Способ изготовления вогнутых дифракционных решеток со ступенчатым профилем штрихов
Использование: изготовление вогнутых решеток. Сущность изобретения: способ заключается в нанесении слоя пластичного материала испарением в вакууме на стеклянную подложку и нарезание на нем штрихов решетки алмазным резцом путем пластической деформации материала слоя. При этом на стеклянную подложку наносят подслой переменной толщины, твердость которого менее чем в пять раз больше твердости основного слоя, который наносят также переменной толщицны, причем слои ориентируют клином в противоположные стороны, толщина слоев определяется по формуле. 2 ил.
Изобретение относится к технологии изготовления дифракционных решеток, в частности вогнутых решеток. Известен способ изготовления заготовок для нарезания эшелеттов (см. например, а.с. N 736671, кл. С 23 С 13/02, 23.02.78), заключающийся в том, что на поверхность стеклянной подложки с оптически точной поверхностью наносится разделительный подслой, после чего на него наносится слой алюминия толщиной 0,5 от требуемой расчетной толщины слоя, затем наносят слой полиэфирной смолы, устанавливают на нее стеклянную подложку и после полимеризации смолы по разделительному подслою отделяют слой алюминия с второй подложкой от первой подложки, после чего на обращенную сторону первого слоя наносят второй слой алюминия толщиной 0,5 расчетной толщины всего слоя. После чего в двойном слое на всю его толщину нарезают штрихи. Разделительный подслой и слои алюминия наносят путем испарения в вакууме. Недостаток способа заключается в том, что данные слои нельзя использовать для изготовления вогнутых решеток, поскольку в зоне, прилегающей к границе раздела двух алюминиевых слоев, твердость слоя больше, чем от данной границы к внешней и внутренней сторонам общего слоя, а это приводит, при формировании штрихов пластической деформацией к искажению формируемой рабочей грани штрихов и концентрирующих свойств решеток. Известен также способ изготовления вогнутых дифракционных решеток, путем нанесения слоя алюминия на стеклянную подложку и последующего формования в нем ступенчатых штрихов алмазным резцом, который периодически дискретно наклоняют относительно поверхности заготовки в процессе нарезания решетки. Такая решетка состоит из нескольких секций (в зависимости от количеств наклона резца), каждая из которых дает максимум концентрации энергии в одном направлении, что позволяет увеличить концентрирующую способность решеток. Недостаток способа заключается в том, что изготовленные по нему решетки имеют низкую разрешающую способность. Это обусловлено тем, что для сохранения фазы штрихов соседних зон необходимо произвести поворот резца вокруг оси, проходящей строго через вершину лезвия резца, т.е. при повороте резца она не должна смещаться относительно ранее нарезанного штриха, а это практически невыполнимо. Поэтому способ позволяет нарезать решетки, имеющие несколько несогласованных по фазе секций, вследствие чего разрешающая способность решетки равна каждой секции в отдельности. Например, если решетка имеет три равных секции, то ее разрешающая способность будет соответствовать разрешающей способности одной третьей ширины решетки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ нарезания вогнутых дифракционных решеток со ступенчатым профилем штрихов. На фиг. 1 изображена вогнутая дифракционная решетка со ступенчатыми штрихами и алмазным резцом (по прототипу), где 1 стеклянная подложка, 2 слой алюминия, 3 алмазный резец, АВ хорда, стягивающая края решетки, 
- угол между гранью резца и хордой, стягивающей края решетки, 1, n- угол наклона рабочей грани штриха к хорде, стягивающей края решетки, угол "блеска", 1- для первого штриха, n- для n штриха, 
1,n- угол между гранью резца и касательной к вогнутой поверхности в точке прохождения первого штриха и n штриха. На фиг. 1 и 2 для наглядности изображена решетка и резец с углами наклона граней около 55о. В действительности вогнутые решетки имеют в основном угол "блеска" от 0,5 до 9о. Известный способ заключается в том, что на стеклянную подложку 1 путем испарения в вакууме наносят слой алюминия 2, в котором алмазным резцом 3 путем пластической деформации материала формируют штрихи ступенчатого профиля. Применяемые резцы 3 имеют лодкообразную форму, образованную двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, оси которых лежат в одной плоскости (бицилиндрические), или двумя пересекающимися коническими поверхностями с общей осью и противоположно направленными вершинами (биконические) (см. например, "Современные тенденции в технике спектроскопии". Новосибирск, "Наука", стр. 78, 1982). При нарезании штрихов резец 3 совершает перемещения в вертикальных плоскостях параллельных друг другу. Теоретически при этом должна нарезаться решетка с постоянным углом "блеска" по ее ширине, когда как практически из-за условий формирования штрихов на вогнутой поверхности данный угол по ширине решетки различный. Недостаток способа заключается в том, что несмотря на то, что поверхность резца 3, формирующая рабочие плоскости штрихов, составляет с хордой А-В, стягивающей края решетки, постоянный угол (рис. 1) рабочие же грани штрихов имеют различный угол наклона ( 1. n) к данной хорде по ширине решетки, в результате область максимальной концентрации энергии расширяется, а концентрирующая способность решетки снижается. Из рис. 1 видно, что при нарезании вогнутой решетки угол между гранью резца 3, формирующей рабочую грань штриха, и поверхностью заготовки решетки плавно меняется по ее ширине, вследствие чего условия формирования рабочей грани штрихов по ширине решетки различны. Так, в начале нарезки штрихов рабочая грань их составляет с касательной к вогнутой поверхности решетки малый угол 1, вследствие чего поверхность грани резца 3 формирует рабочую грань штриха почти по нормали к указанной касательной и большая часть материала смещается и пластически деформируется в направлении поверхности подложки и в зоне около рабочей грани штриха, особенно вблизи его дна, в слое возникают, кроме пластических, также большие упругие деформации (данная величина различна по ширине грани штриха, т. к. изменяется глубина его и материал слоя деформируются на различную величину) и поскольку около дна штриха релаксации рабочей грани его больше чем на участке, прилегающем к поверхности решетки, то после прохождения резца грань штриха изменяет свое первоначальное положение и угол "блеска" 1 уменьшается, т.е. 1 < . В конце нарезки штрихов угол между гранью резца, формирующей рабочую грань штриха и касательной к вогнутой поверхности увеличивается, т.е. n > 1, и поэтому при формовании рабочей грани штриха материал слоя сдвигается не только в направлении, перпендикулярном грани резца 3, но также и по касательной к ней во взаимно противоположные стороны, т.е. в сторону поверхности подложки,а другое направление в сторону поверхности слоя. Кроме того, необходимо отметить, что при n > 1материал слоя, пластически деформированный в направлении, перпендикулярном грани резца 3, смещается вдоль поверхности подложки, не вызывая ее реакции, неизбежной при малом , в начале нарезки. По указанным причинам упругие деформации в слое в зоне, прилегающей к рабочей грани резца 3, в конце нарезки при n значительно меньше, чем в начале нарезки при 1, а, следовательно, меньше, релаксации рабочей грани штрихов после прохождения резца, т.е. угол наклона n рабочей грани штриха, угол "блеска", почти равен углу наклона грани резца 3. Таким образом, угол "блеска" по ширине решетки увеличивается от начала нарезки к концу, а следовательно, длина волны света в максимуме концентрации от разных зон тоже соответственно увеличивается по ширине нарезки, что имеет место для всех решеток, изготавливаемых по данному способу. Цель изобретения повышение концентрирующей способности нарезаемых решеток. Указанная цель достигается тем, что, известный способ изготовления вогнутых дифракционных решеток путем нанесения на стеклянную подложку слоя из пластического материала испарением в вакууме и последующего формования в нем штрихов пластической деформацией материала алмазным резцом, согласно изобретению, на стеклянную подложку наносят подслой переменной толщины, твердость которого не менее чем в пять раз больше твердости основного слоя, который наносят также переменной толщины, при этом слои ориентируют клином в противоположные стороны, толщину слоев наносят в соответствии с соотношением: L [0,35
(Z N1/2 R-1/2 + 1](h + I), где Z расстояние от начала нарезки до точки, в которой определяется толщина слоя, мм; N число штрихов на один миллиметр; R радиус кривизны решетки, мм; h глубина штриха, определенная для плоского слоя, мм; l припуск на толщину основного слоя, для подслоя припуск равен нулю, штрихи решетки нарезают параллельно ребру клина слоев, а нарезку штрихов начинают со стороны максимальной толщины основного слоя. В известной литературе не обнаружено технических решений со сходными признаками, отличающими заявленное решение от прототипа. Поэтому отличительные признаки предлагаемого способа соответствуют критерию "существенные отличия". Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом (фиг. 2), где изображена стеклянная подложка с нанесенными на нее клиновидными слоями, в которых сформированы штрихи, алмазный резец, где 1 стеклянная подложка; 2 основной слой из пластического материала; 3 алмазный резец; 4 подслой; 5 рабочая грань штриха; А-В хорда стягивающая края решетки; угол между гранью резца и хордой, стягивающей края решетки; 1, n- угол наклона рабочей грани штриха к хорде, стягивающие края решетки, 1- для первого штриха, n- для n штриха, 1,n- угол между гранью резца и касательной к вогнутой поверхности в точке прохождения первого штриха и n штриха. Предлагаемый способ заключается в следующем. На стеклянную заготовку 1 путем испарения в вакууме наносят подслой 4, при этом толщину его изменяют в соответствии с соотношением: L [0,35 (ZN)1/2R -1/2 + 1]h, где Z расстояние от начала нарезки до точки, в которой определяется толщина слоя, мм; N число штрихов на один миллиметр, R радиус кривизны решетки, мм; h глубина штриха, определенная для плоского слоя, мм. После чего, не нарушая вакуума, наносят второй, основной слой 2, причем толщину его изменяют в соответствии с соотношением
L [0,35 (Z N)1/2R -1/2 + 1](h+l), где l припуск на толщину основного слоя, мм. Толщина слоев 4 и 2, в их начале равна соответственно, h и h+I. Приведенные соотношения являются эмпирическими и подтверждены экспериментально. Основной слой 2 ориентируют клином в противоположную сторону клина 4. При указанной взаимной ориентации слоев 4 и 2 общая толщина их по ширине заготовки остается постоянной, вследствие чего форма поверхности основного слоя 2 с требуемой точностью соответствует форме поверхности подложки 1. Материал подслоя 4 должен иметь твердость, не менее чем в пять раз превышающую твердость основного слоя 2. Это вызвано необходимостью ограничения проникновения материала основного слоя 2 при формировании штрихов в подслой 4, т.е. создания условий возникновения реакции со стороны слоя 4, а соответственно, и условий формирования штрихов близких к случаю одинарного слоя и твердой подложки 1. Данная величина градиента твердости слоев 2 и 4 установлена экспериментально и обеспечивает формование штрихов заданного профиля. Припуск l на толщину основного слоя 2 необходим чтобы исключить касание лезвия резца 3 подслоя 4, т.к. он тверже основного слоя 2 и может иметь высокую твердость например, если подслой 4 выполнен из двуокиси кремния, то в этом случае будет происходить интенсивный износ резца 3. Суммарная длина штрихов при нарезании вогнутых решеток достигает 10 км, при этом резец практически не должен изнашиваться иначе профиль штриха будет изменяться, несоответствовать требуемому и качество решетки значительно снизится. Для решетки с частотой деления 600-1200 штр/мм величина припуска l составляет 0,0001 мм, а для решетки 2400 штр/мм припуск l составляет 0,00005 мм (установлено экспериментально). После нанесения слоев заготовку решетки устанавливают на делительную каретку делительной машины (на рис. не показано), ориентируют заготовку относительно перемещения резца 3 так, чтобы ребро клина каждого слоя 2 и 4 было параллельно данному перемещению. В этом случае штрихи решетки будут располагаться так, что толщина слоя в сечении последующего штриха будет отличаться от толщины слоя в сечении предыдущего штриха, т.е. штрихи будут параллельны ребрам клиньев слоев 2 и 4. Известно (см. например, Чугунов Ю.П. Стрельников Ю. П. Чугунова Г.А. Афанасьева А.Г. Исследование зависимости микротвердости алюминиевых покрытий увеличенной толщины от структурных особенностей. Тезисы докладов VIII отраслевой научно-технической конференции молодых ученых. Москва 1989, стр. 94), что с изменением толщины слоев, полученных методом испарения материала в вакууме при постоянной скорости конденсации, изменяется их микротвердость и чем толще слой, тем меньше его микротвердость. Экспериментально было установлено, что при формировании штрихов в слое с малой микротвердостью в материале слоя в зоне, прилегающей к штриху, упругие деформации также малы и изменение положения рабочей грани штриха, т. е. ее релаксация после прохождения резца соответственно тоже мала. Ранее было сказано, что максимальная релаксация рабочей грани 5 штриха имеет место в начале нарезки когда 1мало, поэтому нарезание штрихов на слое 2 с переменной толщиной необходимо начинать со стороны максимальной его толщины. По мере нарезания штрихов толщина слоя 2 уменьшается, микротвердость его возрастает и релаксация рабочей грани 5 штриха увеличивается, но поскольку она одновременно уменьшается вследствие возрастания угла n,то в целом релаксация грани 5 по ширине решетки остается примерно одинаковой величины, что позволяет изготавливать вогнутые решетки с наклоном рабочей грани 5 штрихов к хорде АВ примерно под одним и тем же углом, а это позволяет концентрировать энергию дифрагированного света в более узкой спектральной области по сравнению с решеткой, изготовленной по известному способу, и тем самым повысить коэффициент отражения в максимуме концентрации света без снижения разрешающей способности решеток. П р и м е р. Необходимо изготовить вогнутые дифракционные решетки с параметрами, указанными в таблице, и углом "блеска" = 6о. Минимальная толщина клина подслоя равна глубине штриха h, а основного слоя h+l. Изменение толщины слоев достигается за счет изменения скорости перемещения экранирующей маски, движущейся перпендикулярно направлению перемещения потока испаряемых частиц материала (алюминий, кремний). Поскольку слои должны быть ориентированы клином в противоположные стороны, то после нанесения подслоя на заготовку решетки ее поворачивают вокруг вертикальной оси на 180о. Затем параллельно ребру клина слоев нарезают штрихи решетки, начиная нарезку с максимальной толщины основного слоя. Вогнутые решетки, изготовленные в соответствии с приведенным примером, имели коэффициент отражения света в максимуме концентрации в среднем на 5% больше, чем решетки, изготовленные по известному способу. Необходимо отметить, что известна вогнутая решетка (см. например, а.с. N 3873198, G 02 B 5/18 от 16.11.70) со ступенчатым профилем штриха, рабочие грани которых наклонены к касательной ее образующей под одинаковым углом. Данная решетка должна иметь повышенную светосилу по сравнению с другими решетками, но в настоящее время не существует способа ее изготовления. Предложенный способ позволяет практически увеличить угол "блеска" в начале нарезки решетки, при сохранении неизменным в конце нарезки, по сравнению с известным, при нарезании ее в обеих случаях резцом с одним и тем же углом заточки грани.
Формула изобретения
L = [0,35
(ZN)1/2R-1/2+1](h+l) ,где Z расстояние от начала нарезки до точки, в которой определяется толщина слоя, мм;
N число штрихов на один миллиметр;
R радиус кривизны решетки, мм;
h глубина штриха, определенная для плоского слоя, мм;
l припуск на толщину основного слоя, для подслоя равен нулю,
штрихи решетки нарезают параллельно ребру клина слоев, а нарезку штрихов начинают со стороны максимальной толщины основного слоя.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000
Извещение опубликовано: 20.10.2000
