KR20210022112A

KR20210022112A - 공간적으로 변조된 파장판의 제조 방법

Info

Publication number: KR20210022112A
Application number: KR1020217002174A
Authority: KR
Inventors: 오레스타스 울키나스; 티타스 게르투스; 안타나스 우르바스
Original assignee: 유에이비 알테크나 알앤드디
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: US20210268600A1; LT2018020A; WO2019244120A4; JP2021528253A; LT6700B; WO2019244120A2; CA3104586A1; JP7335473B2; DE112019003140T5; CN112584960A; WO2019244120A3; KR102653076B1

Abstract

본 발명은 극초단 레이저 펄스들에 의한 투명한 재료들 (5) 의 입체 변경에 관한 것이다. 고도로 투명한 공간 변형 파장판들 (5) 의 제조의 방법은 나노플레이트들 (6) 의 자체 조직화 구조들을 구축하는 레이저 파장에 투명한 재료 (5) 의 내부에 펄스 지속기간 500 fs 내지 2000 fs 를 갖는 가우시안 레이저 빔 (2) 을 포커싱하는 단계를 포함한다. 워크피스 (5) 는 원하는 라인을 따라 빔 초점에 상대적으로 3 개의 좌표들에서 이동된다. 초점 영역, 펄스 반복의 레이트, 에너지, 및 이동의 속도의 조합이 특정의 지연을 갖는 복굴절 광학 엘리먼트들로서 작용하는 워크피스 (5) 내부의 상기 구조들을 위치시키기 위해 선택된다. 펄스들의 에너지는 -σ/2 및 σ/2 에 의해 제한된 초점 영역의 부분에서 나노플레이트들 (6) 의 구축의 임계값을 초과하며, 여기서 σ 는 가우시안 함수의 최대값으로부터의 표준 편차이다. 나노플레이트들 (6) 을 생성하는 펄스들의 에너지는 0.2-0.3 μJ 을 초과하지 않는 총 1000 내지 2000 개의 펄스들의 시퀀스로부터 상기 영역에 축적된다.

Description

공간적으로 변조된 파장판의 제조 방법

본 발명은 극초단 레이저 펄스의 사용을 통한 투명 재료 특성의 입체적 변경의 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공간 변조 파장판의 레이저 제조에 관한 것이다.

용융 석영 및 일부 유리들이 펄스 지속기간 및 그것의 에너지의 적절한 조합으로, 극초단 (80-500 fs 지속기간) 펄스에 영향을 받는 경우, 그것들은 이중 광 굴절의 발생, 및 영향을 주는 광의 파장보다 수 배 더 작은, 작은 치수를 특징으로 하는 주기적 구조의 굴절률 변화를 생성한다는 것 (Hirao, K., Miura, K., “Writing Waveguides And Gratings in Silica And Related Materials by a Femtosecond Laser,” J. Non-Crystalline Solids, t. 239, pp. 91-95, 1998., Davis k. M., et al., “Writing Waveguides in Glass With a Femtosecond Laser,” Opt. Lett., t. 21, pp. 1729-1731, 1996., Hnatovsky c., et al., “Pulse duration dependence of femtosecond-laser-fabricated nanogratings in fused silica,” Appl. Phys. Lett., t. 87, No. 014104, pp. 1-3, 2005.) 이 알려져 있다 (예를 들어, Sudrie L., et al., “Study Of Damage In Fused Silica By Ultra-Short IR Laser Pulses,” Optics Communications, t. 191, pp. 333-339, 2001. 참조). 정상파와 비정상파에 대한 굴절률 사이의 크기 차이는 보통 10^-2 정도이다.

이러한 구조는 광 전파의 방향으로 확장되며 영향을 주는 광의 편광 벡터에 수직인 주기적 격자의 형태를 갖고 (Shimotsuma, Y., et al., "Self-Organized Nanogratings in Glass Irradiated by Ultrashort Light Pulses," Phys. Rev. Lett., t. 91, No. 24, pp. 1-4, 2003. ; Bhardwaj, VR, et al, "Optically Produced Arrays of Planar Nanostructures inside Fused Silica," Phys. Rev. Lett., t. 96, No. 10 February, pp. 1-4, 2006. ), 복굴절의 빠른 축은 해당 벡터와 평행하다 (Bricchi, E., et al., "Form Birefringence and Negative Index Change Created by Femtosecond Direct Writing in Transparent Materials,” Opt. Lett., t. 29, pp. 119-121, 2004.; Champion, A., et al., "Stress Distribution Around Femtosecond Laser Affected Zones: Effect of Nanogratings Orientation,” Opt. Express, t. 21, pp. 24942-24951, 2013.). 그 구조의 형성은 물질에 영향을 미치는 빛의 강도가 물질의 특성 값을 초과하도록 요구하는 임계 프로세스이다 (R. e. a. Taylor, "Fabrication of Long Range Periodic Nanostructures in Transparent or Semitransparent Dielectrics". 미국 특허 7438824B2, 2008 년 10 월 21 일. Shimotsuma, Y., et al., "Self-Organized Nanogratings in Glass Irradiated by Ultrashort Light Pulses,” Phys. Rev. Lett., t. 91, No. 24, pp. 1-4, 2003 .; Bhardwaj, VR, et al., "Femtosecond Laser-induced Refractive Index Modification in Multicomponent Glasses, "J. Appl. Rev. Lett., t. 97, No. 083102, pp. 1-12, 2005.; M. Li, "Method of Precise Laser Nanomachining With UV Ultrafast Laser Pulses". 미국 특허 7057135B2, 2006 년 6 월 6 일). 생성된 효과는 또한 순차적인 레이저 펄스로 해당 영역에 반복적으로 영향을 줌으로써 증폭되며, 즉, 축적 효과가 관찰된다. (Bonse, J., Krueger, J., “Pulse Number Dependence of Laser-Induced Periodic Surface Structures for Femtosecond Laser Irradiation of Silicon," J. Appl. Phys., t. 108, No. 034903, pp. 1-5, 2010 .; Zimmermann, F., et al., "Ultrashort laser pulse induced nanogratings in borosilicate glass,", Applied Physics Letters, t. 104, No. 211107, pp. 1-5, 2014 .; Richter S., et al., “Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications,” J. Laser Appl., t. 24, No. 4, pp. 042008-1-8, 2012). 나노 구조의 형성은 지속기간이 약 100-150 fs 인, 유도된 플라즈마의 파동과 영향을 미치는 빛과의 상호 작용으로 설명된다. (Petite G., et al., "Conduction electrons in wide-bandgap oxides: A subpicosecond time-resolved optical study," Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, t. 107, pp. 97-101, 1996. ; Martin, P., et al., "Subpicosecond study of carrier trapping dynamics in wide-band-gap crystals,” Phys. Rev. B, t. 55, pp. 5799-5810, 1997.). 이러한 상호 작용으로 인해, 무작위로 분포된 플라즈마 나노 구가 형성되며, 이들은 그들의 가장자리에서 필드의 증폭으로 인해, 편광면에 수직으로 배향된 플레이트에 결합되며, 이들은 차례로 단기적으로 금속 특성을 나타내며 빛의 전파에 영향을 준다 (Taylor, R., Hnatovsky, C, Simova, E., “Applications of femtosecond laser induced self-organized planar nanocracks inside fused silica glass,” Laser Photonics Rev., t. 2, pp. 26-46 , 2008.; Lancry, M., et al., “Compact Birefringent Waveplates Photo-Induced in Silica by Femtosecond Laser,” Micromachines, t. 5, pp. 825-838, 2014.). 조명 물질과 상호 작용함으로써, 이러한 플라즈마 구들은 나노 미터 정도의 개구부를 생성하며 (Lancry, M., et al., “Compact Birefringent Waveplates Photo-Induced in Silica by Femtosecond Laser,” Micromachines, t. 5, pp. 825-838, 2014.), 거기서 재료 격자의 결함에 영향을 받는, 굴절률의 변화와 복굴절 출현이 관찰된다. 빛이 생성한 효과가 재료 격자에 축적됨에 따라 변화가 형성되며, 이는 생성된 효과의 크기의 증가 및 원자 간 거리 (격자 주기) 의 감소에 의해 나타난다 (Richter S., et al., “Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications,” J. Laser Appl., t. 24, No. 4, pp. 042008-1-8, 2012). 샘플에 입사된 빛 에너지는 축적되어, 동일한 공정 임계값 (Rajeev, PP, et al., “Memory in nonlinear ionization of transparent solids,” Phys. Rev. Lett., t. 97, p. 253001, 2006.) 또는 유도된 결함 중심들의 수 (Richter, s. et al., "The role of self-trapped excitons and defects in the formation of nanogratings in fused silica," Opt. Lett., t. 37, pp. 482-484, 2012.) 를 달성하고, 펄스 에너지와 임펄스를 생성하는 효과의 필요한 양은 대략 일정하다 (Richter S., et al., “Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications,” J. Laser Appl., t. 24, No. 4, pp. 042008-1-8, 2012.). 입사하는 연속 펄스 사이의 갭은 누적에 중요하다. 주기적 구조의 형성의 효율은 펄스 에너지에 의존하는 특정 임계 값을 초과하여 펄스가 분리되면 크게 감소하며, 예를 들어, 115 nJ 펄스의 경우 그것은 ~ 20 ps 이고, 452 nJ 의 경우 ~ 100 ps 갭이다. 그러나, 주기적 구조의 형성은 펄스 반복 주파수 R ~ = 0.1 Hz, 즉 펄스 사이의 갭 ~ 10s 까지 관찰된다 (Richter S., et al., “Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications,” J. Laser Appl., t. 24, No. 4, pp. 042008-1-8, 2012). 이것은 효과의 축적이 명확하게 상이한 특성 지속기간을 가진 여러 물리적 과정과 관련이 있음을 시사한다. 우선, 광 펄스의 전기장은 자유 전자를 생성한다. 이러한 방식으로 형성된 전자-홀 쌍 (엑시톤) 은 재료 격자 (포논) 의 변동과 결합하고, 격자의 불규칙성 또는 엑시톤 자체에 의해 생성된 필드 변형 (자체 트랩핑된 엑시톤, STE) 에 의해 포착된다 (Williams, R., Song, K., "The self trapped exciton,” J. Phys. Chem. Solids, t. 51, pp. 679-716, 1990.). 이러한 프로세스는 매우 빠르게, 즉 150 fs 보다 빠르게 진행된다 (Petite G., et al., “Conduction electrons in wide-bandgap oxides: A subpicosecond time-resolved optical study," Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, t. 107, pp. 97-101, 1996. ; Martin, P., et al., "Subpicosecond study of carrier trapping dynamics in wide-band-gap crystals,” Phys. Rev. B, t. 55, pp. 5799-5810, 1997.), 따라서, 그것은 분명히 효과의 축적에 영향을 미치지 않는다. 실내 및 더 높은 온도에서, STE 는 비방사 방식으로 이완되어 영구적이거나 장기적인 결함 (Stathis, S., Kastner, M., "Time-resolved photoluminescence in amorphous silicon dioxide," Phys. Rev. B, t. 39, pp. 11183-11186, 1989.), 예를 들어 E'-중심 및 이웃 산소 홀 중심 (nonbridging oxygen hole centers: NBOHC) (Petite G., et al., “Conduction electrons in wide-bandgap oxides: A subpicosecond time-resolved optical study," Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, t. 107, pp. 97-101, 1996., Stathis, S., Kastner, M., "Time-resolved photoluminescence in amorphous silicon dioxide," Phys. Rev. B, t. 39, pp. 11183-11186, 1989.) 을 생성한다. 이러한 이완 채널의 특징적인 지속기간은 약 400 ps 이며 (Wortmann, D., Ramme, M., Gottmann, J., “Refractive index modification using fs-laser double pulses," Opt. Express, t. 15, pp. 10149-10153, 2007.), 이는 관찰된 축적 시간에 대응한다. E'-중심은 이완된 규소 결합

인 반면, NBOHC 는 이완된 산소 결합

이다. 두 유형의 결함은 서로 재결합하거나 다른 유형의 결함으로 바뀔 수 있다 (Nishikawa, H., et al., “Decay kinetics of the 4,4-eV photoluminescence associated with the two states of oxygen-deficient-type defect in amorphous Si02,“ Phys. Rev. Lett., t. 72, pp. 2101-2104, 1994. ), 예를 들어, 산소 원자의 삽입으로 인해, NBOHC 는 과산화물 라디칼

로 변할 수 있다 (Skuja, L, et al., “Defects in oxide glasses, "Physica Status Solidi C, t. 2, pp. 15-24, 2005.). 어떤 경우든, 그러한 결함들의 존재는 그것들 주위의 재료의 밀도를 변경하는 동시에 등방성 및 이방성 굴절률과 같은 재료의 광학적 특성도 변경되며, 즉, 복굴절이 발생한다. 나노 평면이 가장 효과적으로 생성되는 재료인 용융 석영은 n 개의 멤버들을 갖는 (Si-0)_n 산화물 고리들로 이루어진다. 용융 석영이 주로 n

6-7 을 갖는 고리로 구성되는 경우, 이완된 결합의 결함의 출현은 평균 고리 크기를 n

3-4 로 줄일 수 있다. 이것은 펨토초 펄스의 효과 후에 관찰되는, 재료 밀도의 증가를 가져오는, 결합 사이의 각도의 감소가 수반된다 (Chan, J.W., et al., “Modification of the fused silica glass network associated with waveguide fabrication using femtosecond laser pulses," Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., t. 76, pp. 367-372, 2003.). 전술한 결함을 갖는 구역에서, 이온화 에너지가 소스 재료에서보다 낮으므로 이후의 각 펄스는 점점 더 많은 결함을 생성한다. 다른 한편으로, 펄스의 강도에 대한 주기적 구조의 형성 효율의 의존성은 펄스 전력의 밀도에 대한 STE 형성의 의존성에 의해 부분적으로 설명될 수 있다 (Tsai, T.E., et al., “Experimental evidence for excitonic mechanism of defect generation in high-purity silica,” Phys. Rev. Lett., t. 67, pp. 2517-2520, 1991.).

나노 평면으로부터 주기적 구조를 기록하는 방법은 미국 특허 US 7,438,824 B2 에 자세히 설명되어 있다. 그것은 주기적인 나노 평면 구조가 5 와 200 fs 사이 (5x10^-15 s ÷ 200x10^-15 s) 의 지속기간을 갖는 펄스의 효과에 기인하여 형성된다는 것을 특정한다. 또한, 구조의 안정적인 기록을 위해, 펄스 에너지는 ~ 2-5 μm 를 갖는 스폿으로 에너지를 집중시키는 것을 허용하는, 짧은 초점 길이 (NA = 0.65) 광학 엘리먼트로 빔을 포커싱함으로써, 적어도 4xE_si 로부터, 이러한 효과를 위한 임계 에너지 (E_si) 를 상당히 초과해야 한다는 것이 특정된다. 워크피스는 약 250kHz 의 주파수로 레이저 펄스를 반복하면서 100 μm/s 이하의 속도로 레이저 빔 빔 초점에 대해 이동되며, 이것은 5 μm 의 직경을 갖는 영역에서 12.500 펄스의 에너지가 축적되는 것을 의미한다. 단일 펄스의 에너지는 75-300 nJ 사이여야하며, 즉, 0.94 mJ 에서 3.75 mJ 까지의 레이저 펄스 에너지가 상기 영역에 축적된다.

미국 특허 7,438,824 B2 에 설명된 파라미터의 세트가 광학 엘리먼트를 제조하는 동안 사용되는 경우, 레이저 방사 파장에 대한 제조된 엘리먼트 광학 대역폭의 상당한 의존성이 관찰되고, 대부분의 레이저에 의해 생성된 기본 고조파 (1000-1100 nm) 에서의 대역폭은 80 % 를 초과하지 않고, 2차 고조파 (500-550 nm) 의 파장에서 단지 약 50 % 에 도달한다.

따라서, 기술된 방식으로 제조된 광학 엘리먼트는 재료의 효율적인 처리에 필요한 충분한 대역폭을 갖지 않는다. 이러한 엘리먼트들을 사용하는 것은 원하는 효과를 얻기 위해 필요한 것보다 적어도 두 배 더 강력한 레이저를 필요로하며, 이는 결과적으로 장비의 비용을 크게 증가시킨다. 또한, 흡수 및 확산으로 인한 엘리먼트에서의 광의 큰 손실이 그것의 수명을 단축시키고, 작업 과정에서 엘리먼트의 특성을 변경하고, 이것은 엘리먼트의 노화로 인해 발생하는 빔의 형성에서의 변화로 인한 장비의 재조정을 요구한다.

US 2014/153097 은 유도된 복굴절에 의한 편광 변환기를 생성할 목적으로 용융된 실리카에서 서브파장 격자를 암호화하는 일반적인 원리를 설명한다.

US 7,438,824 B2 중 하나에 해당하는 이러한 원리는 편광 상태의 정의된 공간 분포를 갖는 출구 광 빔을 생성하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 변환기는 레이저 방사의 에너지의 공간 분포를 조작할 수 없다.

본 발명의 목적은 광 빔의 수정을 위한 공간적으로 변조된 파장판의 대역폭을 증가시키는 것이다. 이러한 목적을 위해, 320 nm 에서 2000 nm 까지의 파장에서 75 % 범위 이상의 광 투과율을 가진, 나노 평면으로부터 형성된 공간적으로 변조된 파장판을 제조하는 것이 모색되고 있다.

제안된 발명에 따르면, 작업 솔루션의 본질은 공간적으로 변조된 파장판의 제조 방법이며, 그 방법은 가우시안 강도 분포를 갖는 선형 편광 극초단 펄스 레이저 방사 (Ultrashort Pulse Laser Radiation) 빔의 USPLR 빔에 투명한 워크피스의 재료에의 포커싱, 워크피스에서의 USPLR 빔 초점 좌표에 따라, 워크피스 재료에서의 USPLR 편광의 방향을 동시에 변경하면서, 사전 설정된 법칙에 따라 USPLR 빔의 포커싱된 초점에 대해 상기 투명 재료 워크피스의 제어된 이송으로서, 포커싱된 USPLR 빔의 영향을 받는 워크피스 재료의 스폿에서의 나노 평면들의 형성 및 USPLR 파장보다 짧은 주기를 갖는 주기적 구조로의 그들의 자체 조직화가 발생하고, 여기서 형성된 주기적 구조는 USPLR 편광에 수직으로 배향되고 100 배 이상 USPLR 의 상기 파장보다 더 긴, USPLR 전파의 방향을 따른 워크피스 재료에서의 스폿을 가정하는, 상기 제어된 이송, 형성된 나노 평면 구조가 워크피스 재료 공간에 위치하고 특성 위상 지연을 갖는 복굴절 광학 엘리먼트로 기능하도록 포커싱된 USPLR 빔 초점 영역, 펄스 반복의 빈도, 그 에너지 및 워크피스 이동 속도의 선택을 포함하고, 여기서 워크피스 재료에 포커싱된 USPLR 펄스의 펄스 지속기간은 500 fs 에서 2000 fs 이고, 그들의

반복주기는 1 μs 에서 50 μs 까지이고, 포커싱된 USPLR 펄스 에너지의 밀도는 초점 영역의 일부에서만 영향을 받은 재료의 특성에 의해 결정된 임계값을 초과하며, USPLR 빔의 상기 선형 편광 펄스를 워크피스에 순차로 전달하며, 여기서, 상기 시퀀스에서 선택된 펄스의 수는 워크피스 재료에서 나노 평면 구조의 형성을 보장하도록 하는 것이다.

USPLR 빔 펄스 에너지 밀도가 영향을 받은 재료의 특성에 의해 결정된 임계 값을 초과하는 초점 영역의 부분은 피크 위치로부터의 강도 분포의 편차로 정의되며, 상기 편차는 -σ/2 에서 σ/2 까지의 범위 내에 있다.

USPLR 빔 펄스를 포함하는 시퀀스의 에너지는 주기적인 나노 평면 구조가 형성되는 초점 영역의 상기 부분에 축적되며, 0.2 와 0.3 μJ 사이이다.

나노 평면 구조의 형성을 위한 시퀀스에서 선형 편광된 USPLR 펄스의 수는 1000 에서 2000 까지의 범위에서 선택된다.

본 발명에 따라 제안된 공간적으로 변조된 파장판들의 제조 방법은 그들의 광 대역폭을 증가시키고 320 nm 내지 2000 nm 의 파장 범위에서 75 % 이상의 광학 투명도를 달성하는 것을 허용한다. 공간적으로 변조된 파장판의 광 손실이 감소됨에 따라, 그것은 적어도 두 배의 강도의 빔을 형성하는 데 사용될 수 있다. 넓은 파장 범위에서 투명도가 75 % 이상에 도달한다는 사실에 기인하여, 동일한 엘리먼트들이 사용되어 메인 주파수 뿐아니라 2 차 및 심지어 3 차 고조파에 대한 레이저 광 빔을 형성할 수 있다. 이러한 방식으로, 레이저 방사의 상이한 고조파에서 동일한 효과를 얻기 위해 다수의 공간적으로 변조된 파장판을 제조할 필요가 없다. 또한, 나노 평면 구조의 안정한 형성을 위해, USPLR 펄스 에너지 밀도는 임계 에너지 (E_si) 를 15 % 이하 만큼 초과하며, 이것은 그의 광학 투명도가 그것이 만들어지는 재료의 투명도와 약간 상이한 광학 엘리먼트를 포맷하는 것을 허용한다. 워크피스의 부피에 내장된 나노 구조는 가우시안 분포를 가진 입사 광 빔을 편광 상태와 광 강도의 양자 모두의 정의된 공간 분포를 가진 출사 광 빔으로 변환하는 광학 엘리먼트의 생성을 허용한다 (도 7).

본 발명은 도면을 통해 더 자세히 설명되며,
여기서 도 1 은 제안된 공간 변조 파장판 제조 방법을 구현하는 데 사용되는 장치의 주요 블록 차트를 보여준다.
도 2 는 빔 축으로부터의 편차에 따라, 포커싱된 USPLR 빔 강도의 분포를 보여준다; 좌표가 축에서 0.5σ 만큼 벗어나면 (여기서 σ 는 평균 편차), 강도는 축에서의 최대 값으로부터 0.88 이다.
도 3 은 나노 플레이트로부터의 주기적 구조의 형성을 위해 필요한 포커싱된 USPLR 빔 강도 분포의 일부를 보여준다.
도 4 는 결함에서의 USPLR 임펄스 에너지 축적의 효과를 보여준다.
도 5 는 주기적 구조의 형성에 대한 임계 값을 10 % 만큼 초과하고 1000 펄스의 에너지를 축적함으로써, 본 출원에서 제안된 방식으로 설명된 광학 엘리먼트의 스펙트럼 대역폭 뿐아니라, 측정 엘리먼트의 워크피스가 만들어지는 자외선 유리 UVFS 의 대역폭을 보여준다.
도 6 은 애플리케이션에서 제안된 방식으로 제조된 광학 엘리먼트를 보여 주며, 그것의 스펙트럼 대역폭은 도 5 에 도시되어 있다.
도 7 은 가우시안 입사 빔에서 얻은 출사 광 빔의 공간 분포의 예를 보여준다.

공간적으로 변조된 파장판의 제조를 위한 제안된 방법은 다음과 같은 일련의 동작들을 포함한다: 가우스 법칙에 따른 강도 분포와 선형 편광을 사용하여 극초단 펄스 레이저 방사 모드 TEM₀₀ (USPLR) 의 방사 빔을 상기 빔에 대해 투명한 재료의 워크피스에 포커싱하는 것. 추가 엘리먼트들은 편광 벡터의 방향들을 설정한다. 워크피스 재료에 포커싱된 USPLR 의 지속기간은 500 fs 로부터 2000 fs 까지의 범위 내에서 선택되며, 그들의 반복주기는 1 μs 에서 50 μs 까지의 범위 내에서 선택된다. 단일 펄스의 에너지와 초점 허리의 영역은 초점 영역의 작은 부분만이 나노 평면으로부터의 구조의 형성에 대한 임계값을 초과하도록 선택된다. 이러한 펄스의 에너지 밀도는 -σ/2 에서 σ/2 까지의 범위의 최대 위치로부터 강도 분포의 편차에 의해 정의되는, 초점 영역의 상기 부분에서 영향을 받은 재료의 특성에 의해 결정된 임계 값보다 15 % 이하 위에 있다. 워크피스는 궤적 세트에 따라 초점과 관련하여 이동되며, 해당 궤적의 각 지점에서, 포커싱된 USPLR 편광의 필요한 방향과 나노 평면 구조의 배향을 설정한다. 포커싱된 USPLR 빔 초점의 면적, 펄스 반복의 빈도, 그들의 에너지 및 워크피스 이동의 속도는 결과적인 나노 평면 구조들이 워크피스 재료의 공간에 배열되고, 그것들에 특징적인 위상 지연을 갖는 복굴절 광학 엘리먼트로서 작용하도록 하는 방식으로 선택된다. 이런 식으로, 나노 평면들의 하나 이상의 층들이 기록된다. 주기적인 나노 평면 구조가 형성되는, 초점 영역의 상기 부분에 축적되는 임펄스 에너지는 0.2 에서 0.3 μJ 까지의 범위에 있다. 나노 평면 구조의 형성은 펄스 수가 1000 에서 2000 사이의 범위인 선형 편광 USPLR 펄스 시퀀스를 요구한다.

도 1 은 제안된 공간 변조 파장판 제조 방법을 구현하는 데 사용되는 장치의 주요 블록 차트를 보여준다. 이 장치는 USPLR 빔에서 편광 벡터의 방향을 설정하기 위한 반파 (λ/2) 위상 플레이트 (3) 이 그의 광학 경로에 배치되는, 가우시안 강도 분포의 극초단 펄스 레이저 방사선의 빔 (2) 을 생성하는 레이저 소스 (1) 를 포함한다. 포커싱 옵틱 (4) 이 플레이트 (3) 뒤에 배치되어 레이저 방사선 빔 (2) 을 USPLR 빔에 대해 투명한 재료의 워크피스 (5) 로 향하게 하고, 그 안에 나노 평면들 (6) 의 자체 조직화 주기적 구조들이 생성되며, 그것들은 설정된 궤적 (7) 에 배열된다. 워크피스를 3 개의 공간 방향 (8) 으로 이동시키기 위한 포지셔닝 장치도 제공된다.

본 발명에 따라 제안된 공간 변조 파장판들의 제조 방법에서, 가우시안 (정규) 법칙 (9) 에 따라 포커싱된 빔 초점에 그의 강도가 분포되는 펄스들로 그것들을 생성함으로써 재료에서 생성된 결함들이 축적되고, 그 에너지는 나노 평면 형성 및 자체 조직화 임계 값 (10) 을 약간만 (15 % 이하) 초과한다. 이러한 강도의 펄스는 영향을 주는 광 파동에 투명한 재료의 워크피스로 향하고 필요한 광학 활동의 나노 평면 구조가 형성 될 때까지 주기적으로 반복된다. 반복 주기는 펄스 사이의 시간 동안, 결함의 형성과 관련된 모든 프로세스가 종료되도록 선택된다: 전자의 방출 - 엑시톤의 형성, 엑시톤의 자체 트랩핑 (STE 의 형성), 격자로의 에너지 전달 (열 공정), 및 실리콘-산소 결합의 이완. 적어도 1 μs, 즉 이러한 모든 프로세스가 종료되기 위해, 레이저 펄스 반복 주파수가 1 MHz 를 초과하지 않아야 한다. 광학 엘리먼트의 작동은 공간에서 나노 평면 구조의 레이아웃에 기초하며, 여기서 그 엘리먼트의 각 지점에서, 나노 평면은 레이저 빔에서의 레이저 방사 에너지 및 위상의 분포의 요건에 따라 설정된 법칙에 따라 배향된다. 나노 평면 구조 형성 임계 값 아래에 위치한 에너지 부분 (11) 은 중심의 형성과 같은 설명된 효과의 축적에 영향을 주지만, 빛의 복굴절은 그 영역이 평균 편차의 절반 (σ/2) 으로 제한되는 가우시안 분포 부분을 초과하지 않는 펄스 피크 (12) 로 인해서만 발생한다. 빔에 가장 효과적인 방식으로 영향을 미치는 나노 평면 구조를 배향할 수 있기 위해, 먼저 구조 (13) 가 생성되고 있는 스폿에 재료 결함을 축적시켜야 하며, 그 후 임계 값 (10) 을 초과하는 에너지 (11) 를 그 스폿에 조준함으로써, 나노 평면 구조가 타겟에서 형성되고 자체 조직화되는 것을 달성하며, 그 배향은 상기 임계 값을 초과하는 펄스의 편광에 수직이다. 이것은 빔 초점과 관련하여 워크피스를 이동시킴으로써 달성된다. 그런 다음, 가우시안 분포 (14) 에 대응하는 볼록한 에너지를 갖는 연속적인 후속 임펄스들의 시작부에서, 증가하는 순서로, 구조 형성 및 자체 조직화 임계 값 (10) 을 초과하는 펄스가 타겟 영역 (15) 으로 이동할 때까지 필요한 결함들이 재료에 축적되고, 이러한 펄스의 시퀀스 (16) 는 원하는 방향 및 효율의 나노 평면 구조를 생성한다. 후속 레이저 펄스들은 내림차순으로 결함들을 계속 축적하며, 이들은 구조의 광학 효율을 증가시킨다. 이러한 잔류 효과가 너무 많이 축적되지 않는 것이 중요하며, 이는 바람직하지 않은 광 흡수 및 확산 중심을 초래하기 때문이다. 구조 형성 펄스들의 수가 1000 과 2000 사이 일 때 그것들 내의 손실들을 증가시키지 않는 적절한 구조 성능이 달성될 수 있다. 광 초점 면적, 펄스 반복 주파수, 그것의 에너지 및 워크피스 이동 속도의 적절한 조합을 선택함으로써, 생성된 나노 평면 구조가 복굴절로서 최대 효율로 기능하고 광 확산 및 흡수가 최소가 되도록 할 수 있다. 그러한 기록의 효과성은 주기적 구조의 형성에 대한 임계 값을 10 % 만큼 초과하고 1000 펄스의 에너지를 축적함으로써, 본 출원에서 제안된 방식으로 설명된, 곡선의 광학 엘리먼트의 스펙트럼 투명도 (17) 뿐아니라, 측정 엘리먼트의 워크피스가 만들어지는 자외선 유리 UVFS 의 투명도 (18), 및 본 출원에서 제안된 대로 제조된 광학 엘리먼트의 이미지 (19) 에 의해 나타내어 진다.

Claims

공간 변형 파장판들의 제조를 위한 방법으로서,
- 가우시안 강도 분포를 갖는 선형으로 편광된 극초단 펄스 레이저 방사 (USPLR) 빔을 상기 USPLR 빔에 투명한 워크피스의 재료에 포커싱하는 단계,
- 상기 워크피스에서의 USPLR 빔 초점 좌표들에 따라, 상기 워크피스 재료에서의 USPLR 편광의 방향을 동시에 변경하면서, 미리 결정된 규칙에 따라 상기 USPLR 빔의 포커싱된 초점에 대해 투명한 재료의 상기 워크피스의 제어된 변위를 수행하는 단계로서, 포커싱된 상기 USPLR 빔에 의해 영향을 받는 상기 워크피스 재료의 스폿들에서의 나노 플레이트들의 형성 및 USPLR 파장보다 짧은 주기를 갖는 주기적 구조들로의 그들의 자체 조직화 (self-organization) 가 발생하고, 형성된 상기 주기적 구조들은 상기 USPLR 편광에 수직으로 배향되고 100 배를 초과하는 USPLR 의 상기 파장보다 더 긴, USPLR 전파의 방향을 따른 상기 워크피스 재료에서의 영역을 커버하는, 상기 제어된 변위를 수행하는 단계,
- 형성된 나노 플레이트 구조들이 워크피스 재료 공간에 위치하고 그들의 특성 위상 지연을 갖는 복굴절 광학 엘리먼트들로서 기능하도록 포커싱된 USPLR 빔 초점 영역, 펄스 반복의 주파수, 그의 에너지, 및 워크피스 이동 속도의 선택 단계를 포함하고,
상기 워크피스 (5) 재료에 포커싱되는 USPLR 빔의 선형으로 편광된 펄스들은 다음의 파라미터들로 형성되며:
상기 워크피스 (5) 재료에 포커싱된 USPLR 펄스들의 펄스 지속기간은 500 fs 에서 2000 fs 까지이고, 그들의 반복주기는 1 μs 에서 50 μs 까지이며,
포커싱된 USPLR 펄스 에너지의 밀도는 -σ/2 에서 σ/2 까지의 범위의 최대 위치로부터 강도 분포의 편차에 의해 정의되는, 상기 초점 영역의 부분에서만 및 임계 레벨의 15 % 이하만큼 상기 임계 값 (10) 을 초과하며,
상기 파라미터들을 갖는 USPLR 빔의 형성된 선형으로 편광된 펄스들은 시퀀스들로 상기 워크피스 (5) 로 전달되며, 시퀀스 (16) 에서의 펄스들의 선택된 수는 상기 재료에서 생성된 결함들이 상기 시퀀스에서 펄스에서 펄스로 누적된다는 사실에 기인한 효과로 인해 상기 워크피스 재료에서의 나노 플레이트 구조 (6) 의 형성을 보장하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공간 변형 파장판들의 제조를 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
주기적 나노 플레이트 구조 (6) 가 형성되는, 상기 초점 영역의 상기 부분에 축적되는, USPLR 빔 펄스들을 포함하는 상기 시퀀스의 에너지는 0.2 μJ 에서 0.3 μJ 까지인 것을 특징으로 하는 공간 변형 파장판들의 제조를 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나노 플레이트 구조 (6) 의 형성을 위한 상기 시퀀스 (16) 에서의 선형으로 편광된 USPLR 펄스들의 수는 1000 에서 2000 까지의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 공간 변형 파장판들의 제조를 위한 방법.