RU140494U1 - DIFFRACTION GRATING - Google Patents

Abstract

Дифракционная решетка для видимого диапазона, содержащая подложку с внедрённой в её поверхность дифракционной периодической микроструктурой, элементами которой являются области, подвергнутые ионному облучению и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки, отличающаяся тем, что подложка выполнена из оптически прозрачного диэлектрического или полупроводникового материала, а дифракционная периодическая микроструктура содержит ионно-синтезированные металлические наночастицы, диспергированные в приповерхностной области подложки на толщине слоя от 20 до 100 нм при концентрации металла 3·1020-6·1022 атомов/см³.Diffraction grating for the visible range, containing a substrate with a periodic diffraction microstructure embedded in its surface, the elements of which are regions subjected to ion irradiation and characterized by a different dielectric constant relative to the substrate material, characterized in that the substrate is made of optically transparent dielectric or semiconductor material, and the diffraction periodic microstructure contains ion-synthesized metal nanoparticles, dispersants data in the near-surface region of the substrate at a layer thickness of 20 to 100 nm at a metal concentration of 3 · 1020-6 · 1022 atoms / cm³.

Description

Полезная модель относится к оптике, а именно, к устройствам дифракционных решеток, выполненным на поверхности оптически-прозрачных материалов. На практике такие решетки могут быть использованы:The invention relates to optics, namely, to grating devices made on the surface of optically transparent materials. In practice, such gratings can be used:

- в элементах оптической коммуникации для введения в тонкопленочные волноводы лазерного излучения или фильтрации в волноводе оптического сигнала (решетки Брегга) [1];- in the elements of optical communication for introducing into the thin-film waveguides laser radiation or filtering in the waveguide of the optical signal (Bragg grating) [1];

- для исследования и оптического контроля напряжений деформаций тонкого слоя на поверхности твердого тела методом муаровых картин [2];- for the study and optical control of strain strains of a thin layer on the surface of a solid by the method of moire patterns [2];

- как тонкопленочный температурный сенсор при постоянном или импульсном режиме нагреве материалов в агрессивных средах [3] и др.- as a thin-film temperature sensor with constant or pulsed heating of materials in aggressive environments [3], etc.

Известно устройство, выбранное в качестве аналога, выполненное в виде дифракционной решетки изготовленное из плоской прозрачной подложки и нанесенной на нее оптически непрозрачной пленки, имеющей кольцеобразную полупрозрачную зону, состоящую из чередующихся концентрических штрихов (патент Р.Ф. №2226284, опубликовано 27.03.2004).A device is known, selected as an analogue, made in the form of a diffraction grating made of a flat transparent substrate and an optically opaque film deposited on it, having an annular translucent zone consisting of alternating concentric strokes (RF patent No. 2226284, published March 27, 2004) .

Недостатком аналога является то, что в такой дифракционной решетке имеются, непрозрачные области, что существенно снижает ее пропускную способность.The disadvantage of the analogue is that in such a diffraction grating there are opaque regions, which significantly reduces its throughput.

Известна дифракционная решетка [4], выполненная на поверхности подложки из монокристаллического кремния, структура элементов которой сформирована с помощью имплантации ионами фосфора через поверхностную маску.A known diffraction grating [4], made on the surface of a substrate of single-crystal silicon, the structure of the elements of which is formed by implantation with phosphorus ions through a surface mask.

В качестве маски использовалась тонкая металлическая сетка с размерами ячейки 40 мкм. Энергия (40 кэВ) и доза имплантации (3.12·10¹⁵ ион/см²) были выбраны таким образом [4, 5], чтобы аморфизованный слой кремния, полученный в результате облучения, начинался непосредственно от поверхности образца. В результате этого на поверхности формируются аморфные ячейки, ограниченные сеткой монокристаллического кремния. При освещении такой решетки непрерывным лучом гелий-неонового лазера (длина волны 632.8 нм) наблюдается дифракционная картина, интенсивность которой зависит от разности оптических характеристик имплантированных и не имплантированных областей кремния.As a mask, a thin metal mesh with a mesh size of 40 μm was used. The energy (40 keV) and the implantation dose (3.12 · 10 ¹⁵ ion / cm ² ) were chosen in such a way [4, 5] that the amorphized silicon layer obtained as a result of irradiation starts directly from the surface of the sample. As a result of this, amorphous cells bounded by a single-crystal silicon network are formed on the surface. When such a grating is illuminated by a continuous beam of a helium-neon laser (wavelength 632.8 nm), a diffraction pattern is observed, the intensity of which depends on the difference in optical characteristics of the implanted and non-implanted regions of silicon.

Эта дифракционная решетка [4] является наиболее близкой к заявляемому техническому решению, и поэтому выбрана в качестве прототипа.This diffraction grating [4] is the closest to the claimed technical solution, and therefore is selected as a prototype.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- дифракционные решетки, изготовленные на кремниевых подложках, непрозрачных в видимой области, можно использовать только на оптическое отражение;- diffraction gratings made on silicon substrates that are opaque in the visible region can only be used for optical reflection;

- как отмечают сами авторы [4], дифракционная эффективность этих решеток относительно низкая за счет малого контраста в коэффициентах отражения (ΔR) монокристаллического и аморфизованного кремния, в частности, на длине волны излучения лазера 632.8 нм. Коэффициенты отражения для аморфного и монокристаллического кремния на данной длине волны составляют 45 и 38% соответственно, а контраст ΔR=7% [6].- as the authors themselves note [4], the diffraction efficiency of these gratings is relatively low due to the low contrast in the reflection coefficients (ΔR) of single-crystal and amorphized silicon, in particular, at a laser radiation wavelength of 632.8 nm. The reflection coefficients for amorphous and single-crystal silicon at a given wavelength are 45 and 38%, respectively, and the contrast is ΔR = 7% [6].

Решаемая техническая задача в заявляемой полезной модели заключается в создании дифракционной решетки с улучшенным контрастом и возможностью использования, как для отраженного, так и для проходящего света.The technical problem to be solved in the claimed utility model is to create a diffraction grating with improved contrast and the ability to use both for reflected and transmitted light.

Поставленная задача в предлагаемом техническом решении в дифракционной решетке для видимого диапазона, содержащей подложку с внедренной в ее поверхность дифракционнной периодической микроструктуой, элементами которой являются области подвергнутые, ионному облучению и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки, достигается тем, что подложка выполнена из оптически прозрачного диэлектрического или полупроводникового материала, а дифракционная периодическая микроструктура содержит ионно-синтезированные металлические наночастицы, диспергированные в приповерхностной области подложки на толщине слоя от 20 до 100 нм при концентрации металла 3·10²⁰-6·10²² атомов/см³.The problem in the proposed technical solution in the diffraction grating for the visible range, containing a substrate with a diffraction periodic microstructure embedded in its surface, the elements of which are subjected to ion irradiation and characterized by a different dielectric constant relative to the substrate material, is achieved by the fact that the substrate is made of optically transparent dielectric or semiconductor material, and the diffraction periodic microstructure contains ion -synthesized metal nanoparticles dispersed in the surface region of the substrate at a layer thickness of 20 to 100 nm at a metal concentration of 3 · 10 ²⁰ -6 · 10 ²² atoms / cm ³ .

На фиг. 1. Показан чертеж в изометрии тонкопленочной дифракционной решетки (изделия) содержащей: 1 - оптически-прозрачную подложку; 2 - имплантированные ячейки; 3 - необлученные перегородки между ячейками.In FIG. 1. An isometric drawing is shown of a thin-film diffraction grating (product) containing: 1 — an optically transparent substrate; 2 - implanted cells; 3 - unirradiated partitions between cells.

На фиг. 2. Показано рассчитанное распределение имплантированной меди по глубине в кварцевом стекле, при энергии облучения 40 кэВ..In FIG. 2. The calculated depth distribution of implanted copper in quartz glass is shown at an irradiation energy of 40 keV ..

На фиг. 3. Показаны спектры оптического пропускания необлученного (а) и (б) кварцевого стекла с ионно-синтезированными наночастицами меди.In FIG. 3. The optical transmission spectra of unirradiated (a) and (b) silica glass with ion-synthesized copper nanoparticles are shown.

На фиг. 4. Показано АСМ-изображение поверхности SiO₂ с наночастицами меди, синтезированными с помощью ионной имплантации.In FIG. 4. An AFM image of the surface of SiO ₂ with copper nanoparticles synthesized by ion implantation is shown.

На фиг. 5. Показано изображение, полученное на сканирующем электронном микроскопе, микроструктурированного кварцевого стекла (дифракционной решетки), имплантированного ионами меди через поверхностную маску.In FIG. 5. A scanning electron microscope image of a microstructured quartz glass (diffraction grating) implanted with copper ions through a surface mask is shown.

На фиг. 6. Показан спектр оптического отражения натриево-кальциевого силикатного стекла и стекла с ионно-синтезированными наночастицами серебра.In FIG. 6. The optical reflection spectrum of sodium-calcium silicate glass and glass with ion-synthesized silver nanoparticles is shown.

На фиг. 7. Показан спектр оптического отражения сапфира и сапфира с ионно-синтезированными наночастицами золота.In FIG. 7. The optical reflection spectrum of sapphire and sapphire with ion-synthesized gold nanoparticles is shown.

На фиг. 8. Показано изображение картины дифракционного рассеяния, полученное на экране при отражении от микроструктурированного кварцевого стекла с ионно-синтезированными наночастицами меди, зондируемого гелий-неоновым лазером.In FIG. 8. The image of the diffraction scattering pattern shown on the screen upon reflection from a microstructured silica glass with ion-synthesized copper nanoparticles probed by a helium-neon laser is shown.

Рассмотрим способ изготовления дифракционной решетки на конкретных примерах. Условием изготовления дифракционной решетки является формирование на поверхности исходной подложки элементов заданной структуры дифракционной решетки путем ионной имплантации через поверхностную маску, при этом, ионную имплантацию осуществляют ионами металла с энергией 5-1100 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·10²⁰-6·10²² атомов/см³, плотностью тока ионного пучка 2·10¹²-1·10¹⁴ ион/см²с в оптически-прозрачную диэлектрическую или полупроводниковую подложку.Consider a method of manufacturing a diffraction grating for specific examples. A condition for the manufacture of the diffraction grating is the formation on the surface of the initial substrate of the elements of a given diffraction grating structure by ion implantation through a surface mask, while ion implantation is carried out by metal ions with an energy of 5-1100 keV, a radiation dose that ensures the concentration of introduced metal atoms in the irradiated substrate 3 10 ²⁰ -6 · 10 ²² atoms / cm ³ , ion current density of 2 · 10 ¹² -1 · 10 ¹⁴ ion / cm ² s in an optically transparent dielectric or semiconductor substrate.

На фиг. 1 показан в изометрии чертеж тонкопленочной дифракционной решетки (изделия) для видимого диапазона, содержащей оптически-прозрачную подложку 1 выполненную из оптически прозрачного диэлектрического или полупроводникового материала с внедренной в ее поверхность дифракционной периодической микроструктурой, элементами которой являются области подвергнутые, ионному облучению - имплантированные ячейки 2 и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки 1, где дифракционная периодическая микроструктура имплантированных ячеек 2 содержит ионно-синтезированные металлические наночастицы, диспергированные в приповерхностной области подложки 1 на толщине слоя от 20 до 100 нм при концентрации металла 3·10²⁰-6·10²² атомов/см³. Необлученные перегородки 3 находящиеся между имплантированными ячейками 2 имеют туже диэлектрическую проницаемость, что и оптически-прозрачная подложка 1 (для справки).In FIG. 1 is an isometric drawing of a thin-film diffraction grating (product) for the visible range containing an optically transparent substrate 1 made of an optically transparent dielectric or semiconductor material with a diffractive periodic microstructure embedded in its surface, the elements of which are the regions subjected to ion radiation - implanted cells 2 and characterized by a different dielectric constant relative to the substrate material 1, where the diffraction periodic microstructure travel implanted cells 2 comprises ion-synthesized metal nanoparticles dispersed in the surface region of the substrate 1 to a layer thickness of from 20 to 100 nm at a metal concentration of 3 · 10 · ²⁰ -6 October ²² atoms / cm ^3. Non-irradiated partitions 3 located between the implanted cells 2 have the same dielectric constant as the optically transparent substrate 1 (for reference).

Пример 1.Example 1

Дифракционная решетка изготовлена на поверхности подложки, структура элементов которой сформирована с помощью ионной имплантации на ускорителе ИЛУ-3 через поверхностную маску, в качестве которой использовалась тонкая металлическая сетка с размерами ячейки 40 мкм, причем имплантация выполнена ионами металла - Cu⁺ с энергией E=40 кэВ, дозой облучения, D=5.0·10¹⁶ ион/см², обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке (2.0·10²² атомов/см³), плотностью тока в ионном пучке J=3·10¹³ ион/см²с в оптически-прозрачную диэлектрическую подложку, кварцевое стекло- SiO₂ фирмы Heraeus.The diffraction grating is made on the surface of the substrate, the structure of the elements of which is formed by ion implantation on the ILU-3 accelerator through a surface mask, which was used as a thin metal mesh with a mesh size of 40 μm, the implantation being performed by metal ions - Cu ⁺ with an energy of E = 40 keV, irradiation dose, D = 5.0 · 10 ¹⁶ ion / cm ² , providing a concentration of introduced metal atoms in the irradiated substrate (2.0 · 10 ²² atoms / cm ³ ), current density in the ion beam J = 3 · 10 ¹³ ion / cm ² c to optically transparent dielectric th substrate, silica glass SiO ₂ firm Heraeus.

Моделирование концентрационных профилей распределения имплантированной меди с энергией 40 кэВ в кварцевое стекло по глубине с помощью компьютерного алгоритма DINA [7] (фиг. 2.), показало, что в приповерхностном имплантированном слое стекла происходит накопление атомов меди, приводящее к зарождению и росту металлических наночастиц. Общая толщина имплантированного слоя с наночастицами меди, а, следовательно, и толщина формируемой дифракционной решетки в SiO₂ не превышает 40 нм.Modeling the concentration profiles of the distribution of implanted copper with an energy of 40 keV into the quartz glass in depth using the DINA computer algorithm [7] (Fig. 2.) showed that copper atoms accumulate in the surface of the implanted glass layer, leading to the nucleation and growth of metal nanoparticles . The total thickness of the implanted layer with copper nanoparticles, and, consequently, the thickness of the formed diffraction grating in SiO ₂ does not exceed 40 nm.

На фиг. 3. приведены экспериментальные спектры линейного оптического пропускания для исходного SiO₂, а также имплантированного ионами меди (Cu:SiO₂), измеренные на двухлучевом спектрометре Hitach-330. Как видно из фигуры, в отличие от исходной матрицы SiO₂, имплантированный образец Cu:SiO₂ характеризируется наличием в видимой области спектра селективной полосы поглощения с максимумом ~585-590 нм. Данная полоса указывает на формирование в SiO₂ наночастиц меди, и она обусловлена проявлением эффекта поверхностного плазмонного резонанса в металлических наночастицах [8]. Наличие плазмонного резонанса в сформированных наночастицах меди приводит к высокому контрасту (ΔR=18%) в коэффициентах между областью кварцевого стекла с наночастицами (R=22% на длине волны 632.8 нм) и неимплантированным стеклом (R=4%). В то же время, сформированная структура является оптически прозрачной в отличии от дифракционной решетки на кремниевой основе.In FIG. Figure 3 shows the experimental linear optical transmission spectra for the initial SiO ₂ and also implanted with copper ions (Cu: SiO ₂ ), measured on a Hitach-330 two-beam spectrometer. As can be seen from the figure, in contrast to the initial SiO ₂ matrix, the implanted Cu: SiO ₂ sample is characterized by the presence in the visible region of the spectrum of a selective absorption band with a maximum of ~ 585-590 nm. This band indicates the formation of copper nanoparticles in SiO ₂ , and it is due to the manifestation of the surface plasmon resonance effect in metal nanoparticles [8]. The presence of plasmon resonance in the formed copper nanoparticles leads to a high contrast (ΔR = 18%) in the coefficients between the region of quartz glass with nanoparticles (R = 22% at a wavelength of 632.8 nm) and unimplanted glass (R = 4%). At the same time, the formed structure is optically transparent, in contrast to a silicon-based diffraction grating.

Изображение, полученное на атомно-силовом микроскопе - Интегра-Аура НТ-МДТ, (АСМ-изображение) поверхности SiO₂ в области стекла, не покрытого сетчатой маской, после имплантации ионами меди приведено на фиг. 4. В отличие от ровной поверхности необлученного стекла, шероховатость которого не превышала 1 нм, морфология локальной области имплантированного образца, как это видно из фиг. 4, характеризуется наличием полусферических выступов, которые, как было показано ранее, соответствуют синтезированным металлическим наночастицам на поверхности SiO₂ [9].The image obtained on an atomic force microscope — Integra-Aura NT-MDT, (AFM image) of the surface of SiO ₂ in the region of glass not covered with a mesh mask, after implantation with copper ions is shown in FIG. 4. In contrast to the flat surface of unirradiated glass, the roughness of which did not exceed 1 nm, the morphology of the local region of the implanted sample, as can be seen from FIG. 4 is characterized by the presence of hemispherical protrusions, which, as was shown earlier, correspond to synthesized metal nanoparticles on the surface of SiO ₂ [9].

Поверхностные микроструктуры на имплантированном ионами меди через маску SiO₂, наблюдаемые на сканирующем электронном микроскопе FEI Quantum 400-F (СЭМ), приведены на фиг. 5. Как видно из фигуры, вся поверхность образца представляет собой упорядоченную решетку с ячейками размером 40 мкм, которые сформированы ионным травлением при имплантации кварцевого стекла ионами меди в заданном режиме. При этом квадратная область ячеек представляет собой ионно-облученный SiO₂, т.е. структуру стекла с наночастицами меди, наблюдаемыми на фиг. 4, характеризуемыми селективным плазмонным пропусканием (фиг. 3). Стенки между квадратными ячейками решетки состоят из необлученного кварцевого стекла. Дифракционная решетка, показанная на фиг. 5, сформирована в точности с заданным чертежом, изометрическое изображение которого приведено на фиг. 1.The surface microstructures implanted with copper ions through a SiO ₂ mask, observed with a FEI Quantum 400-F scanning electron microscope (SEM), are shown in FIG. 5. As can be seen from the figure, the entire surface of the sample is an ordered lattice with cells 40 microns in size, which are formed by ion etching during implantation of silica glass with copper ions in a given mode. Moreover, the square region of the cells is ion-irradiated SiO ₂ , i.e. glass structure with copper nanoparticles observed in FIG. 4 characterized by selective plasmon transmission (FIG. 3). The walls between the square lattice cells are composed of unirradiated quartz glass. The diffraction grating shown in FIG. 5 is formed exactly with a given drawing, an isometric image of which is shown in FIG. one.

Поскольку известно, что имплантация ионов металла в стекло приводит к увеличению его показателя преломления вплоть до ~1.7-1.9 для видимой области спектра (особенно на частотах плазмонного резонанса металлических наночастиц) [10], то очевидно, что в результате имплантации кварцевого стекла через маску формируется микроструктура с периодически-изменяемым распределением оптических констант материала, т.е. между ячейками решетки и ее стенками (n_SiO2=1-5).Since it is known that implantation of metal ions in glass leads to an increase in its refractive index up to ~ 1.7–1.9 for the visible region of the spectrum (especially at the plasmon resonance frequencies of metal nanoparticles) [10], it is obvious that as a result of implantation of quartz glass through a mask, microstructure with a periodically variable distribution of the optical constants of the material, i.e. between the cells of the lattice and its walls (n _SiO2 = 1-5).

Таким образом, сформированная имплантацией микроструктура с периодически изменяемым показателем преломления (диэлектрической проницаемостью) представляет тонкопленочную дифракционную решетку.Thus, the microstructure formed by implantation with a periodically variable refractive index (dielectric constant) represents a thin-film diffraction grating.

Пример 2. В качестве подложки используется коммерческое натриево-кальциевое силикатное стекло итальянской фирмы SocietaItaliana Vetro, с однородным по объему образца содержанием химических компонент 70% SiO₂, 20% Na₂O, 10% СаО. Данное стекло характеризуется высокой оптической пропускательной способностью (около 90%) в широком спектральном диапазоне от 350 до 900 нм.Example 2. As the substrate, commercial sodium-calcium silicate glass of the Italian company Societa Italiano Vetro is used, with a content of chemical components of 70% SiO ₂ , 20% Na ₂ O, 10% CaO that is uniform in the sample volume. This glass is characterized by high optical transmittance (about 90%) in a wide spectral range from 350 to 900 nm.

Имплантация проводится однозарядными ионами Ag⁺ с энергией E=60 кэВ, дозой D=3·10¹⁶ ион/см² (2.2·10²² атомов/см³) и плотностью тока в ионном пучке J=3.2·10¹³ ион/см²с. Остальные технологические операции и режимы ионной имплантации, связанные с облучением через поверхностную маску, такие как и в примере 1.The implantation is carried out by singly charged Ag ⁺ ions with an energy of E = 60 keV, a dose of D = 3 · 10 ¹⁶ ion / cm ² (2.2 · 10 ²² atoms / cm ³ ) and a current density in the ion beam of J = 3.2 · 10 ¹³ ion / cm ² from. Other technological operations and modes of ion implantation associated with irradiation through a surface mask, such as in example 1.

Спектр отражения синтезированного образца, измеренный на оптическом спектрометре Hitachi-330, приведен на фиг. 6. В результате ионной имплантации стекла в спектре композиционного материала появляется селективная полоса плазмонного отражения с максимумом вблизи 495 нм, соответствующая ионно-синтезируемым наночастицам серебра.The reflection spectrum of the synthesized sample, measured on a Hitachi-330 optical spectrometer, is shown in FIG. 6. As a result of glass ion implantation, a selective plasmon reflection band with a maximum near 495 nm, corresponding to ion-synthesized silver nanoparticles, appears in the spectrum of the composite material.

Как следует из спектров на фиг. 6, сформированный композиционный слой характеризуется заметно более высоким отражением на длине волны излучения лазера 632.8 нм (23%) по сравнению с необлученным стеклом (8%). Это указывает на наличие высокого контраста в коэффициентах отражения между ними (ΔR=15%), требуемого для функционирования дифракционной решетки. При этом имплантированный ионами серебра образец остается оптически прозрачным.As follows from the spectra in FIG. 6, the formed composite layer is characterized by a significantly higher reflection at a laser radiation wavelength of 632.8 nm (23%) compared with unirradiated glass (8%). This indicates the presence of high contrast in the reflection coefficients between them (ΔR = 15%) required for the functioning of the diffraction grating. In this case, the sample implanted with silver ions remains optically transparent.

Пример 3. В качестве подложки используется монокристаллический сапфир (Al₂O₃), характеризующийся высокой прозрачностью (около 90%) в широком спектральном диапазоне от 200 до 4500 нм.Example 3. A single crystal sapphire (Al ₂ O ₃ ) is used as a substrate, characterized by high transparency (about 90%) in a wide spectral range from 200 to 4500 nm.

Имплантация проводится однозарядными ионами Au⁺ с энергией Ε=160 кэВ, дозой D=1·10¹⁷ ион/см² (1·10¹⁷ атомов/см³) и плотностью тока в ионном пучке J=3.5·10¹³ ион/см²с. Остальные технологические операции и режимы ионной имплантации, связанные с облучением через поверхностную маску, такие как и в примере 1.Implantation is performed by singly charged Au ⁺ ions with an energy of Ε = 160 keV, a dose of D = 1 · 10 ¹⁷ ion / cm ² (1 · 10 ¹⁷ atoms / cm ³ ) and a current density in the ion beam of J = 3.5 · 10 ¹³ ion / cm ² from. Other technological operations and modes of ion implantation associated with irradiation through a surface mask, such as in example 1.

Спектр отражения синтезированного образца, измеренный на оптическом спектрометре Hitachi-330, приведен на фиг. 7. В результате ионной имплантации стекла в спектре композиционного материала появляется селективная полоса плазмонного отражения с максимумом вблизи 600 нм, соответствующая ионно-синтезируемым наночастицам золота.The reflection spectrum of the synthesized sample, measured on a Hitachi-330 optical spectrometer, is shown in FIG. 7. As a result of glass ion implantation, a selective plasmon reflection band with a maximum near 600 nm appears in the spectrum of the composite material, corresponding to ion-synthesized gold nanoparticles.

Как следует из спектров на фиг. 7, сформированный композиционный слой характеризуется заметно более высоким отражением на длине волны излучения лазера 632.8 нм (38%) по сравнению с необлученным сапфиром (10%). Это указывает на наличие высокого контраста в коэффициентах отражения между ними (ΔR=28%), требуемого для функционирования дифракционной решетки. При этом имплантированный ионами золота образец остается оптически прозрачным.As follows from the spectra in FIG. 7, the formed composite layer is characterized by a significantly higher reflection at a laser radiation wavelength of 632.8 nm (38%) compared with unirradiated sapphire (10%). This indicates the presence of high contrast in the reflection coefficients between them (ΔR = 28%) required for the functioning of the diffraction grating. In this case, the sample implanted by gold ions remains optically transparent.

При изготовлении дифракционной решетки режимы ионной имплантации по параметрам имеют следующие ограничения, Ε=5-1100 кэВ, D - должна обеспечивать концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·10²⁰-6·10²² атомов/см³, J=2·10¹²-1·10¹⁴ион/см²с. За границами этих режимов не достигается необходимого технического результата, и качество изготовленных дифракционных решеток не будет соответствовать необходимым требованиям.In the manufacture of a diffraction grating, the ion implantation regimes according to the parameters have the following limitations, Ε = 5-1100 keV, D - should provide a concentration of introduced metal atoms in the irradiated substrate of 3 · 10 ²⁰ -6 · 10 ²² atoms / cm ³ , J = 2 · 10 ¹² -1 · 10 ¹⁴ ion / cm ² s. Beyond the boundaries of these regimes, the necessary technical result is not achieved, and the quality of the manufactured diffraction gratings will not meet the necessary requirements.

Энергия иона Ε обуславливает величину его среднего проекционного пробега, которое определяет глубину залегания имплантированного иона, а, следовательно, толщину модифицированного слоя и дифракционной решетки. Сверху энергия ускорения иона ограничена величиной E=1100 кэВ, поскольку при увеличении данной энергии имплантации требуемые размерные параметры (в первую очередь, толщина) модифицированного слоя начинают превышать значения, необходимые для практического применения тонкопленочных дифракционных решеток [8-10]. Ограничение снизу величиной Е=5 кэВ, согласно нашим экспериментам, связано с тем, что при дальнейшем уменьшении Ε не удается получить столь крупные элементы структуры решетки, на которых бы наблюдалась дифракция света.The ion energy Ε determines the value of its average projection range, which determines the depth of the implanted ion, and, consequently, the thickness of the modified layer and diffraction grating. From above, the ion acceleration energy is limited to E = 1100 keV, since with an increase in this implantation energy, the required dimensional parameters (primarily the thickness) of the modified layer begin to exceed the values necessary for the practical application of thin-film diffraction gratings [8-10]. The limitation from below to E = 5 keV, according to our experiments, is due to the fact that with a further decrease in Ε, it is not possible to obtain such large elements of the lattice structure on which light diffraction is observed.

Доза облучения D определяется необходимым количеством атомов металлического вещества, чтобы, во-первых, обеспечить высокий контраст в коэффициентах отражения формируемых элементов дифракционной решетки, т.е. должны быть синтезированы достаточно крупные металлические наночастицы, проявляющие плазмонное отражение и поглощение. Это условие, согласно нашим исследованиям зависимости появления сигнала плазмонного поглощения у металлических наночастиц от дозы имплантации, выполняется при концентрациях атомов металла в объеме облучаемого материала порядка 3·10²⁰ атомов/см³. Во-вторых, количество внедренной примеси не должно превышать той дозы, при которой начнется слипание растущих металлических наночастиц, приводящее к образованию сплошной металлической пленки, и по нашим оценкам составляет не более 6·10²² атомов/см³.The radiation dose D is determined by the required number of atoms of the metal substance in order, firstly, to provide a high contrast in the reflection coefficients of the formed elements of the diffraction grating, i.e. sufficiently large metal nanoparticles exhibiting plasmon reflection and absorption should be synthesized. This condition, according to our studies of the dependence of the appearance of the plasmon absorption signal in metal nanoparticles on the implantation dose, is fulfilled at metal atom concentrations in the volume of the irradiated material of the order of 3 · 10 ²⁰ atoms / cm ³ . Secondly, the amount of embedded impurity should not exceed the dose at which the adhesion of growing metal nanoparticles begins, leading to the formation of a continuous metal film, and according to our estimates, is no more than 6 · 10 ²² atoms / cm ³ .

Плотность тока в ионном пучке J определяет, с одной стороны, время набора дозы имплантации, а с другой стороны степень нагрева облучаемого материала. Экспериментально установлено, что при J=1·10¹⁴ ион/см²с температура облучаемой поверхности образца увеличивается до 150°C. Дальнейшее увеличение температуры приводит к ускоренной диффузиии рассасыванию внедренной примеси по глубине образца без образования металлических наночастиц. Облучение с малой плотностью ионного тока нецелесообразно увеличивает время имплантации. Поэтому, минимальная плотность ионного тока ограничена величиной J=2·10¹² ион/см²с.The current density in the ion beam J determines, on the one hand, the time it takes for the implantation dose to be set, and on the other hand, the degree of heating of the irradiated material. It was established experimentally that at J = 1 · 10 ¹⁴ ion / cm ² s the temperature of the irradiated surface of the sample increases to 150 ° C. A further increase in temperature leads to accelerated diffusion and resorption of the embedded impurity along the depth of the sample without the formation of metal nanoparticles. Irradiation with a low ion current density does not expediently increase the implantation time. Therefore, the minimum ion current density is limited to J = 2 · 10 ¹² ion / cm ² s.

Рассмотрим предлагаемую дифракционную решетку (по примеру 1) в применении. На фиг. 8 показана оптическая схема регистрации дифракционной картины от полученной дифракционной решетки. Луч гелий-неонового лазера, как показано стрелками, отражаясь от зеркала падает на оптически-прозрачную дифракционную решетку (образец Cu:SiO₂) и формирует дифракционную картину как при прохождении света через образец, так и на отражение.Consider the proposed diffraction grating (as in example 1) in the application. In FIG. 8 shows an optical registration scheme of the diffraction pattern from the obtained diffraction grating. The beam of a helium-neon laser, as shown by the arrows, reflected from the mirror, falls onto an optically transparent diffraction grating (Cu: SiO ₂ sample) and forms a diffraction pattern both when light passes through the sample and on reflection.

Техническим результатом является то, что предлагаемая дифракционная решетка характеризуется повышенным контрастом (ΔR=15-28%) в коэффициентах отражения между ее отдельными элементами. Это улучшает их дифракционную эффективность, а использование в качестве подложки оптически-прозрачных диэлектрических и полупроводниковых материалов дает возможность ее применения, как для отраженного, так и для проходящего света.The technical result is that the proposed diffraction grating is characterized by increased contrast (ΔR = 15-28%) in the reflection coefficients between its individual elements. This improves their diffraction efficiency, and the use of optically transparent dielectric and semiconductor materials as a substrate makes it possible to use it both for reflected and transmitted light.

Список цитируемой литературыList of references

1. Дифракционная нанофотоника. Ред. Сойфер В.А. М.: Физматлид 2011.1. Diffraction nanophotonics. Ed. Soifer V.A. M .: Fizmatlid 2011.

2. Галяутдинов М.Ф., Фаррахов Б.Ф., Фаттахов Я.В., Захаров М.В. Динамическая термометрия твердого тела методом оптической дифракции при импульсном облучении / Оптика и спектроскопия 2009. Т. 107. №4. С. 675-679.2. Galyautdinov M.F., Farrakhov B.F., Fattakhov Y. V., Zakharov M.V. Dynamic thermometry of a solid by optical diffraction by pulsed irradiation / Optics and Spectroscopy 2009. V. 107. No. 4. S. 675-679.

3. Lanin Α.V., Butov O.V., Golant К.М. Response of in-fiber Bragg gratings to hydrogen loading and subsequent heat treatment in H₂ ambience / Appl. Opt. 2006. V. 45. No. 23. P. 5800-5807.3. Lanin Α.V., Butov OV, Golant K.M. Response of in-fiber Bragg gratings to hydrogen loading and subsequent heat treatment in H ₂ ambience / Appl. Opt. 2006. V. 45. No. 23. P. 5800-5807.

4. Фаттахов Я.В., Галяутдинов М.Ф., Львова Т.Н., Хайбуллин И.Б. Динамика плавления кремния при облучении мощными импульсами некогерентного света / Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. №2-3. С. 264-2684. Fattakhov Y. V., Galyautdinov M. F., Lvova T. N., Khaibullin I. B. Dynamics of silicon melting when irradiated with powerful pulses of incoherent light / Optics of the atmosphere and ocean. 1998. V. 11. No. 2-3. S. 264-268

5. Фаттахов Я.В., Галяутдинов М.Ф., Львова Т.Н., Хайбуллин И.Б. Формирование двумерной периодической структуры локальных областей плавления кремния при импульсном световом облучении / ЖТФ 1997. Т. 67. №12. С. 97-995. Fattakhov Y. V., Galyautdinov M. F., Lvova T. N., Khaibullin I. B. Formation of a two-dimensional periodic structure of local regions of silicon melting under pulsed light irradiation / ZhTF 1997. V. 67. No. 12. S. 97-99

6. Stepanov A.L., Bayazitov R.M., Hole D.E., Khaibullin I.B. Annealing of europium-implanted silicon by nanosecond ion-beam pulses / Phil. Mag. Lett. 2001. V. 81. No. 1 P. 29-38.6. Stepanov A.L., Bayazitov R.M., Hole D.E., Khaibullin I.B. Annealing of europium-implanted silicon by nanosecond ion-beam pulses / Phil. Mag. Lett. 2001. V. 81. No. 1 P. 29-38.

7. Stepanov A.L., Zhikharev V.A., Hole D.E., Townsend P.D., Khaibullin I.B. Depth distribution of Cu, Ag and Au ions implanted at low energy into insulators / Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. В 2000. V. 166-167. P. 26-30.7. Stepanov A.L., Zhikharev V.A., Hole D.E., Townsend P.D., Khaibullin I.B. Depth distribution of Cu, Ag and Au ions implanted at low energy into insulators / Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. In 2000. V. 166-167. P. 26-30.

8. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer. 1995.8. Kreibig U., Vollmer M. Optical properties of metal clusters. Berlin: Springer. 1995.

9. Stepanov A.L., Popok V.N. Nanostructuring of silicate glass under low-energy metal-ion implantation / Surf. Sci. 2004. V. 566-568. P. 1250-1254.9. Stepanov A.L., Popok V.N. Nanostructuring of silicate glass under low-energy metal-ion implantation / Surf. Sci. 2004. V. 566-568. P. 1250-1254.

10. Faik Α., Allen L., Eicher C., Gagola Α., Townsend P.D. Dispersion and luminescence measurements of optical waveguides / J. Appl. Phys. 1983. V. 54. P. 2597-2601.10. Faik Α., Allen L., Eicher C., Gagola Α., Townsend P.D. Dispersion and luminescence measurements of optical waveguides / J. Appl. Phys. 1983. V. 54. P. 2597-2601.

Claims (1)

Дифракционная решетка для видимого диапазона, содержащая подложку с внедрённой в её поверхность дифракционной периодической микроструктурой, элементами которой являются области, подвергнутые ионному облучению и характеризуемые другой диэлектрической проницаемостью относительно материала подложки, отличающаяся тем, что подложка выполнена из оптически прозрачного диэлектрического или полупроводникового материала, а дифракционная периодическая микроструктура содержит ионно-синтезированные металлические наночастицы, диспергированные в приповерхностной области подложки на толщине слоя от 20 до 100 нм при концентрации металла 3·1020-6·1022 атомов/см³.

Diffraction grating for the visible range, containing a substrate with a periodic diffraction microstructure embedded in its surface, the elements of which are regions subjected to ion irradiation and characterized by a different dielectric constant relative to the substrate material, characterized in that the substrate is made of optically transparent dielectric or semiconductor material, and the diffraction periodic microstructure contains ion-synthesized metal nanoparticles, dispersants data in the near-surface region of the substrate at a layer thickness of 20 to 100 nm at a metal concentration of 3 · 1020-6 · 1022 atoms / cm³.

Images