INSCRIPTION AND ANALYSIS OF NON-UNIFORM DIFFRACTION GRATINGS IN AZOBENZENE MOLECULAR GLASS THIN FILMS

Abstract

A Direct Interference Lithography Patterning technique was used to inscribe non-uniform, or spatially curving, surface relief diffraction gratings on photomechanical thin films using a modified Lloyd’s mirror interferometer. The experimentally-fabricated gratings are compared to a theoretical model, developed by simulating the recombined laser interference phase information to theoretically achieve various non-uniform grating profiles as it would be expected in the actual fabrication process. A Coherent Verdi V5 diode-pumped continuous wave laser, having a wavelength 𝜆=532 nm, was used to experimentally generate a collimated and circularly-polarized laser beam. A spherical lens having a 5.72 mm diameter was placed along the laser beam path towards the Lloyd’s mirror interferometer to produce a spherically-curving wave front and to generate a non-uniform interference pattern, which was imprinted on a Disperse Red 1 molecular glass thin film. It was found that two parameters could be used to control the overall distribution of the non-uniform grating’s physical and optical properties: the laser incidence angle, dictating the central grating pitch, and the physical position of the spherical lens. These parameters were varied to experimentally and theoretically produce twelve different non-uniform gratings. Central pitch values of Λ=500 nm, Λ=1000 nm, Λ=1500 nm, and Λ=2000 nm were used for inscription at lens positions of 𝑓=35 mm, 𝑓=45 mm, and 𝑓=55 mm from the azobenzene film surface. An Atomic Force Microscope was used to characterize the resulting gratings in order to obtain the localized grating pitch, vector orientation and modulation depths at 25 X-Y coordinates on the grating’s surface. The experimental results and theoretical simulations were compared using three-dimensional vector plots. The grating’s pitch and vector information were found to be in close agreement between the theoretical and experimental results. The experimental modulation depth was compared to a theoretical laser irradiance distribution, and some variation was found and explained. This method for non-uniform grating fabrication was found to produce cheap and inexpensive gratings with easily controllable optical parameters, which allows them to be used in a variety of photonics application in research and industry.

Une technique de fabrication par lithographie en interférence directe a été utilisée pour inscrire des réseaux de diffraction non uniformes, ou spatialement incurvés, sur des films minces photomécaniques en utilisant un interféromètre à miroir de Lloyd modifié. Les réseaux fabriqués expérimentalement sont comparés à un modèle théorique, developé en simulant l'information de phase d'interférence recombinée pour obtenir théoriquement des différents profils de réseaux non uniformes comme on peut s'y attendre dans le processus de fabrication expérimental. Un laser à onde continue pompé par diode Verdi V5 de Coherent, ayant une longueur d'onde λ = 532 nm, a été utilisé pour générer expérimentalement un faisceau laser collimaté et à polarisation circulaire. Une lentille sphérique de 5,72 mm de diamètre a été placée le long du trajet du faisceau laser vers l'interféromètre à miroir de Lloyd pour produire un front d'onde sphériquement incurvé et pour générer un patron d'interférence non uniforme qui a été imprimé sur un verre moléculaire Disperse Red 1 en couche mince. Il a été constaté que deux paramètres pouvaient être utilisés pour contrôler les propriétés physiques et optiques d’un réseau non uniforme: l'angle d'incidence du laser, dictant le pas central du réseau, et la position physique de la lentille sphérique. Ces paramètres ont été variés pour générer expérimentalement et théoriquement douze réseaux non uniformes différents. Les valeurs du pas central de Λ = 500 nm, Λ = 1000 nm, Λ = 1500 nm et Λ = 2000 nm ont été utilisées pour l'inscription aux positions de lentilles de f = 35 mm, f = 45 mm et f = 55 mm de la surface du film d’azobenzène. Un microscope à force atomique a été utilisé pour caractériser les réseaux résultants afin d'obtenir les informations sur le pas local du réseau, l'orientation du vecteur du réseau et la profondeur de modulation sur 25 coordonnées X-Y sur la surface du film. Les résultats expérimentaux et les simulations théoriques ont été comparés en utilisant des tracés vectoriels tridimensionnels. Les informations du pas et du vecteur du réseau ont été trouvées en accord étroit entre les résultats théoriques et expérimentaux. La profondeur de modulation expérimentale a été comparée à une distribution théorique d'irradiance laser, et une variation a été trouvée et expliquée. Cette méthode pour la fabrication de réseaux non uniformes a été trouvée de produire des réseaux avec des paramètres optiques facilement contrôlables, ce qui leur permet d'être utilisés dans une variété d'applications photoniques dans la recherche et l'industrie.