Desenvolvimento de elemento óptico difrativo com nanoestruturas radiais por meio de litografia holográfica

Abstract

A aplicação de elementos ópticos difrativos (EOD) em sistemas com métodos ópticos para medição de deformações e tensões usando a óptica interferométrica tem sido uma das linhas de pesquisa do LABMETRO nas últimas décadas. Atualmente esses elementos são produzidos no exterior. Dominar o processo de confecção desse componente permite reduzir os custos e conferir autonomia sobre as pesquisas. Este trabalho explora o desenvolvimento do processo de litografia holográfica ou litografia de interferência para a confecção destes elementos difrativos com difração circular. O processo utiliza padrões de interferência que podem ser gravados em um material fotossensível através da exposição do material a um padrão de luz estruturado e da revelação com reagentes químicos. Para a geração do padrão de interferência foi desenvolvido o interferômetro de espelho cônico, possuindo uma montagem simples, baseada no espelho de Lloyd, mas capaz de produzir um padrão de interferência com franjas circulares concêntricas, formando um cone de luz de 60°. A configuração proposta com espelho cônico permitiu obter um elemento capaz de difratar a luz no ângulo desejado com eficiência difrativa relativamente satisfatória em placas PFG-01 para utilização na roseta óptica difrativa (ROD) a um custo muito menor. Contudo, foi observado regiões escuras localizadas a 45° do eixo de polarização causada pela alteração na polarização após a reflexão pelo espelho cônico. Para contornar este problema, a luz utilizada na confecção dos EODs foi alterada de polarização linear para circular, resultando em uma distribuição luminosa mais uniforme, porém com menos eficiência de difração. Além disso, os métodos empregados para formação da janela de observação podem ter contribuído para a existência de múltiplas reflexões durante a confecção da estrutura difrativa. A utilização da técnica de litografia holográfica aliada ao interferômetro de espelho cônico se mostrou promissora para a confecção de EODs com estruturas difrativas circulares. Através do estudo aprofundado dos efeitos da polarização no interferômetro de espelho cônico e implementação de melhorias é possível obter resultados significativamente melhores.

Abstract: The application of diffractive optical elements (EOD) in systems with optical methods for measuring strain and stress using interferometric optics has been one of the research lines of LABMETRO in recent decades. These elements are currently produced abroad. Mastering the process of making this component allows reducing costs and granting autonomy over research. This work explores the development of the process of holographic lithography or interference lithography for the making of these diffractive elements with circular diffraction. The process uses interference patterns that can be etched onto a photosensitive material by exposing the material to a structured light pattern and developing it with chemical reagents. For the generation of the interference pattern, a conical mirror interferometer was developed, having a simple assembly, based on Lloyd's mirror, but capable of producing an interference pattern with concentric circular fringes, forming a 60° light cone. The proposed configuration with a conical mirror allowed obtaining an element capable of diffracting light at the desired angle with relatively satisfactory diffractive efficiency in PFG-01 plates for use in the diffractive optical rosette (ROD) at a much lower cost. However, dark regions located 45° from the polarization axis caused by the change in polarization after reflection by the conical mirror were observed. To get around this problem, the light used in making the EODs was changed from linear to circular polarization, resulting in a more uniform light distribution, but with less diffraction efficiency. Furthermore, the methods used to form the observation window may have contributed to the existence of multiple reflections during the construction of the diffractive structure. The use of the holographic lithography technique combined with the conical mirror interferometer proved to be promising for the manufacture of EODs with circular diffractive structures. Through the in-depth study of the effects of polarization on the conical mirror interferometer and implementation of improvements it is possible to obtain significantly better results.