hill, K.O.; Fujii, Y.; Johnson, D. C.; Kawasaki, B. S. Photosensitivity in optical fiber waveguides: application to reflection fiber fabrication // Appl. Phys. Lett. -1978.-V. 32.-P. 647- 656;

57. Brocklesby, W.S., Field, S.J., Hanna, D.C., Large, A.C., Lincoln, J.R., Shepherd, D.P., Tropper, A.C., Chandler, P.J., Townsend, P.D., Zhang, L., Feng, X.Q., Hu, Q. Optically written waveguides in ion implanted Bi4Ge3012 // Journal of Optical Materials. - 1992. - V.l, (3). - P. 177-184;

58. Frisken S. J., Light-induced optical waveguide uptapers // Opt. Lett. - 1993. -V. 18.-P. 1035-1037;

59. Tanya M. Monro, Peter D. Miller, L. Poladian, C. Martijn de Sterke. Self-similar evolution of self-written waveguides // Optics Letters. - 1998. - V. 23. -N. 4. -P. 268-270;

60. Tanya M. Monro, D. Moss, M. Bazylenko, C. Martijn de Sterke, L. Poladian, Observation of Self-Trapping of Light in a Self-Written Channel in a Photosensitive Glass // Physical Review Letters - 1998. - V. 80. - N. 18. - P. 4072-4075;

61. Shashi Jasty, Ph.D. Aldrich Polymer Products Application and Reference Information 2005 http://www.sigmaaldrich.com/aldrich/brochшe/ al_pp_applications.pdf;

62. Burunkova J. A., Denisyuk I. Yu., Semina S. A. Self-Organization of ZnO Nanoparticles on UV-Curable // Journal of Nanotechnology - 2011. - V. 11. - P. 1-6;

63. Смирнова Т.В.; Бурункова Ю.Э.; Денисюк И.Ю. Измерение усадок УФ-отверждаемых композиций на основе акрилатов и диакрилатов // Оптический журнал - 2006. - № 5. - Р. 57-61;

64. Фокина М. И.; Денисюк И. Ю.; Бурункова Ю. Э.; Капорский JI. Н. Формирование микроструктур на основе уф-отверждаемых акрилатов // Оптический журнал. - 2008. - V. 75. - N. 10. - Р. 34- 38;

65. Shoji Maruo, Osamu Nakamura, and Satoshi Kawata Three-dimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization // Optics Letters. - 1997. - V. 22. - N. 2. - P. 345-349;

66. Kenji Takada Improved spatial resolution and surface roughness in photopolymerizationbased laser nanowriting // Applied Physics Letters. - 2005. -V. 86, 071122;

67. Hong-Bo Sun Scaling laws of voxels in two-photon photopolymerization nanofabrication // Applied Physics Letters. - 2003. - V. 83. - N. 6. - P. 20- 28;

Приложение Лазерная прочность полимеров

Поскольку многие применения полимерных микроэлементов, особенно микроструктуры на торце оптического волокна, связаны с использованием лазерного излучения, вопрос лазерной стойкости применяемых материалов является очень важным.

Использованные УФ-отверждаемые полимеры в полимеризованном состоянии имеют комплекс свойств необходимых для получения высокой лазерной прочности: высокая плотность сопряженных связей, трехмерная поперечно-сшитая структура, отсутствие внутреннего объема, и поэтому должны иметь высокую лазерную прочность, намного большую, по сравнению с термопластами [68, 69,70].

Для исследования лазерной стойкости используемых полимеров была собрана установка на основе YAG:Nd+ лазера (А.=1,06 мкм, частотно -импульсный режим генерации, v - 12,5 Гц, т = 10 не), схема установки приведена на рисунке 1.

Исследуемые образцы - пленки полимерных УФ-отверждаемых, поперечно сшитых композиций и пленка полиэтилентерефталата. Толщина полимерных пленок, равна 20 мкм. Состав пленок приведен ниже, по структуре и свойствам исследуемые полимеры близки используемым в работе. Пленка 1: 2-carboxyethyl acrylate, Aldrich, США № 552348 - 10 вес.%; 2-Phenoxyethyl acrylate, Aldrich, США № 40,833-6 - 40 вес.%; Bisphenol А glycerolate, Aldrich, США № 41,116-7 - 50 вес.%; диметоксифенилацетофенон Aldrich, США - 0,02 вес.% Пленка 2: 2-Phenoxyethyl acrylate, Aldrich, США № 40,833-6 - 60 вес.%; Bisphenol A glycerolate, Aldrich, США № 41,116-7 - 30 вес.%; 1,6-hexanediol diacrylate,90%, Aldrich, США, № 24,681-6 - 10 вес.%, диметоксифенилацетофенон Aldrich, США - 0,02 вес.% Пленка 3: 2-carboxyethyl acrylate, Aldrich, США № 552348 -30 вес.%; RDX 51027 (торговое название), USB, США - 70 вес.%, диметоксифенилацетофенон Aldrich, США - 0,02 вес.%.

Средняя мощность излучения лазера 890 мВт, контролировалась для каждого конкретного измерения с помощью ИМО - 2Н (позиция 7, рис. 1). Отклонения значений средней мощности в ходе серии экспериментов находилось в пределе 3 %. Диаметр пятна на поверхности образца 1,13*10"4 см2. С учетом оптических потерь, средняя плотность мощности излучения на поверхности образца (без ослабления) составляла 6,7* 103 Вт/см2. Ослабление излучения лазера осуществлялось комбинацией фильтров с различными коэффициентами пропускания для X = 1,06 мкм.

За критерий разрушения исследуемого образца принимаем проявление в пределах зоны облучения образца необратимых изменений, которые могут быть однозначно идентифицированы визуально с помощью микроскопа. Для визуального контроля использовался микроскоп МИКМЕД 5.

задающий генератор; (YAG:Nd+); 2 - усилитель; 3 - ослабляющие фильтры; 4 -светоделительная пластина; 5 - линза (f = 150 мм); 6 - исследуемый образец; 7 - измеритель

средней мощности ИМО - 2Н

Для перехода к количественным оценкам введем понятие порога разрушения. За порог разрушения принимается средняя величина плотности мощности в пятне между плотностью мощности, при которой повреждение отсутствует, и плотность мощности при которой повреждение визуализируется с вероятностью 50 %.

Использование лазера, работающего в частотно импульсном режиме (v = 12,5 Гц), приводит к сильному проявлению эффекта накопления, который

1 2 3 4 5 б

Рис. 1. Схема установки для измерения лазерной прочности полимеров. 1 -

очень ярко проявляется в полимерах [69]. Разрушение образца происходит не сразу, а лишь после определенной серии импульсов. Поэтому было выбрано строго определенное время облучения, в размере 5 с (62 импульса).

Результаты, полученные в ходе проведенных экспериментов, приведены в таблице 1. Необходимо отметить, что энергия порога разрушения (Дж/см) соответствует энергии одного импульса из серии в 60 импульсов, которые воздействовали на образец. Для сравнения в таблице приведены литературные данные по наиболее близким полимерным аналогам.

Таблица 1. Лазерная прочность полимерных материалов

Материал Е, Дж/см2 один импульс (данные эксперимента) Е, Дж/см2 один импульс (литературные данные) Энерговклад за 5 с (62 импульса) Дж/см2

Поперечно-сшитые термореактивные и фото- полимеры

Пленка 1 15,8 979,60

Пленка 2 13,8 855,60

Пленка 3 7,9 489,80

полиуретан 15 [71]

полиуретанакрилат 10 [71]

Термопластики линейного строения

Пленка полиэтилентерефталат 3,9 241,80

полиметилметакрилат 2 [72]

Исследования лазерной прочности материалов показывают, что по этому параметру они превосходят большую часть широко используемых в оптике термопластиков и соответствуют полиимидам, полиуретанакрилатам и другим полимерам, имеющим высокую лазерную прочность.

Промышленная пленка полиэтилентерефталата, измеренная в тех же условиях дня сравнения, показала лазерную прочность приблизительно соответствующую литературным данным. Так, лазерная прочность полиэфиров (поликарбонат, полиэтилентерефталат) примерно равна 3 дж/см2, в то время как

измеренная лазерная прочность пленки полиэтилентерефталата составила 3,9 дж/см2. Таким образом, измеренная лазерная прочность полиэтилентерефталатной пленки находится в соответствии с данными о прочности полиэфиров.

Известно, что наибольшей, из полимеров, лазерной прочностью на уровне 10-20 дж/см обладают полиимиды, которые несмотря на это не нашли широкого применения по причине плохих пленкообразующих свойств и заметной желто-коричневой окраски. Элементы микрооптики, изготовленные на основе УФ-отверждаемых композиций не имеют окраски, а величина порога разрушения составляет 14 - 16 дж/см , поэтому они могут быть успешно использованы в лазерной технике для работы в условиях высокоинтенсивного лазерного излучения.

Для сравнения можно привести литературные данные по лазерной прочности полимеров, измеренных в тех же или близких условиях. Так, в работе [71] приведена лазерная прочность поперечно-сшитой пленки полиуретана 15 дж/см , а для полиуретанакрилатов - в 1,5 раза меньше, т.е. порядка 10 дж/см2. В работе [72] приведена лазерная прочность полиметилметакрилата, равная 2 дж/см при длительности импульса 50 не, а числе импульсов - 104. Здесь длительность импульса в 5 раз больше, чем в нашем эксперименте, что должно дать двухкратное повышение лазерной прочности, а число импульсов больше на три порядка, что дает напротив, некоторое снижение лазерной прочности. В результате, измеренная лазерная прочность полиметилметакрилата по порядку величины близка к величине, измеренной на пленке полиэтилентерефталата в несколько иных условиях эксперимента. Литературные данные приведены в той же таблице 1, вместе с данными нашего эксперимента для сравнения. Сравнение данных показывает непротиворечивость экспериментальных результатов и наличие четкой закономерности повышения лазерной прочности при переходе от термопластичных полимеров линейного строения (полиметилметакрилат,

полиэтилентерефталат) Е= 2 - 3 Дж/см2 к поперечно - сшитым полимерам, образующим трехмерную структуру Е= 10 - 15 Дж/см2.

Поэтому объяснение высокой лазерной прочности исследованных композиций может быть однозначно связано с трехмерной поперечной сшивкой молекул полимерной пленки, имеющей высокую плотность сопряженных связей. Сравнение трех пленок (№ 1, 2 и 3) позволяет предположить корреляцию между лазерной прочностью и величиной оптического поглощения на длине волны 1,06 мкм. Несмотря на надежность полученных результатов и высокие лазерные прочности, достигнутые на исследованных материалах, данный вопрос не является предметом диссертационной работы и требует отдельного исследования.

Литература:

68.Барашков H.H., Сахно Т.В. Оптически прозрачные полимеры и материалы на их основе, М.; Химия - 1992. - 80 е.;

69.Виноградов Б. А. Лазерная деструкция полимеров, Владивосток-Благовещенск - 1995. - 85 е.;

70.Казанцев С.Г. Перспективные материалы проходной оптики мощных ИК лазеров // Ruphysnews online journal - 2005. 1, http://www.uniphys.ru/journal/Nl-05/toparticle/toparticle.htm

71.Безбородный В.П., Деревянко H.A., Ищенко A.A., Карабанова Л.В. Лазер на красителях на основе полиуретановой матрицы // Журнал технической физики - 2001. - Y. 71. - Р. 56-67.

72.Земский В. И., Колесников Ю. Л., Мешковский И. К. Физика и техника импульсных лазеров на красителях, СПб.; ГУИТМО - 2005. - 168 с.