ES2967211T3

ES2967211T3 - Mecanizado por láser del interior de materiales

Info

Publication number: ES2967211T3
Application number: ES20701104T
Authority: ES
Inventors: David Myles; Lewis Fish; Patrick Salter; Martin Booth
Original assignee: Opsydia Ltd
Current assignee: Opsydia Ltd
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2024-04-29
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: JP7241897B2; JP2023076427A; WO2020161462A1; EP4269056A2; US20220111469A1; EP3921111B1; KR20240006714A; EP3921111A1; JP2022520546A; KR102623898B1; JP7569397B2; GB2581172B; EP4269056A3; GB201901635D0; KR20210124309A; GB2581172A; EP3921111C0

Abstract

Un sistema láser para modificar una muestra para formar una región modificada en una ubicación objetivo dentro de la muestra, estando dispuesta la ubicación objetivo debajo de una superficie de la muestra, comprendiendo el sistema láser: una fuente de luz láser configurada para proporcionar luz láser; un portamuestras para soportar la muestra; uno o más elementos ópticos configurados para dirigir la luz láser desde la fuente de luz láser hacia la muestra cuando la muestra está soportada por el soporte de muestra, en donde uno o más elementos ópticos están configurados para enfocar la luz láser hacia la muestra, y en donde el uno o más elementos ópticos incluye un componente configurado para corregir la aberración esférica causada por un desajuste en el índice de refracción en la superficie de la muestra a través de la cual la luz láser ingresa a la muestra de manera que la luz láser se enfoca en la ubicación objetivo dentro de la muestra, un dispositivo de medición de inclinación configurado para medir un ángulo de inclinación de la superficie de la muestra con respecto a un eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie, y un mecanismo de accionamiento para mover el soporte de muestra y/o uno o más de los elementos ópticos basado en el ángulo de inclinación medido para corregir la aberración del coma causada por el ángulo de inclinación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Mecanizado por láser del interior de materiales

Campo

La invención se refiere a un sistema láser para mecanizar con láser el interior de materiales, particularmente un sistema para formar una región modificada dentro de una muestra. El sistema láser es especialmente útil para marcar piedras preciosas, especialmente piedras preciosas de diamantes.

Antecedentes

El mecanizado por láser es un proceso que se utiliza ampliamente en la industria. Los avances de la investigación en esta área durante la última década han llevado el procesamiento láser a escalas de longitud mucho más pequeñas. Esto ha sido posible mediante la utilización de láseres pulsados que utilizan duraciones de pulso en el rango de cientos de femtosegundos a unos pocos picosegundos y enfocan a través de lentes de alta apertura numérica. La combinación de confinamiento de energía en las dimensiones temporal y espacial conduce a altas intensidades focales instantáneas que crean modificaciones materiales a través de procesos ópticos no lineales. Por lo tanto, los efectos del procesamiento se pueden limitar a las regiones focales.

Por lo tanto, es deseable mejorar el control sobre el tamaño y la forma de los focos láser dentro de un material para mejorar el grado de control proporcionado a las técnicas de mecanizado por láser. Sin embargo, la presencia de un material en la trayectoria de un rayo láser afecta necesariamente al láser (por ejemplo, por refracción y/o reflexión).

En consecuencia, cuando se intenta enfocar dentro de un material, el propio material deteriora el enfoque del láser dentro del material.

Simmonds el al. (Optical Express, vol. 19, 12 de noviembre de 2011) han descrito previamente la microfabricación por láser tridimensional en diamante utilizando un sistema de óptica adaptativa dual. Se describe que la fabricación con láser de femtosegundo de estructuras tridimensionales controladas en lo profundo de la masa de diamante se ve facilitada por un sistema de óptica adaptativa dual. Se utiliza un espejo deformable en paralelo con un modulador de luz espacial de cristal líquido para compensar las aberraciones extremas producidas por la disparidad del índice de refracción entre el diamante y el medio de inmersión objetivo. Se muestra que la compensación de la aberración es importante para la creación determinista de características a escala micrométrica a profundidades superiores a 50 pm, y el enfoque de óptica adaptativa dual demuestra una mayor eficiencia de fabricación en relación con los experimentos que utilizan un único elemento adaptativo.

El documento WO2017/130111 A1 describe un método para el procesamiento por láser de materiales transparentes o parcialmente transparentes enfocando la radiación láser en una superficie o dentro de una pieza de trabajo de material para crear regiones procesadas alargadas y compensando las aberraciones inducidas mientras se enfoca la luz dentro de la pieza de trabajo. Este documento describe el preámbulo de la reivindicación 1.

El documento US 4.200.506 describe un método para proporcionar marcas de identificación permanentes a piedras preciosas irradiando la piedra preciosa con protones en un patrón deseado.

Compendio

La luz enfocada desde una lente del objetivo hacia una muestra tendrá una aberración respecto de su enfoque ideal debido a la refracción en la superficie de la muestra. Cuanto mayor sea la diferencia entre los índices de refracción del medio de inmersión (por ejemplo, aire, aceite, etc.) y la muestra, mayor será el efecto aberrante en el foco. Por lo tanto, la corrección determinada tiene en cuenta los efectos de la refracción en la superficie de la muestra para contrarrestar el efecto aberrante destructivo de la muestra. Diferentes factores pueden contribuir a diferentes tipos de aberraciones (o modos de aberración) en el foco.

La aberración esférica es causada por la falta de coincidencia entre el índice de refracción de la muestra y el medio de inmersión de la lente del objetivo de enfoque. La aberración esférica conduce a una pérdida de resolución y eficiencia energética de la fabricación y aumenta con la profundidad de enfoque. Este problema es particularmente pronunciado para la fabricación en diamante debido al alto índice de refracción del material (2,4) y la necesidad de utilizar ópticas de alta apertura numérica (NA) para obtener la resolución más alta. Como se describe en la sección de antecedentes, Simmonds et al. presentan una solución de óptica adaptativa dual que compensa la aberración esférica dependiente de la profundidad, lo que permite la fabricación de características compactas en lo profundo de una muestra de alto índice de refracción, tal como el diamante.

Otro tipo de aberración se conoce como aberración del coma. Una superficie que está inclinada con respecto a una lente del objetivo de enfoque normalmente no permitirá un foco ideal y, en cambio, distorsionará el foco por aberración del coma. Por lo general, la superficie incidente se nivela lo más posible y se acepta la distorsión resultante, pero para algunas aplicaciones (por ejemplo, enfocar dentro de una piedra preciosa) puede ser difícil obtener una superficie perfectamente nivelada, o puede ser ventajoso enfocar a través de un ángulo inclinado. superficie. Por tanto, al medir la inclinación de la muestra, se pueden contrarrestar sus efectos sobre el foco aplicando una corrección.

Por lo tanto, se ha descubierto que, para el mecanizado subsuperficial preciso de materiales, en particular aquellos que tienen un alto índice de refracción, tales como piedras preciosas de diamante, es deseable corregir tanto la aberración esférica como la aberración del coma para mejorar la eficiencia de enfoque. La aberración esférica se puede corregir mediante uno o más elementos ópticos. Para la aberración del coma, se proporciona un sistema láser que incluye un dispositivo de medición de la inclinación configurado para medir un ángulo de inclinación de la superficie de la muestra con respecto a un eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie. Después se puede corregir la aberración del coma debida al ángulo de inclinación. Una opción es utilizar un elemento óptico activo para corregir tanto la aberración esférica como la aberración del coma. Sin embargo, otra opción implica desacoplar la corrección de aberración esférica de la corrección de aberración del coma. Se pueden proporcionar uno o más elementos ópticos que incluyen un componente configurado para corregir la aberración esférica causada por una falta de coincidencia en el índice de refracción en la superficie de la muestra a través de la cual la luz láser se introduce en la muestra, de manera que la luz láser se enfoca en la ubicación objetivo dentro de la muestra. Además, se puede proporcionar un dispositivo de medición de inclinación que esté configurado para medir un ángulo de inclinación de la superficie de la muestra con respecto a un eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie, y se proporciona un mecanismo de accionamiento para mover el soporte de muestra y/o uno o más de los elementos ópticos basándose en el ángulo de inclinación medido para corregir la aberración del coma producida por el ángulo de inclinación.

Por lo tanto, según una configuración como se describe en el presente documento, se proporciona un sistema láser para modificar una muestra para formar una región modificada en una ubicación objetivo dentro de la muestra, estando dispuesta la ubicación objetivo debajo de una superficie de la muestra, comprendiendo el sistema láser:

una fuente de luz láser configurada para proporcionar luz láser;

un soporte de muestra para soportar la muestra;

uno o más elementos ópticos configurados para dirigir la luz láser desde la fuente de luz láser hacia la muestra cuando la muestra está soportada por el soporte de muestra, en donde uno o más elementos ópticos están configurados para enfocar la luz láser dentro de la muestra, y en donde el uno o más elementos ópticos incluyen un componente configurado para corregir la aberración esférica causada por la falta de coincidencia en el índice de refracción en la superficie de la muestra a través de la cual la luz láser se introduce en la muestra, de manera que la luz láser se enfoca en la ubicación objetivo dentro de la muestra,

un dispositivo de medición de inclinación configurado para medir un ángulo de inclinación de la superficie de la muestra con respecto a un eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie,

y un mecanismo de accionamiento para mover el soporte de muestra y/o uno o más de los elementos ópticos en función del ángulo de inclinación medido para corregir la aberración del coma causada por el ángulo de inclinación.

El mecanismo de accionamiento se puede configurar para mover el soporte de muestra en función del ángulo de inclinación medido para reducir el ángulo de inclinación de la superficie de la muestra y así corregir la aberración del coma. Es decir, el soporte de muestra se puede girar para reducir o eliminar la inclinación de la muestra y así reducir o eliminar la aberración del coma. Alternativamente, o adicionalmente, el mecanismo de accionamiento se puede configurar para mover uno o más elementos ópticos con el fin de inclinar el eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie de la muestra, reduciendo así el ángulo de inclinación y corrigiendo la aberración del coma. Por ejemplo, se pueden girar uno o más de los elementos ópticos para reducir o eliminar la inclinación de la luz láser con respecto a la superficie de la muestra y así reducir o eliminar la aberración del coma.

Todavía alternativamente, el mecanismo de accionamiento se puede configurar para mover uno o más elementos ópticos para crear una cantidad de coma que anule la aberración del coma inducida por la muestra causada por el ángulo de inclinación. En este caso, el ángulo inclinación no se elimina sino que la aberración del coma inducida por la muestra causada por la inclinación se compensa introduciendo una cantidad igual y opuesta de coma en la luz láser.

Como tal, se apreciará que la aberración del coma se puede reducir o eliminar moviendo mecánicamente (rotando y/o trasladando) la muestra y/o uno o más elementos ópticos en el sistema láser basándose en una medición de inclinación.

La aberración esférica también se puede corregir de varias formas diferentes. En una configuración, uno o más elementos ópticos incluyen una lente con un collar de corrección ajustable para corregir la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo. Alternativamente, uno o más elementos ópticos pueden incluir una lente con una corrección fija para la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo. Aún alternativamente, uno o más elementos ópticos pueden incluir una lente y una placa de fase configurada para corregir la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo. Aún otra alternativa es que uno o más elementos ópticos incluyan una combinación de lentes configuradas para introducir una aberración esférica en la luz láser que se anula parcial o totalmente por la aberración esférica causada por una falta de coincidencia en el índice de refracción en la superficie de la muestra. Aún otra alternativa es que uno o más elementos ópticos incluyan un elemento óptico adaptativo configurado para corregir la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo. El elemento óptico adaptativo (o elemento óptico activo) puede incluir un modulador de luz espacial (SLM). Ejemplos de moduladores de luz espaciales incluyen SLM de cristal líquido, tal como SLM de cristal líquido sobre silicio (LCOS SLM). Otros ejemplos incluyen elementos ópticos adaptativos basados en espejos, tales como dispositivos de microespejos digitales/dispositivos de espejos deformables. A veces, estos dispositivos basados en espejos también pueden denominarse SLM basados en espejos. Como tal, modulador de luz espacial se puede utilizar como un término general para dichos dispositivos y no se limita necesariamente a dispositivos SLM basados en cristal líquido y espejos.

Uno o más elementos ópticos se pueden preconfigurar para corregir la aberración esférica dentro de un tipo específico de material a una profundidad objetivo fija. Alternativamente, uno o más elementos ópticos son ajustables para corregir la aberración esférica dentro de diferentes materiales de muestra y/o a diferentes profundidades objetivo. Por ejemplo, el sistema láser puede incluir un controlador de aberración esférica configurado para ajustar automáticamente uno o más elementos ópticos para corregir la aberración esférica basándose en una o ambas de una base de datos de correcciones disponibles y una medición óptica de la muestra.

Es ventajoso que la fuente de luz láser esté configurada para proporcionar luz láser pulsada de menos de 10 picosegundos, más preferiblemente de menos de 1 picosegundo. La luz láser pulsada ultracorta de enfoque preciso permite el procesamiento preciso de materiales subsuperficiales sin modificar la superficie de la muestra. La fuente de luz láser también se puede configurar para proporcionar luz láser pulsada con energías de pulso de entre 10 nJ y 300 nJ. La energía específica dependerá de la muestra de material a procesar.

Además, uno o más elementos ópticos están configurados para enfocar la luz láser dentro de la muestra con una apertura numérica de al menos 0,8, 1 o 1,2. Para un marcado determinista altamente repetible, el láser se debe enfocar con una apertura numérica alta debajo de la superficie de la muestra. Esto podría ser con un objetivo de inmersión en aire, agua o aceite. Sin embargo, cuando se enfoca debajo de la superficie de la muestra con una apertura numérica alta, las aberraciones son una preocupación importante. De ahí la necesidad de realizar correcciones como se describe en este documento.

El sistema láser se puede configurar para marcar piedras preciosas tales como diamantes. En este sentido, la óptica y el hardware/software de control se pueden preconfigurar para marcar dichas piedras preciosas. Por ejemplo, el soporte de muestra se puede configurar para contener piedras preciosas y la óptica se puede configurar para un material de piedra preciosa específico, tal como el diamante.

Una característica ventajosa de los sistemas y métodos descritos en el presente documento es que son capaces de mecanizar eficientemente marcas extremadamente pequeñas y también marcas más grandes en una gama de diferentes profundidades dentro de un material como el diamante. Esto puede resultar ventajoso para el marcado de seguridad de piedras preciosas de diamantes. Se considera ventajoso poder proporcionar una marca que sea visible con una lupa de aumento de 10x para identificar una piedra preciosa de diamante. Sin embargo, estas marcas visibles potencialmente se podrían copiar. Como tal, para aumentar la seguridad, el sistema como se describe en el presente documento también es capaz de proporcionar una segunda marca que no es visible con una lupa de aumento de 10x pero que sí es visible con un aumento mayor.

A la luz de lo anterior, el sistema láser se puede utilizar para proporcionar una piedra preciosa de diamante que comprende:

una primera marca dispuesta a una primera profundidad debajo de una superficie de la piedra preciosa de diamante; y

una segunda marca dispuesta a una segunda profundidad debajo de la superficie de la piedra preciosa de diamante,

donde la primera marca es visible con una lupa de aumento de 10x, y

en donde la segunda marca no es visible con una lupa de aumento de 10x pero que es visible con un aumento mayor.

La primera marca y la segunda marca pueden estar dispuestas a diferentes profundidades debajo de la superficie. Por ejemplo, la diferencia de profundidad entre la primera y la segunda marca puede ser de al menos 30 micrómetros. Además, la primera marca y la segunda marca se pueden superponer cuando se ven a través de la superficie. En este sentido, el sistema descrito en el presente documento es capaz de fabricar dichas marcas con tamaños significativamente diferentes y a profundidades significativamente diferentes. Al proporcionar las marcas en la misma posición lateral pero a diferentes profundidades, la primera marca visible se puede utilizar para localizar la segunda marca que solo es visible con un aumento mayor y, por lo tanto, es más difícil de encontrar sin la primera marca como guía.

La primera marca puede comprender al menos una línea o punto que tiene una anchura paralela a la superficie superior a 2 micrómetros y/o una pluralidad de líneas con una separación inferior a 10 micrómetros en una dirección paralela a la superficie. El tamaño total de la primera marca puede ser superior a 100 micrómetros, más preferiblemente superior a 200 micrómetros. Por el contrario, la segunda marca puede consistir en una o más líneas o puntos que tienen una anchura paralela a la superficie de no más de 2 micrómetros, más preferiblemente no más de 1 micrómetro.

Cabe señalar que las configuraciones descritas anteriormente reducen o eliminan la aberración del coma moviendo mecánicamente (rotando o trasladando) la muestra y/o uno o más elementos ópticos en el sistema láser basándose en una medición de inclinación. Esto contrasta con una configuración alternativa en donde se utiliza un elemento óptico activo, tal como un modulador de luz espacial (SLM), para corregir la aberración del coma. En dicha configuración alternativa: se coloca una muestra en un sistema láser para su modificación mediante un láser; se mide la inclinación de una superficie de la muestra a través de la cual enfoca el láser; utilizando al menos la inclinación medida, se determina una corrección a aplicar a un elemento óptico activo del sistema láser; y la corrección al elemento óptico activo se aplica para modificar las propiedades del frente de ondas del láser para contrarrestar un efecto del coma en el enfoque del láser, de manera que la modificación por láser de la muestra en la ubicación objetivo utiliza el láser con las propiedades del frente de ondas corregidas para producir la región modificada. En una configuración, se puede utilizar un elemento óptico activo tal como un<s>L<m>para corregir tanto la aberración esférica como la aberración del coma. Sin embargo, las configuraciones como se describen en el presente documento desacoplan estas correcciones de aberración de modo que se proporciona un mecanismo de accionamiento mecánico para mover el soporte de muestra y/o uno o más de los elementos ópticos en función del ángulo de inclinación medido para corregir la aberración del coma causada por el ángulo de inclinación mientras que la aberración esférica se puede corregir mediante uno o más de los métodos descritos en el presente documento. Esto puede resultar ventajoso en determinadas aplicaciones. Por ejemplo, en aplicaciones donde los elementos ópticos activos disponibles (por ejemplo, moduladores de luz espacial) carecen de rango o grados de libertad suficientes para corregir las aberraciones. En determinadas aplicaciones, se puede proporcionar la metodología de accionamiento mecánico en combinación con elementos ópticos activos para aumentar el alcance y los grados de libertad del sistema láser para corregir aberraciones.

Breve descripción de los dibujos

Para ayudar a comprender la presente divulgación y mostrar cómo se pueden poner en práctica las realizaciones, se hace referencia a modo de ejemplo a los dibujos adjuntos en los que:

la Figura 1 muestra un esquema de una parte de un sistema láser que ilustra la inclinación de la muestra que introduce una aberración del coma;

la Figura 2 muestra un esquema de un sistema láser que incluye un láser, dos elementos ópticos y un soporte de muestra que soporta una muestra;

la Figura 3 muestra el sistema láser de la Figura 2, que ilustra que el soporte de muestra (y la muestra soportada por el soporte de muestra) se pueden configurar para girar con el fin de reducir o eliminar la inclinación de la muestra y así corregir la aberración del coma;

la Figura 4 muestra el sistema láser de la Figura 2, que ilustra que los componentes ópticos del sistema se pueden configurar para girar con el fin de reducir o eliminar la inclinación de la muestra (con relación a la luz láser) y así corregir la aberración del coma;

la Figura 5 muestra un esquema de un sistema láser que incluye un láser, tres elementos ópticos y un soporte de muestra que soporta una muestra, en donde al menos uno de los elementos ópticos se puede mover para crear una cantidad de coma que anule la aberración del coma inducida por la muestra causada por un ángulo de inclinación;

La Figura 6 es un esquema que ilustra las marcas formadas dentro de una muestra de diamante a dos profundidades diferentes y con distintos grados de corrección de aberración: (A) profundidad 1, por ejemplo, 100 micrómetros, sin corrección de aberración, número de pulsos elevado, por ejemplo, 10.000, energía de pulso alta, marcado grande no determinista; (B) profundidad 1, corrección de aberración aplicada, número de pulsos bajo, por ejemplo, 5, energía de pulso baja, pequeña marca determinista; (C) profundidad 2, por ejemplo, 200 micrómetros, se aplica la misma corrección de aberración que B, número de pulsos elevado, por ejemplo, 10.000, energía de pulso alta, marcado grande no determinista; (D) profundidad 2, nueva corrección de aberración aplicada para la profundidad 2 en comparación con B, número de pulsos bajo, por ejemplo, 5, energía de pulso baja, pequeña marca determinista;

Las Figuras 7A, 7B, 7C y 7D muestran una pista de grafito escrita dentro de un sustrato de diamante desde diferentes perspectivas;

La Figura 8A muestra un ejemplo esquemático de un foco distorsionado dentro de un sustrato sin utilizar corrección de aberración;

La Figura 8B muestra un ejemplo esquemático de un foco dentro de un sustrato conseguido utilizando corrección de aberración;

Las Figuras 9A y 9B muestran características escritas en un sustrato de diamante, el conjunto de características de la izquierda se escribió utilizando una técnica de corrección de aberración, mientras que el conjunto de características de la derecha se escribió sin utilizar una técnica de corrección de aberración; y

La Figura 10 muestra otro sistema láser para la modificación por láser de una muestra.

Descripción detallada

La presente memoria describe sistemas láser configurados para aplicar corrección de aberración para marcado láser de alta apertura numérica en la mayor parte de muestras, tales como diamantes y otras piedras preciosas.

Al enfocar un láser pulsado ultracorto (menos de 10 ps, preferiblemente subpicosegundos) debajo de la superficie del diamante, es posible hacer marcas visibles aisladas sin ninguna modificación en la superficie del diamante. La combinación de un enfoque ajustado y una longitud de pulso corta conduce a un campo eléctrico en el foco que es suficientemente alto para la absorción no lineal de la luz, ya sea a través de una absorción multifotónica o una ionización de túnel, seguida de una ionización de avalancha. La naturaleza no lineal del proceso significa que la modificación estructural se limita al volumen focal del láser, sin dañar las regiones circundantes ni la superficie de la muestra de material. La naturaleza ultracorta del pulso significa que toda la energía se entrega a la modificación antes de que se pueda difundir a través del calor, lo que hace posibles marcas submicrónicas muy pequeñas.

Cuando el láser rompe la retícula del diamante, induce pequeñas bolsas de carbono unido sp2 que producen elevadas tensiones locales y van acompañadas de agrietamiento local del diamante principalmente a lo largo de los planos 111. Las marcas aparecen oscuras (opacas) sobre un fondo transparente. Esto se debe en parte a la absorción de las regiones grafitadas, pero también a la dispersión debido a la falta de uniformidad local en la estructura.

Las marcas escritas con láser se pueden utilizar como características permanentes para la identificación o marcado de piedras preciosas de diamante, utilizando un código QR™ u otro tipo de código, patrón, número de serie u otro diseño único. Dado que las marcas son conductoras, también se pueden utilizar como cables escritos con láser. Crean una tensión local que genera birrefringencia en el diamante, por lo que también se pueden utilizar para crear estructuras ópticas tales como guías de ondas.

Para un marcado determinista altamente repetible, el láser se debe enfocar con una apertura numérica alta debajo de la superficie del diamante. Esto podría ser con una lente del objetivo de inmersión en aire, agua o aceite. Normalmente, la apertura numérica NA debería estar por encima de 0,8, preferentemente por encima de 1 y, lo más preferentemente, por encima de 1,2. Las aperturas numéricas suelen ser inferiores a 2,0, más habitualmente no superiores a 1,5.

Cuando se enfoca debajo de la superficie del diamante con una apertura numérica alta, las aberraciones son una preocupación importante. Existe una refracción significativa de los rayos de luz en la superficie del diamante debido a la gran diferencia del índice de refracción, que es alta independientemente del medio de inmersión elegido para la lente del objetivo. Los rayos que inciden en diferentes ángulos se refractan en diferentes cantidades, debido a la ley de Snell, y por lo tanto ya no se superponen perfectamente en fase en el foco. De este modo, el sistema ya no está limitado únicamente por la difracción y el foco del láser se distorsiona. La distorsión del foco del láser pierde resolución y contrarresta el efecto de la utilización de una lente de NA alta.

Cuando se produce aberración, la fabricación del láser debajo de la superficie del diamante se vuelve errática, incontrolada y es imposible crear de manera determinista marcas submicrónicas (submicrónicas en la dirección transversal perpendicular al eje óptico del sistema) a una energía y dosis de pulso determinadas. La aberración es principalmente de naturaleza esférica debido a la refracción en la superficie del diamante. La cantidad de aberración esférica se puede calcular analíticamente (ver Booth, 1998, "Journal of Microscopy"). Se ve que la aberración aumenta con la profundidad dentro de la muestra, la NA de la lente de enfoque y la disparidad del índice de refracción (RI).

Otra aberración importante es el coma de primer orden, que está relacionada con una inclinación de la interfaz a través de la cual se enfoca el láser, de modo que no queda perfectamente perpendicular al eje óptico del sistema. La Figura 1 muestra un esquema de una parte de un sistema láser que ilustra la inclinación de la muestra que introduce una aberración del coma.

Se ha demostrado anteriormente (ver Simmonds, "Optic Express", 2011 y la solicitud de patente de Salter Booth, 2017) que estas aberraciones se pueden corregir con éxito utilizando elementos ópticos adaptativos, tales como un modulador de luz espacial (s Lm ) de cristal líquido, para imponer una igual y distribución de fase opuesta al rayo láser antes del objetivo, restaurando el rendimiento limitado de la difracción en el foco y permitiendo un marcado determinista altamente repetible de características submicrónicas en una dosis y energía de pulso determinadas.

Si bien la corrección de aberración óptica adaptativa proporciona una solución flexible para el marcado láser determinista dentro del diamante, no es la única solución. Como se describe en el presente documento, existen otras implementaciones prácticas que pueden proporcionar un rendimiento casi libre de aberraciones y un marcado láser fiable.

La Figura 2 muestra un esquema de un sistema láser que incluye un láser, dos elementos ópticos y un soporte de muestra que soporta una muestra. En lugar de utilizar un elemento óptico adaptativo para corregir la aberración esférica dependiente de la profundidad, hay otras opciones disponibles:

a. Se pueden comprar muchos objetivos de microscopio que contengan un collar corrector para eliminar la aberración esférica al enfocar dentro del vidrio. Normalmente, un elemento de vidrio dentro de la lente se puede moverse a lo largo del eje óptico a medida que se gira el collar, ajustando la aberración esférica a la de una profundidad particular dentro del vidrio. Esta fase de aberración esférica se puede aproximar a la de una profundidad diferente enfocada dentro de una gema y después utilizarse para proporcionar una aberración esférica reducida a esa profundidad.

b. Se pueden comprar muchos objetivos de microscopio que tengan aire como medio de inmersión y que tengan una corrección fija para una profundidad particular dentro del vidrio. Esta fase de aberración esférica se puede aproximar a una profundidad diferente enfocada dentro de una gema y después utilizarse para proporcionar una aberración esférica reducida a esa profundidad.

C. Se puede comprar una placa de fase fija que muestre cualquier fase arbitraria deseada. Por lo tanto, es posible calcular la fase requerida para una lente de profundidad y objetivo particular, después utilizar la placa de fase junto con esa lente para enfocar a esa profundidad dentro de la gema sin aberración esférica.

d. Una combinación de lentes antes de la lente del objetivo se puede alinear y ajustar de manera similar a (a), para proporcionar una aberración esférica en el rayo láser antes del objetivo que se anula parcial o completamente por la aberración esférica generada por refracción en la interfaz del diamante.

Además, en lugar de utilizar un elemento óptico adaptativo para corregir la aberración del coma dependiente de la profundidad relacionada con la inclinación de la muestra, hay otras opciones disponibles:

a. Un mecanismo para medir la inclinación de la muestra (por ejemplo, un microscopio óptico) y después ajustar la inclinación de la muestra con un soporte mecánico tal como un goniómetro o una platina de punta/inclinación hasta que la inclinación sea menor que un valor particular, idealmente menor que 0,5 grados, pero también menor de 1 grado y ciertamente menor de 2 grados. La Figura 3 muestra el sistema láser de la Figura 2, que ilustra que el soporte de muestra (y la muestra soportada por el soporte de muestra) se pueden configurar para girar con el fin de reducir o eliminar la inclinación de la muestra y así corregir la aberración del coma.

b. Un mecanismo para medir la inclinación de la muestra (por ejemplo, un microscopio óptico) y después un mecanismo mecáni

valores descritos anteriormente. A medida que se inclina la lente, el ángulo del láser y/u otros componentes ópticos también se pueden cambiar de modo que el rayo láser permanezca perpendicular al eje posterior de la lente del objetivo. La Figura 4 muestra el sistema láser de la Figura 2, que ilustra que los componentes ópticos se pueden configurar para girar con el fin de reducir o eliminar la inclinación de la muestra y así corregir la aberración del coma.

c. Los elementos ópticos fijos, tales como las lentes, también pueden generar aberración del coma. Una vez que se ha medido la inclinación de la muestra, la aberración del coma se puede compensar trasladando una lente perpendicular al eje óptico para crear la cantidad de coma necesaria para anular la aberración inducida por la muestra. La Figura 5 muestra un esquema de un sistema láser que incluye un láser, tres elementos ópticos y un soporte de muestra que soporta una muestra, en donde al menos uno de los elementos ópticos se puede mover para crear una cantidad de coma que anule la aberración del coma inducida por la muestra causada por un ángulo de inclinación.

d. Un modulador de luz espacial (SLM) u otro elemento óptico adaptativo/activo para corregir (únicamente) la aberración esférica dependiente de la profundidad y una montura mecánica para eliminar la inclinación de la muestra y la aberración del coma. Por ejemplo, uno de los elementos ópticos en el sistema láser de la Figura 5 puede ser un SLM configurado para corregir la aberración esférica.

Las configuraciones y métodos descritos en este documento proporcionan corrección/eliminación de aberración tanto esférica como del coma para un marcado determinista preciso dentro de muestras como, por ejemplo, piedras preciosas. Cualquiera de las opciones descritas anteriormente se puede combinar en un sistema para marcar piedras preciosas. El sistema láser también comprende un láser de pulso ultracorto, una lente del objetivo de alta NA y una etapa de translación en 3D para montar la muestra de gema. La corrección de aberración esférica se puede conseguir utilizando un elemento fijo para permitir marcar a una profundidad específica un material específico. Sin embargo, la corrección de aberración del coma requerirá cierta adaptabilidad para tener en cuenta los errores en el montaje de la muestra.

La Figura 6 es un esquema que ilustra las marcas formadas dentro de una muestra de diamante a dos profundidades diferentes y con distintos grados de corrección de aberración.

La Figura 6(A) ilustra marcas a una profundidad 1, por ejemplo, 100 micrómetros, sin aplicar corrección de aberración. El foco del láser dentro de la muestra de diamante se alarga en una dirección de profundidad con una densidad de energía reducida. Como tal, se requiere un número de pulsos elevado, por ejemplo, 10.000, y una alta energía de pulso para formar marcas en la muestra de diamante. El resultado son marcas grandes y no deterministas, como se ilustra.

Por el contrario, la Figura 6(B) ilustra marcas a una profundidad 1 con corrección de aberración aplicada como se describe en el presente documento. El láser se enfoca con precisión dentro de la muestra de diamante, lo que requiere un número de pulsos bajo, por ejemplo, 5, y una energía de pulso baja para formar marcas en la muestra de diamante. El resultado son marcas pequeñas y deterministas como se ilustra.

La Figura 6(C) ilustra marcas a una profundidad 2, por ejemplo, 200 micrómetros, con la misma corrección de aberración aplicada que en B. Debido al aumento de profundidad, la corrección de aberración es insuficiente. Como tal, el foco del láser dentro de la muestra de diamante se alarga en una dirección de profundidad con una densidad de energía reducida. Como tal, se requiere un número de pulsos elevado, por ejemplo, 10.000, y una alta energía de pulso para formar marcas en la muestra de diamante. El resultado son marcas grandes y no deterministas como se ilustra.

Finalmente, la Figura 6(D) ilustra marcas a una profundidad 2 con una nueva corrección de aberración aplicada para la profundidad 2 en comparación con B. El láser se enfoca con precisión dentro de la muestra de diamante, lo que requiere un número de pulsos bajo, por ejemplo, 5, y una energía de pulso baja para formar marcas en la muestra de diamante. El resultado son marcas pequeñas y deterministas como se ilustra.

Por tanto, será evidente que una característica ventajosa de los sistemas y métodos descritos en el presente documento es que son capaces de mecanizar de manera eficiente marcas extremadamente pequeñas y también marcas más grandes en una gama de diferentes profundidades dentro de un material tal como el diamante. Esto puede resultar ventajoso para el marcado de seguridad de piedras preciosas de diamantes. Se considera ventajoso poder proporcionar una marca que sea visible con una lupa de aumento de 10x para identificar una piedra preciosa de diamante. Sin embargo, estas marcas visibles potencialmente podrían ser copiadas. Como tal, para aumentar la seguridad, el sistema como se describe en el presente documento también es capaz de proporcionar una segunda marca que no es visible con una lupa de aumento de 10x pero que sí es visible con un aumento mayor.

A la luz de lo anterior, también se proporciona una piedra preciosa de diamante que comprende:

en donde la primera marca es visible con una lupa de aumento de 10x, y

en donde la segunda marca no es visible con una lupa de aumento de 10x pero es visible con un aumento mayor.

La primera marca y la segunda marca pueden estar formadas por carbono sp2 grafítico dentro de una retícula de diamante de carbono sp3. Las marcas de diferentes tamaños se pueden fabricar fácilmente utilizando el sistema láser como se describe en el presente documento. La primera marca y la segunda marca pueden estar dispuestas a diferentes profundidades debajo de la superficie. Por ejemplo, la diferencia de profundidad entre la primera y la segunda marca puede ser de al menos 30 micrómetros. Además, la primera marca y la segunda marca se pueden superponer cuando se ven a través de la superficie. En este sentido, el sistema descrito en el presente documento es capaz de fabricar dichas marcas con tamaños significativamente diferentes y a profundidades significativamente diferentes. Al proporcionar las marcas en la misma posición lateral (al menos dentro del mismo marco de visualización) pero a diferentes profundidades, la primera marca visible se puede utilizar para localizar la segunda marca que solo es visible con un aumento mayor y, por lo tanto, es más difícil de encontrar sin la primera marca como guía.

La primera marca puede comprender al menos una línea o punto que tenga una anchura paralela a la superficie superior a 2 micrómetros y/o una pluralidad de líneas con una separación inferior a 10 micrómetros en una dirección paralela a la superficie. El tamaño total de la primera marca puede ser superior a 200 micrómetros. Por el contrario, la segunda marca puede consistir en una o más líneas o puntos que tengan una anchura paralela a la superficie de no más de 2 micrómetros, más preferiblemente no más de 1 micrómetro.

El sistema y método de corrección de aberración descritos pueden conseguir un enfoque láser dentro de la muestra que tenga una relación de Strehl superior a 0,5. El método puede incluir modificar la muestra utilizando un foco láser con una relación de Strehl superior a 0,5. El foco puede tener una relación de Strehl superior a 0,6, superior a 0,7, superior a 0,8 o superior a 0,9. La relación de Strehl se puede entender como una medida de qué tan cerca está un foco de su foco ideal (es decir, limitado por difracción). Un foco láser limitado únicamente por la difracción inherente del sistema de enfoque (es decir, un foco láser del tamaño del límite de difracción) tendría una relación de Strehl de 1. En la práctica, los defectos inherentes a un sistema óptico darán como resultado un foco que no es el tamaño del límite de difracción y que, por lo tanto, tendrá una relación de Strehl inferior a 1. Una relación de Strehl de aproximadamente 0,1 es típica para un láser enfocado, por ejemplo, a una profundidad de 100 ^m en una muestra de diamante para una lente de alta NA. Por lo tanto, la relación de Strehl se puede entender como una medida del efecto de la aberración en un enfoque láser, siendo las relaciones más cercanas a 1 menos afectadas por las aberraciones y fallos en el sistema. También se puede entender como una medida de la eficiencia de un foco determinado.

La relación de Strehl se puede definir como la intensidad focal máxima relativa a aquella cuando no hay aberraciones presentes en el sistema. Cuando un foco simplemente limitado por la difracción tiene una intensidad máxima lo y un sistema real tiene una intensidad máxima lp la relación de Strehl se define como la relación Ip/lo. Si hay aberraciones presentes en un sistema, los errores del frente de ondas difractan la luz alejándola del foco y reducen la intensidad<máxima real lp del máximo teórico I>0<, reduciendo así la relación de Strehl. Si el error del frente de ondas se caracteriza>como una función de fase de aberración ^ , la relación de Strehl S viene dada por:

donde los corchetes en ángulo <...> denotan un promedio sobre una apertura particular en el sistema óptico, tomada aquí como la apertura de la pupila de la lente del objetivo de enfoque. Para un sistema perfecto, el error del frente de ondas es cero (fase plana) y la relación de Strehl es 1. Si el error del frente de ondas aumenta debido a la aberración, la relación de Strehl disminuye. La función de aberración describe todos los errores de fase relacionados con la propagación de la luz hacia el foco y se puede escribir como una suma de polinomios de Zernike, tal como el coma primario, astigmatismo primario esférico y primario. Alternativamente, la función de aberración puede estar compuesta como una suma de otro conjunto de funciones básicas, o como una solución analítica o de cálculo numérico directo para una ubicación de enfoque particular dentro de una muestra conocida.

El método puede comprender medir un foco del láser dentro de la muestra, por ejemplo mediante fotoluminiscencia dentro de la muestra, y modificar la corrección aplicada al elemento óptico activo basándose en el foco medido para mejorar de ese modo la eficiencia del enfoque y/o aumentar la relación de Strehl del foco.

La muestra puede comprender una superficie plana a través de la cual incidirá la luz láser y que provocará la aberración.

Una región modificada puede ser cualquier región dentro de la muestra que haya sufrido cambios debido a la exposición al láser. Normalmente, una región modificada comprenderá diferentes propiedades y puede comprender diferentes propiedades ópticas, estructurales, mecánicas, eléctricas, etc., del material a granel que la rodea.

Un elemento óptico activo es cualquier elemento que pueda modificar dinámicamente las propiedades de la luz que incide sobre él. Por ejemplo, los moduladores de luz espacial (SLM) de cristal líquido, los espejos deformables (o espejos microdeformables) y las lentes adaptativas son elementos ópticos activos que se pueden utilizar para imponer dinámicamente modulaciones que varían espacialmente en el perfil de un rayo láser para controlar de ese modo, por ejemplo, sus propiedades de fase y/o propagación.

Medir la inclinación de la muestra puede incluir medir la inclinación de la superficie de la muestra a partir de la propagación del rayo láser, y/o puede incluir medir la inclinación (es decir, inclinación) con respecto a ambas direcciones horizontales (es decir, las dos dimensiones ortogonales transversales a la propagación del rayo láser). La medición de la inclinación de la muestra puede incluir la medición de la inclinación de la superficie de la muestra desde un plano transversal de la lente del objetivo. Por lo tanto, la medición de la muestra proporciona información sobre qué aberraciones afectarán el foco del sistema.

La medición se puede realizar por cualquier medio adecuado y puede incluir la reflexión de la superficie de la muestra. La medición puede incluir la reflexión desde una pluralidad de puntos sobre la superficie incidente de la muestra.

La medición se puede realizar mediante imágenes. La posición axial correcta para un enfoque óptimo (es decir, una imagen más nítida) de la superficie de la muestra se puede encontrar en tres ubicaciones diferentes. Esto puede tener una precisión axial de aproximadamente 0,5 |jm. Los tres puntos pueden estar separados en dirección transversal por aproximadamente 0,2 mm. La distancia de separación puede ser lo suficientemente grande como para realizar una medición precisa de la inclinación, dado el rango de inclinaciones que se espera que sean importantes. Por ejemplo, una inclinación del diamante en un rango superior a 0,5 grados puede tener efectos significativos en la calidad de un foco dentro de la muestra.

Se pueden utilizar otros métodos para realizar la medición. Si el sistema utiliza un objetivo de inmersión en aceite, se puede utilizar un método similar para realizar la misma medición anterior, pero en lugar de utilizar el foco más nítido para determinar la posición axial de la superficie de la muestra (lo que puede ser un problema con algunas muestras dado que la superficie se puede pulir para que no quede nada claro en la imagen), se puede utilizar el láser para hervir el aceite de inmersión. Es decir, cuando el foco del láser está dentro del aceite de inmersión, el aceite hierve y cuando el foco del láser se mueve dentro de la muestra no se ve nada. En este caso, la energía de pulso estaría por debajo del umbral de fabricación dentro de la muestra. Esta solución tiene aproximadamente la misma precisión axial que el método de imágenes, pero puede ser más fácil de implementar en algunos casos. Sin embargo, solo funciona para lentes con base de aceite.

Otro método para medir la ubicación axial de la superficie de la muestra se basa en la reflexión de la superficie. Esto puede provenir del propio láser de fabricación (cuando la energía de pulso es el umbral de subfabricación) o de una fuente de luz alternativa (por ejemplo, un láser o LED). La superficie de la muestra podrá ubicarse cuando la señal reflejada sea máxima.

Otro método puede incluir observar la generación del tercer armónico (THG) desde la superficie de la muestra, que nuevamente se maximiza cuando la superficie está en el foco de la lente. Se puede utilizar una medición interferométrica con la luz reflejada para proporcionar una medición muy precisa de la posición de la superficie (se necesitaría una fuente coherente alternativa para el interferómetro).

Otro método alternativo es visualizar la reflexión del rayo láser desde la superficie del diamante en una cámara; el desplazamiento transversal de la reflexión en la cámara permite determinar la inclinación de la muestra a partir de una sola medición.

Para determinar la corrección a aplicar se utiliza al menos la inclinación medida. También puede incluir determinar una corrección basada en la profundidad de la región a modificar debajo de la superficie de la muestra. La determinación de una corrección puede incluir la utilización de información relacionada con las propiedades ópticas del material de muestra para tener en cuenta la refracción.

El método puede comprender medir la posición de la muestra dentro del sistema láser; utilizando también la posición medida para determinar la corrección a aplicar; y aplicar la corrección para modificar las propiedades del frente de ondas del láser para contrarrestar un efecto de aberración esférica en el foco del láser. El método puede comprender medir la posición de la superficie de la muestra sobre la que incide el láser para determinar una profundidad de enfoque. El método puede comprender además determinar la corrección basándose al menos en parte en la profundidad de enfoque.

Por lo tanto, además de corregir el coma causado por la inclinación de la muestra, la corrección puede tener en cuenta la aberración esférica. La cantidad de aberración esférica puede ser proporcional a la profundidad de enfoque. La aberración esférica distorsiona un foco puntual en una forma de cúspide y, al hacerlo, mueve una intensidad máxima del foco axialmente hacia la superficie aberrante y lo aleja de su posición ideal. Por lo tanto, un foco afectado por la aberración esférica tendrá una intensidad máxima más cercana a la superficie de la muestra. Este movimiento del foco también se conoce como desenfoque. Midiendo la posición de la muestra, se puede determinar la corrección para contrarrestar los efectos de la aberración esférica. El método puede comprender cambiar la posición axial de la muestra para tener en cuenta el movimiento de la intensidad máxima del foco. El método puede comprender cambiar la posición axial de la muestra para tener en cuenta un componente de desenfoque de la aberración esférica.

Por lo tanto, el método puede incluir la aplicación de correcciones para tener en cuenta los efectos tanto del coma como de la aberración esférica causados por la refracción en la superficie de la muestra.

El método puede comprender medir la muestra después de formar la región modificada y modificar la corrección en función de la medición adicional. El método puede comprender medir la región modificada de la muestra y modificar la corrección en función de la medición de la región modificada. Por lo tanto, el método puede incluir una etapa de retroalimentación durante la cual se ajusta la corrección, por ejemplo, para controlar más estrechamente el tamaño y la forma del foco, y reducir aún más los efectos de la aberración (por ejemplo, la aberración del coma y/o la aberración esférica) en el foco. El ajuste de la corrección puede lograr un índice de Strehl mayor. La medición adicional puede utilizar excitación de fotoluminiscencia no lineal que puede deberse a defectos intrínsecos dentro de la muestra. El método puede comprender detectar los efectos sobre la muestra de la modificación del láser utilizando fotoluminiscencia, emisión o absorción de plasma, o propiedades de reflexión o transmisión.

La etapa de determinar una corrección puede comprender utilizar la inclinación medida en el cálculo para corregir el coma y, cuando corresponda, la posición medida para corregir la aberración esférica. De esta manera, se puede calcular una corrección personalizada para cada muestra.

La etapa de determinar una corrección puede comprender seleccionar la corrección de una base de datos de correcciones disponibles. Por lo tanto, el método puede incluir seleccionar una corrección específica para aplicar cuando, por ejemplo, la inclinación de la muestra esté dentro de un rango predeterminado, y/o la posición de la muestra esté dentro de un rango predeterminado. La base de datos puede comprender una pluralidad de correcciones, cada una para un rango predeterminado de factores.

La corrección se puede definir mediante una expansión de modos ortogonales. Cada modo puede definir un modo de aberración. La corrección puede ser un modo puro o la corrección puede ser una superposición de modos. La corrección se puede definir mediante un polinomio de Zernike o se puede definir mediante una expansión de polinomios de Zernike.

La corrección puede comprender un campo de fase para modular un perfil de rayo láser a un perfil deseado. Por ejemplo, el método puede utilizar un modulador de luz espacial (SLM) de cristal líquido y la corrección puede representar un campo de visualización para un SLM. El método puede utilizar un espejo deformable (DM) y la corrección puede ser una configuración para el espejo deformable. La corrección puede ser una configuración para una lente adaptativa.

La etapa de determinar una corrección puede estar basada al menos en parte en una energía de pulso del láser. Por tanto, la corrección puede tener en cuenta el coma horizontal y vertical, la aberración esférica y la energía de pulso. La energía de pulso se puede seleccionar basándose en la corrección.

El método puede comprender determinar una energía de pulso a utilizar basándose en la corrección y en la muestra, y puede incluir modificar la muestra utilizando un pulso láser de la energía de pulso determinada.

Si la corrección es suficiente, se puede utilizar la misma energía de pulso para fabricar cualquier parte dentro de la muestra y proporcionar el mismo resultado. Este suele ser el caso de los rangos de aberración considerados en esta divulgación. Sin embargo, si la corrección no es suficiente, entonces se puede aumentar la energía de pulso.

Si la corrección no es suficiente, se puede aumentar la energía de pulso para la fabricación. Si la aberración es sustancial y la corrección está lejos de ser suficiente para contrarrestarla completamente, la energía de pulso puede aumentar sustancialmente. En algunos materiales (por ejemplo, particularmente en diamantes), si la corrección es insuficiente, no es posible fabricar de manera precisa y fiable, sin importar cuán alto se eleve la energía de pulso. Por ejemplo, a una profundidad de aproximadamente 250 pm en diamante, incluso si la aberración esférica está perfectamente corregida pero una pequeña aberración del coma (por ejemplo, de aproximadamente 1 rad), no lo está, no se observa experimentalmente la fabricación con láser de pulso único. La energía de pulso puede aumentar mucho y aún así es posible que no se logre la fabricación con un solo pulso. En tal caso, la fabricación no se puede lograr de manera determinista. En cambio, se debe aumentar la dosis (es decir, el número de pulsos por región modificada) y la fabricación resultante es grande (por ejemplo, mayor que 5 pm) y mal definida. Además, la dosis requerida variará de manera impredecible en diferentes lugares dentro del diamante.

Determinar la corrección puede comprender optimizar una función predeterminada. El método puede comprender la utilización de un algoritmo para determinar la corrección en función de diversos factores pertenecientes a la muestra en cuestión. Los factores pueden incluir coma, aberración esférica y energía de pulso. La determinación de la corrección puede comprender seleccionar una corrección deseada a partir de un espacio de búsqueda tridimensional, o de un espacio de búsqueda de cuatro dimensiones o de un espacio de búsqueda de dimensiones superiores basándose en factores que incluyen cualquier combinación de coma vertical, coma horizontal, aberración esférica y energía de pulso. El método puede incluir minimizar una función de coste (y/o maximizar una función de mérito).

El método puede incluir modificar simultáneamente regiones espacialmente separadas dentro de la muestra. El método puede incluir modificar consecutivamente regiones separadas dentro de la muestra utilizando la misma energía de pulso para modificar cada región.

El método puede comprender la modificación por láser de la muestra utilizando una pluralidad de rayos láser y una matriz de focos. El método puede comprender modificar simultáneamente regiones espacialmente separadas de la muestra utilizando respectivos rayos láser. El método puede comprender la utilización de una pluralidad de pulsos, cada pulso de un rayo láser respectivo para modificar las regiones deseadas de la muestra. El método puede incluir formar la pluralidad de rayos antes de la corrección y, por tanto, el método puede incluir la utilización de un único sistema óptico para realizar la corrección de aberración en una pluralidad de rayos láser espacialmente separados. El método puede incluir la creación de una pluralidad de rayos láser de modo que la corrección de aberración y la generación de múltiples rayos sean simultáneas.

La etapa de formar una región modificada puede incluir la utilización de interacciones ópticas no lineales para provocar la modificación del material. El método puede comprender modificar solo material dentro de la mayor parte de la muestra. Por tanto, el método puede incluir no modificar una superficie de la muestra. El método puede incluir modificar la muestra a una profundidad de más de 50 micrómetros, o más de 150 micrómetros, o más de 300 micrómetros.

El método puede comprender formar estructuras complejas dentro de la muestra. Por ejemplo, el método puede comprender formar dentro de la muestra una matriz de características. El método puede comprender mover la muestra durante la modificación con láser para crear una característica de línea dentro de la muestra que puede ser recta o curva o de cualquier forma adecuada. El método puede comprender escanear el láser durante la modificación del láser para crear una característica de línea dentro de la muestra que puede ser recta o curva o de cualquier forma adecuada. El método puede comprender formar un volumen óptico formado por puntos separados y/o puede comprender formar un elemento difractivo. El método puede comprender modificar regiones espacialmente separadas dentro de la mayor parte del material. El método puede comprender hacer visibles características dentro de la muestra. El método puede comprender formar una estructura dentro de la muestra. El método puede comprender formar una característica a gran escala, por ejemplo mayor de 5 micrómetros, o mayor de 20 micrómetros, en al menos una dimensión. El método puede incluir modificar regiones predeterminadas de la muestra para generar un campo de tensión deseado dentro de la muestra. El método puede incluir la creación de características dentro de la muestra que cambian la fase de la luz incidente, características que pueden ser visibles mediante microscopía de contraste de fase o que pueden dispersar la luz, de modo que las características puedan ser visibles en microscopía de campo oscuro. El método puede incluir modificar el índice de refracción de la muestra en una región predeterminada, y puede lograr esto exponiendo esa región al láser, o exponiendo regiones próximas al láser para cambiar un campo de deformación de la región predeterminada para modificar su índice de refracción.

El método puede comprender utilizar una lente de alta apertura numérica (NA) para enfocar el láser dentro de la muestra. Esto puede agravar los efectos de la aberración esférica. El método puede comprender la utilización de una lente del objetivo sin un medio de inmersión (es decir, una lente seca), o puede comprender la utilización de una lente del objetivo con un medio de inmersión (por ejemplo, aceite). El método puede comprender la utilización de una lente del objetivo con una apertura numérica mayor que aproximadamente 0,5. El método puede comprender la utilización de una lente del objetivo con una apertura numérica mayor que aproximadamente 0,8. El método puede comprender la utilización de una lente del objetivo de más de 0,8 NA si está seca, o de más de 1,2 NA si está en inmersión en aceite.

El método puede comprender modificar una piedra preciosa o puede comprender modificar una retícula cristalina. En particular, el método puede comprender la utilización de una muestra que comprende diamante. El diamante puede tener la forma de una piedra preciosa. El método se podría utilizar para marcar la piedra preciosa, por ejemplo, como dispositivo de seguridad.

El método puede comprender crear conductores eléctricos dentro de la muestra, en particular diamante. El diamante puede ser un sustrato de diamante cultivado. El método puede comprender recubrir la muestra (por ejemplo, diamante) de metal, por ejemplo, para proporcionar conexiones eléctricas a conductores eléctricos dentro de la muestra. El método puede comprender convertir carbono de una fase sp3 a una fase sp2, modificando así la estructura del diamante. El método puede incluir modificar una región dentro del diamante que se encuentra con la superficie del diamante.

La corrección se puede definir mediante una expansión de modos ortogonales. Cada modo puede definir un modo de aberración. La corrección puede ser un modo puro o la corrección puede ser una superposición de modos. La corrección se puede definir mediante un polinomio de Zernike o se puede definir mediante una expansión de polinomios de Zernike. La corrección se puede definir como una superposición de modos utilizando una base ortogonal distinta de los polinomios de Zernike. La corrección puede ser una solución analítica, por ejemplo, para una geometría particular, o una solución numérica para una geometría de enfoque particular. La corrección podría determinarse mediante una optimización iterativa utilizando un método de retroalimentación focal. La corrección se puede definir como una superposición de modos utilizando una base ortogonal distinta de los polinomios de Zernike. La corrección puede ser una solución analítica, por ejemplo, para una geometría particular, o una solución numérica para una geometría de enfoque particular. La corrección se podría determinar mediante una optimización iterativa utilizando un método de retroalimentación focal.

El método puede comprender calcular coeficientes de una expansión de Zernike para caracterizar los modos de aberración y determinar una corrección. Aplicar la corrección puede comprender aplicarle una superposición de modos Zernike. La amplitud de los modos Zernike se puede definir mediante la corrección. La corrección puede ser de un solo modo o de una superposición de modos.

La corrección puede contrarrestar los efectos sobre el foco de un modo de aberración de inclinación causado por la muestra, cuyo modo de aberración de inclinación es distinto del modo de aberración del coma causado por la inclinación de la muestra. Los diferentes modos de aberración se caracterizan por los diferentes órdenes de cambio de fase que producen. El modo de aberración de inclinación se caracteriza por un orden de cambio de fase diferente al del coma. El modo de aberración esférica se caracteriza por un orden de cambio de fase diferente al del coma y la inclinación. La determinación de una corrección puede comprender determinar qué modos de aberración serán introducidos por la muestra en el foco del láser.

Por ejemplo, una aberración de inclinación se puede describir en la pupila del sistema óptico como una variación de fase proporcional a r cos(0-£), donde (r, 0) son las coordenadas polares en el plano de la pupila y £ representa la orientación de la inclinación. Una aberración del coma tiene componentes de la forma r3cos(0-£), donde la fase varía con la tercera potencia de la coordenada radial. También pueden estar presentes términos radiales de orden superior con potencias impares.

El método puede comprender la utilización de un láser pulsado con energías de pulso de entre 10nJ y 300nJ. Las energías del pulso pueden estar entre 80 nJ y 150 nJ. La energía de pulso puede ser mayor que el umbral de modificación del material de muestra. El método puede incluir la utilización de un láser con longitud de onda en los espectros UV, visible o infrarrojo. El método puede incluir la utilización de un láser con una longitud de onda en el espectro infrarrojo cercano.

El método puede comprender la modificación por láser de la muestra utilizando un único pulso láser. El método puede comprender modificar la muestra utilizando una pluralidad de pulsos. El pulso puede ser un pulso de femtosegundo o un pulso de picosegundo. El método puede incluir variar la energía de pulso entre dosis.

El método puede comprender modificar una región de menos de 1 micrómetro en la dirección de propagación. El método puede comprender modificar una región de menos de 1 micrómetro en cada una de las direcciones x-, y- y z.

El volumen de muestra puede ser diamante. La región modificada puede comprender conductores eléctricos. La región modificada puede comprender un código de seguridad. La región modificada puede comprender una rejilla de difracción. La región modificada puede tener menos de 1 micrómetro en todas las dimensiones (es decir, menos de 1 micrómetro en anchura, altura y profundidad). La región modificada puede estar a más de 100 micrómetros por debajo de la superficie más cercana de la muestra, preferiblemente a más de 200 micrómetros y más preferiblemente a más de 500 micrómetros.

Se proporcionan así sistemas y métodos para el procesamiento láser de alta resolución dentro de materiales transparentes, que incorporan corrección de aberración para compensar los efectos de la refracción en la superficie del material. Los sistemas utilizan la retroalimentación a partir de las mediciones del material para optimizar la corrección de aberración y la intensidad focal para obtener el nivel necesario de modificación del material. Una aplicación particular es la fabricación de características dentro del diamante.

Las aplicaciones de los sistemas y métodos divulgados incluyen la generación de guías de luz dentro de vidrios mediante el aumento local del índice de refracción. Se pueden crear estructuras similares en cristales tales como KDP o niobato de litio utilizando aumentos localizados en el índice de refracción producidos por campos de tensión alrededor de pistas dañadas en el medio. Se pueden crear dispositivos microfluídicos mediante la exposición del vidrio seguida de un grabado químico. La fotopolimerización no lineal se puede utilizar para crear estructuras poliméricas tridimensionales complejas a partir de soluciones apropiadas.

Los sistemas y métodos descritos se pueden utilizar para crear regiones modificadas dentro de un material que sean aproximadamente del mismo tamaño que un foco láser de difracción limitada, que puede tener menos de 1 micrómetro en todas las dimensiones.

Fabricación en diamante

Cuando los láseres pulsados de femtosegundos son enfocados firmemente dentro de un diamante, las interacciones ópticas no lineales producen modificaciones de la retícula cristalina de diversas maneras, dependiendo de la densidad de energía en el foco. A bajas energías, hay una pequeña alteración de la retícula cristalina que se puede utilizar para generar centros de color después del recocido. A energías más altas, hay una alteración significativa de la retícula en la medida en que hay una conversión significativa del carbono de la fase sp3 (estructura cristalina de diamante) a la fase sp2 (grafito). Normalmente, las regiones modificadas con láser adoptan la forma de carbono amorfo, que es una combinación de las fases sp2 y sp3.

La fabricación de características ópticas finas en diamante utiliza láseres de pulso corto y lentes de objetivo de alta apertura numérica (NA). Esto garantiza que las características estén bien confinadas en tres dimensiones dentro del material y que no haya daños en la superficie del material. Una sola exposición al láser puede crear una característica puntual de material modificado. Se pueden construir estructuras complejas, que pueden ser bidimensionales o tridimensionales, utilizando conjuntos de características puntuales. Alternativamente, las estructuras lineales pueden estar compuestas por elementos muy próximos entre sí.

Hay dos regímenes para el procesamiento láser subsuperficial dentro del diamante: (i) con energías de pulso muy bajas, la interacción altamente no lineal genera un conjunto de vacantes de retícula en el foco del láser, mientras que (ii) con energías de pulso más altas, hay ruptura de la retícula del diamante dejando una fase grafítica conductora. Las modificaciones del Régimen (i) son invisibles mediante microscopía de transmisión y solo se pueden ver en un microscopio de fluorescencia. Son un precursor importante para la formación de centros NV (vacantes de nitrógeno) coherentes para aplicaciones cuánticas. Las modificaciones del régimen (ii) comprenden pequeños grupos (<varios 100 nm) de carbono con enlaces sp2 acompañados de microfisuras en la retícula del diamante. Trazar el diamante a través del foco láser en el Régimen (ii) permite escribir pistas continuas de carbono unido sp2 que se pueden utilizar como cables conductores de electricidad.

Las características formadas sin traslación del diamante durante la exposición adoptan la forma de un elipsoide. La extensión de la modificación es mayor a lo largo de la dirección de propagación del láser de fabricación y depende de la NA (apertura numérica) de la lente del objetivo utilizada. El tamaño de las características también depende de la energía de pulso utilizada y de la dosis (número de pulsos en la exposición). Si el frente de ondas está bien corregido como se describe en este documento, se pueden realizar modificaciones muy regulares de una exposición a otra. Si el frente de ondas no se corrige bien como se describe en este documento, se pueden producir modificaciones muy irregulares (en tamaño y forma) debido a diferentes exposiciones en las mismas condiciones.

Óptica de alta NA (NA>~0.8) se utiliza para la fabricación tanto de características que no están extendidas axialmente (<2 |jm a lo largo del eje óptico) como para una fabricación fiable de un punto a otro. La fabricación en NA inferior (~0.5) puede ser posible, pero depende en gran medida de la posición y es inconsistente. Con una NA más alta, la fabricación es altamente repetible en un gran volumen con exactamente la misma energía de pulso y dosis de láser. No hay dependencia de la posición con respecto a la fabricación. Esto es importante para la aplicación industrial.

Otras demostraciones han consistido en características puntuales de grafito en una matriz. En otras aplicaciones, se han generado estructuras grafiticas continuas que se pueden utilizar como conductores eléctricos.

Trazar el diamante a través del foco láser (o escanear el láser en relación con una muestra de diamante fija) permite la creación de pistas continuas de material modificado con láser. Trabajando en el Régimen de fabricación (ii), estas pistas contienen carbono unido sp2 y son eléctricamente conductoras. Se pueden utilizar para formar cables conductores que discurren en 3 dimensiones a través del diamante. Por ejemplo, la Fig. 7 muestra varias pistas de grafito continuas 110 que siguen trayectorias 2D y 3D debajo de la superficie 120 de una muestra de diamante. La Figura 7A muestra una vista superior de la pista de grafito 110. Las Figuras 7B y 7C muestran vistas laterales de la pista de grafito 110, y la Figura 7D muestra una vista en perspectiva en imagen de la pista de grafito 110 escrita. La escala 125 muestra 5 jm . La elipse discontinua en la Fig. 7C muestra una parte de la pista de grafito que se fabrica con una profundidad creciente.

Dichas pistas de grafito 110 pueden servir como cables conductores y son útiles en la fabricación de sensores con base de diamante para detección de radiación o química. En una implementación, a los cables que atraviesan el diamante se les puede aplicar un voltaje para establecer un campo eléctrico local dentro del diamante. Si la radiación ionizante incide sobre el diamante, puede crear una carga libre al pasar a través del diamante, que es recogida por los electrodos. En otra implementación, los cables embebidos se pueden utilizar para electroquímica, aprovechando la amplia ventana de potencial del diamante. Los cables embebidos se pueden utilizar para crear un campo eléctrico cerca de la superficie del diamante, que después se sumerge en una solución. Tales cables grabados con láser embebidos se pueden conectar a componentes electrónicos externos llevándolos hasta la superficie del diamante, que posteriormente se recubre de metal para una conexión eléctrica eficiente.

Corrección de aberración

En el caso ideal, el tamaño del foco láser debería estar en el límite de difracción, es decir, el tamaño de punto más pequeño posible para una longitud de onda, un índice de refracción y una apertura numérica determinados de la lente del objetivo. Sin embargo, frecuentemente este límite no se alcanza debido a los efectos de las aberraciones. Las aberraciones son desviaciones del sistema óptico de su rendimiento de enfoque ideal. En la óptica de rayos, las aberraciones hacen que los rayos del cono de enfoque ya no se encuentren en el mismo punto. En la óptica ondulatoria, los frentes de ondas que convergen en el foco ya no adoptan la forma de casquete esférico necesaria para enfocar un punto con difracción limitada. En este caso de la óptica ondulatoria, las aberraciones a menudo se cuantifican en términos del error de fase óptica entre el frente de ondas ideal y el distorsionado, y los diferentes tipos de distorsiones se caracterizan por diferentes errores de fase. Los efectos de las aberraciones en el foco son extender o desenfocar el foco a la vez que se reduce su intensidad máxima. Por la naturaleza del enfoque, la dispersión se produce predominantemente a lo largo del eje óptico.

La Figura 8A muestra un ejemplo de un tipo de modo de aberración particular: aberración esférica. En la fabricación con láser, con frecuencia se producen aberraciones debido a la refracción de los rayos en la superficie del material transparente en cuyo interior se pretende fabricar. Esto podría ocurrir en la interfaz entre, por ejemplo, el medio de inmersión de la lente del objetivo (típicamente aire, aceite u otros medios) y el material de fabricación. Los rayos de luz 210 que entran en la muestra 220 son refractados por la superficie de la muestra 222 y el foco resultante 230 se distorsiona y se alarga. El frente de ondas plano 240 significa que rayos paralelos 210 entran en la lente de NA alta 250, lo que daría como resultado un enfoque ideal si la muestra 220 estuviera ausente.

La Figura 8B muestra el caso en donde el frente de ondas 240 ya ha sido corregido por un elemento óptico activo tal como un SLM, que ha modificado su fase para contrarrestar la refracción de la superficie de muestra 222. Como consecuencia, en ausencia de una muestra 220 los rayos 210 que salen de la lente no darían como resultado un foco ideal. Sin embargo, dada la presencia de la muestra, los rayos 210 se refractan en la superficie 222 y dan como resultado un foco mejorado 232. Por lo tanto, dando forma al frente de ondas incidente se anula la aberración, lo que permite un enfoque preciso y una fabricación fiable de características submicrométricas.

La Figura 9A muestra características fabricadas 310 (izquierda) creadas enfocando el interior del diamante a una profundidad de 50 jm utilizando corrección de aberración. Las características 320 (derecha) tienen la misma estructura pero están hechas sin corrección de aberración. La energía de pulso láser tuvo que aumentar sustancialmente para ver cualquier fabricación. El láser de fabricación fue incidente a lo largo del eje z. Se observará que la fabricación de las características 310 está mucho mejor controlada que la de las características 320. La Figura 9B muestra las mismas características desde un lado. Se apreciará que las características creadas utilizando la corrección de aberración se controlan significativamente mejor en la dirección de propagación (es decir, en la dirección z).

Si la interfaz de la muestra es normal al eje óptico, entonces la aberración consiste en un efecto de reenfoque (un desplazamiento focal a lo largo del eje óptico) además de la aberración esférica. La amplitud de estos efectos es proporcional a la profundidad de enfoque. Una expresión para la aberración esférica de este tipo es:

Esta ecuación es una descripción analítica de la fase de aberración esférica $<sa>para luz de longitud de onda A al enfocar a una profundidaddnomdentro de un material de índice de refracciónn2 ,utilizando una lente del objetivo con apertura numérica NA y medio de inmersiónni.La coordenada p es el radio normalizado en la pupila de la lente del objetivo.

Si la superficie normal está inclinada con respecto al eje óptico, se introducen otras aberraciones tales como el coma (que incluye la inclinación del frente de ondas, lo que provoca un desplazamiento focal lateral). Estos efectos son proporcionales tanto a la profundidad de enfoque como al ángulo de inclinación de la superficie. La aberración adicional debida a una pequeña inclinación de la superficie viene dada por:

Esta ecuación es una descripción analítica del componente de aberración debido a la inclinación de la superficie, donde la inclinación tiene un ángulo pequeño.t Qes la coordenada azimutal en la pupila y e representa la orientación de la inclinación. Los factores a y b son coeficientes escalares cuyos valores dependen de los índices de refracción y NA.

La combinación de aberración esférica y del coma produce reducciones en la intensidad focal y distorsiones en la distribución de intensidad que afectan la eficiencia y precisión de la fabricación.

Los efectos de la refracción en la superficie del diamante son fuertes debido al alto índice de refracción del diamante (índice de refracción de 2,4, en comparación con 1,0 para el aire y alrededor de 1,5 para el aceite de inmersión). Esto significa que la corrección de aberración permitirá la producción de características finas a profundidades que de otro modo no serían posibles. La corrección de aberración se implementa fácilmente utilizando un modulador de luz espacial (SLM) de cristal líquido, pero también se puede implementar utilizando un espejo deformable. Según las configuraciones de la presente memoria, dichos elementos ópticos activos se pueden utilizar para la corrección de aberración esférica. La aberración del coma se corrige mediante el movimiento mecánico de la muestra y/o de los elementos ópticos.

Si bien los métodos de corrección estática son posibles, diversos ensayos indican que las correcciones estáticas no son efectivas para corregir las aberraciones entre muestras nominalmente similares debido a ligeros cambios en la composición y la posición del material, y que en su lugar se necesita una corrección de aberración afinada.

Las exigencias de corrección de aberración aumentan si se utiliza una lente del objetivo seca para enfocar profundamente en el diamante. Los requisitos de corrección de aberración son menos severos utilizando una lente de inmersión en aceite para enfocar el láser, ya que el contraste del índice de refracción es menor que con una lente seca. Sin embargo, en este caso todavía se requiere corrección para obtener resultados viables.

Se puede impartir un patrón de fase calculado a partir de las ecuaciones anteriores al dispositivo de corrección de aberración (es decir, el elemento óptico activo), tal como un modulador de luz espacial (SLM), para corregir la aberración inducida por la muestra. Como los SLM suelen tener un rango de modulación de fase limitado a una longitud de onda (o una pequeña cantidad de longitudes de onda), la fase generalmente se ajusta de manera que se encuentre dentro del rango accesible. Por ejemplo, si solo se puede acceder a una única longitud de onda, entonces la función de fase aplicada será $sa módulo 2n, dado que 2n radianes de fase corresponden a una longitud de onda. Como se indicó anteriormente, según las configuraciones de la presente memoria dichos elementos ópticos activos se pueden utilizar para la corrección de aberración esférica mientras la aberración del coma se corrige mediante el movimiento mecánico de la muestra y/o de los elementos ópticos.

El patrón de fase aplicado al SLM se puede simplificar observando que el término de aberración esférica contiene desenfoque, que es otro modo o componente de aberración que desplaza el foco (es decir, la intensidad óptica máxima) a lo largo del eje óptico, pero no cambia su forma. Al eliminar el componente de desenfoque de la corrección, se puede reducir el tamaño de la corrección de fase, utilizando así más eficazmente el SLM para la corrección de aberración. El componente de desenfoque de la aberración esférica se puede compensar trasladando la muestra en una cantidad adecuada.

En lugar de utilizar las expresiones analíticas directamente, las aberraciones se pueden considerar como una serie de funciones básicas. Comúnmente se utilizan los polinomios de Zernike para este propósito. Por tanto, una aberración se puede describir como una suma de modos de aberración. Por ejemplo, la aberración esférica se puede expresar como una expansión en términos de polinomios de Zernike. La utilización de funciones como estas ayuda en el diseño de sistemas de retroalimentación para la medición y corrección de aberración desconocidas.

Los métodos descritos en este documento son además relevantes para enfocar a través de superficies no planas. Esto podría incluir a través de superficies curvas o cerca o a través de bordes. Nuevamente, se puede utilizar una medición previa precisa de la topografía de la superficie para predecir un patrón de fase inicial que esté cerca del óptimo y se puede utilizar como un buen punto de partida para la optimización posterior utilizando retroalimentación focal. La fabricación a través o cerca de un borde implica la segmentación de la pupila. Los métodos descritos en este documento se pueden adoptar para establecer la fase para corregir aberraciones esféricas y del coma en la pupila segmentada. Enfocar a través de una superficie curva requerirá la corrección de una combinación de aberración esférica, astigmatismo y coma.

Control adaptativo del enfoque.

Para mantener una calidad de fabricación constante entre diferentes posiciones (particularmente profundidades) dentro de una muestra y entre diferentes muestras, es necesario implementar un sistema de control adaptativo que pueda mantener una combinación adecuada de corrección de aberración y energía de pulso. Esto puede utilizar un método de retroalimentación desde la región focal a los dispositivos que controlan el frente de ondas y la energía.

Una primera medición de la posición y la inclinación de la superficie basada en la reflexión de la superficie del material como se ha descrito anteriormente proporciona una predicción de la corrección necesaria para contrarrestar la aberración esférica y el coma. En una implementación, una medición de la posición para el mejor foco óptico en tres puntos que no están todos en el mismo eje puede proporcionar información sobre la inclinación relativa de la muestra. Esto puede permitir la corrección predictiva de aberración para aberración esférica y del coma a una profundidad particular en una muestra, por ejemplo, diamante.

Se puede realizar una compensación más fina mediante la observación a través de un microscopio del proceso de fabricación en el foco. Es posible una combinación de medidas. Utilizando un microscopio de transmisión es posible observar cambios en la absorción en el foco o un cambio en la fase óptica debido a la modificación del índice de refracción. Esto indica el grado en que el pulso del láser modifica el material y puede proporcionar una señal de retroalimentación para optimizar la corrección de aberración y la energía de pulso. Se podrían proporcionar señales de retroalimentación alternativas mediante fotoluminiscencia o emisión de plasma desde el foco.

Para reducir el número de mediciones necesarias (y por tanto el tiempo necesario) para el proceso de optimización, se pueden utilizar algoritmos en los que los coeficientes de los modos de aberración (particularmente aberración esférica y comática) y la energía de pulso se consideran coordenadas desconocidas en un espacio de búsqueda.

El proceso de optimización se puede expresar matemáticamente como la minimización de una función de costesf(o alternativamente,gpuede ser una función de mérito que se debe maximizar) que está relacionada con los componentes de aberración y la energía de pulso, representados colectivamente por el símboloP.El valor óptimo dePviene dado por

ÍV=argmm[/(P)]

donde la función de costes se debe minimizar o

Popt§ 1P^2\_Q(P)]

donde se debe maximizar la función de mérito. La funciónfogse pueden definir como una combinación de medidas. Por ejemplo, la intensidad del plasma focal generado durante la fabricación del láser depende del contenido total de aberración, de modo que un sistema corregido muestra un máximo en la emisión de plasma focal.

Alternativamente, el láser de fabricación se puede utilizar por debajo del umbral de modificación estructural para excitar de forma no lineal la fotoluminiscencia (PL) de los defectos intrínsecos contenidos en la muestra. La PL detectada se maximiza cuando se minimizan las aberraciones. De manera similar, la emisión de luminiscencia o fluorescencia en un microscopio confocal se maximiza cuando se corrigen las aberraciones. Por lo tanto, estas señales se pueden utilizar como un mecanismo de retroalimentación para permitir la optimización de la función coste/mérito.

Son posibles diversos métodos para la implementación de procesos de optimización. El número mínimo de parámetros desconocidos que se deben optimizar para la fabricación con láser a través de una superficie plana inclinada, donde se conocen los índices de refracción y NA, es tres: un coeficiente de aberración esférica y dos de coma (es decir. los dos componentes del coma ortogonales). Por tanto, el proceso se puede considerar como un problema de optimización tridimensional. Se puede considerar otra variable en forma de energía de pulso, que luego extiende el proceso a una optimización cuatridimensional. Si hay más incógnitas, entonces se deberían considerar más variables (dimensiones) en el proceso de optimización.

La optimización adaptativa se podría realizar punto por punto para cada posición fabricada, aunque es probable que sea más práctico realizar menos mediciones de optimización en todo el campo de fabricación y realizar la interpolación de parámetros en este campo. Este campo podría existir en una línea o en una curva, en un plano lateral o extenderse en tres dimensiones. Con suficientes mediciones de superficie se puede conseguir un foco corregido adecuadamente (es decir, con una relación de Strehl suficientemente grande). Sin embargo, se podrá realizar un procedimiento de optimización para cada nueva muestra.

Marcas a mayor escala

También son posibles estructuras y marcas a mayor escala. Esto podría incluir características puntuales o líneas continuas para crear caracteres alfanuméricos, códigos de barras o códigos QR™ o imágenes. Estas características se podrían agrupar para formar elementos difractivos, hologramas o rejillas de difracción. Los rangos y áreas de profundidad pueden ser hasta el tamaño de la piedra que se utiliza (normalmente en el rango de 3 mm en las direcciones transversal x e y, y 1 mm en la dirección z de propagación). El tamaño de las características puede ser de hasta 5 pm de anchura (en las direcciones x e y) por 20 pm en la dirección z de propagación. En la práctica, si se quieren crear características más grandes de manera fiable, se puede conseguir uniendo combinaciones de modificaciones a menor escala. Se debe tener cuidado al generar características grandes para gestionar la carga de tensión en la muestra circundante (por ejemplo, el diamante) para evitar la formación de grietas irregulares a gran escala. Esto se podría conseguir mediante una matriz poco densa de características pequeñas (~1 pm de escala) que estén unidas entre sí para formar una característica que parece grande cuando se ve ópticamente pero que solo tiene una conversión de volumen mínima de diamante a grafito.

Sistema láser

La Figura 10 muestra una configuración para un sistema láser. Se podrían añadir componentes adicionales para, por ejemplo, ayudar con la detección de aberración o posición, realizar una corrección de aberración adicional o paralelizar el sistema y utilizar múltiples puntos focales.

El sistema láser 400 incluye un láser 410, un polarizador 420, un modulador de luz espacial (SLM) 430, una lente del objetivo de alta NA 440 y una platina de translación tridimensional 450. Una muestra 460 se coloca en la platina 450 en el foco del sistema 400.

La muestra 460 es diamante y se coloca en el sistema láser 400 para su modificación mediante el láser 410. Después se mide la muestra 460 para informar acerca de la determinación de una corrección. En particular, se mide la superficie de la muestra 460 sobre la que incidirá el láser y se determina su inclinación desde la transversal. La dirección transversal es el plano 2D perpendicular a la dirección de propagación primaria del láser. Este es también el plano paralelo al plano mayor de la lente del objetivo.

La inclinación de la superficie de la muestra 460 se utiliza para determinar la aberración del coma esperada que se producirá en el foco del láser. La aberración esperada se caracteriza entonces en términos de un modo Zernike y se comunica al SLM. El SLM es modificado para mostrar la corrección de fase requerida para modificar el láser y contrarrestar la aberración. Según las configuraciones descritas en el presente documento, el SLM puede corregir la aberración esférica mientras que la aberración del coma se corrige mediante el movimiento mecánico de la muestra y/o de elementos ópticos.

A partir de la corrección también se determina la energía de pulso del sistema láser. El láser se ajusta a la energía de pulso requerida y después se utiliza para modificar la muestra de diamante.

Después de la modificación, la región modificada de la muestra se mide utilizando microscopía de transmisión. La corrección determinada se refina después en función de la retroalimentación obtenida mediante esta medición adicional. Se aplica la corrección refinada y la muestra se modifica con láser.

Ejemplo

El diamante se monta en el sistema de fabricación por láser. La lente del objetivo se mueve axialmente(es decir.en la dirección z) para encontrar inicialmente la superficie del diamante maximizando la luz reflejada procedente de un LED. El diamante se mueve en sentido las direcciones transversales (x-y) hasta la ubicación deseada para la fabricación.

El posicionamiento fino para la ubicación de superficie axial (z) se consigue utilizando el láser con una energía de pulso baja (significativamente por debajo del umbral de grafitización masiva, por ejemplo, menor de 30 nJ). La superficie de la muestra se encuentra trasladando el diamante axialmente en pasos de 100 nm. Si se utiliza una lente de inmersión en aceite, el diamante se mueve hasta el punto en donde el láser ya no hierve el aceite de inmersión. Si se utiliza una lente de aire, el diamante se mueve hasta que el láser ya no produce ninguna marca en la superficie del diamante. Se realizan otras dos mediciones de este tipo, una trasladando 0,2 mm en la dirección x y la otra trasladando 0,2 mm en la dirección y. Estas mediciones cubren un área de la muestra y se utilizan para determinar la inclinación de la superficie local.

Después, el diamante es trasladado axialmente hasta la profundidad deseada para la fabricación, observando que la profundidad de fabricación real es mayor que la profundidad de traslación en un factor de aproximadamente 2 para lentes con aceite con alto contenido de NA y aproximadamente 2,7 para lentes con aire con alto contenido de NA. Esto se debe a que el SLM se utiliza para corregir las aberraciones causadas por la refracción en la interfaz de la muestra, excepto el desenfoque, que se contrarresta de forma más simple mediante la traslación axial del diamante, como se describió anteriormente. La corrección de aberración se aplica al SLM en función de las mediciones de la superficie. La corrección representa una corrección de aberración esférica basada en la profundidad axial trasladada. La aberración del coma en las direcciones x e y se corrigen eliminando mecánicamente el ángulo de inclinación o moviendo los elementos ópticos para contrarrestar la aberración del coma según la inclinación de superficie en x y en y medida. Se utiliza una energía de pulso predeterminada (por ejemplo, 100 nJ para una lente de aceite de 1,4 NA que utiliza luz de longitud de onda de 780 nm con una duración de pulso de 250 fs) y se dispara una ráfaga de 5 pulsos al diamante. Se utiliza un microscopio de transmisión para verificar que se ha producido una modificación exitosa del diamante en el punto deseado. La fabricación preferida debe tener unas dimensiones de aproximadamente 0,5 pm (en dirección transversal) por aproximadamente 1 pm (en dirección axial) y aparecerá oscura cuando se observe en un microscopio de transmisión.

También es necesario compensar las aberraciones en las imágenes para poder ver la fabricación. Después se verifica que el diamante aún se puede modificar con menor energía de pulso y/o dosis hasta el punto en el que la modificación se vuelve invisible. Después se fabrica el patrón deseado dentro del diamante como se desee.

Si no se observa ninguna modificación cuando el diamante es irradiado con la primera ráfaga de pulsos, la muestra se traslada una pequeña distancia en la dirección transversal (por ejemplo, 5 pm) y los modos de aberración se ajustan de manera sistemática con una ráfaga del láser aplicada para cada configuración. El diamante es trasladado axialmente entre cada ráfaga y se comprueba para ver si el diamante se modifica según lo deseado. Una vez que se consiguen los ajustes correctos, la fabricación se lleva a cabo directamente como se describe anteriormente sin necesidad de realizar más correcciones.

Se podrían usar otras métricas para optimizar las correcciones de aberración distintas de la modificación del diamante visible, por ejemplo, se podría optimizar la fotoluminiscencia no lineal del diamante producida por el foco del láser para corregir las aberraciones. Para esta medición, la energía de pulso del láser se reduce para garantizar que no haya fabricación (energía de pulso por debajo de, por ejemplo, 20 nJ utilizando las condiciones descritas anteriormente) o, idealmente, cambiando a un láser con una tasa de repetición más alta y energía de pulso baja (tasa de repetición de 80 MHz y energía de pulso < 20 nJ). Se pueden medir las características del foco y determinar las aberraciones que lo afectan. Después se puede determinar y aplicar una corrección al elemento óptico activo para mejorar la relación de Strehl del foco. La necesidad de tal procedimiento de corrección adaptativa puede ser poco común dadas las mediciones precisas de la superficie.

El método anterior puede utilizar un láser de fabricación infrarrojo de femtosegundo, pero las técnicas también se pueden aplicar a sistemas de fabricación de cualquier longitud de onda o anchura de pulso. Por ejemplo, se pueden utilizar sistemas ultravioleta (UV) y de onda continua (CW). Normalmente, el láser de fabricación induce un aumento en el índice de refracción de la muestra. Sin embargo, en algunos materiales el láser puede inducir una disminución del índice de refracción. Los dispositivos ópticos fabricados pueden funcionar a una longitud de onda diferente a la del láser de escritura. Los dispositivos se pueden fabricar para cualquier longitud de onda operativa del dispositivo óptico.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema láser (400) para modificar una muestra (460) para formar una región modificada en una ubicación objetivo dentro de la muestra, estando dispuesta la ubicación objetivo debajo de una superficie de la muestra, comprendiendo el sistema láser:

una fuente de luz láser (410) configurada para proporcionar luz láser;

un soporte de muestra (450) para soportar la muestra;

uno o más elementos ópticos (420,430,440) configurados para dirigir la luz láser desde la fuente de luz láser hacia la muestra cuando la muestra está soportada por el soporte de muestra, en donde uno o más elementos ópticos (420, 430, 440) están configurados para enfocar la luz láser en la muestra, y en donde uno o más elementos ópticos incluyen un componente (430) configurado para corregir la aberración esférica causada por una disparidad en el índice de refracción en la superficie de la muestra a través de la cual la luz láser entra en la muestra, de manera que la luz láser se enfoca en la ubicación objetivo dentro de la muestra, caracterizado por:

un dispositivo de medición de inclinación configurado para medir un ángulo de inclinación de la superficie de la muestra (460) con respecto a un eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie,

y un mecanismo de accionamiento para mover el soporte de muestra (450) y/o uno o más de los elementos ópticos (420, 430, 440) en función del ángulo de inclinación medido para corregir la aberración del coma causada por el ángulo de inclinación.

2. Un sistema láser de acuerdo con la reivindicación 1,

en donde el mecanismo de accionamiento está configurado para mover el soporte de muestra (450) en función del ángulo de inclinación medido para reducir el ángulo de inclinación de la superficie de la muestra y así corregir la aberración del coma.

3. Un sistema láser de acuerdo con la reivindicación 1 o 2,

en donde el mecanismo de accionamiento está configurado para mover uno o más de los elementos ópticos (420, 430, 440):

• para inclinar el eje óptico de la luz láser que entra a través de la superficie de la muestra, reduciendo así el ángulo de inclinación y corrigiendo la aberración del coma, y/o

• crear una cantidad de coma que cancele la aberración del coma inducida por la muestra causada por el ángulo de inclinación.

4. Un sistema láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en donde uno o más elementos ópticos (420, 430, 440) incluye al menos uno de:

• una lente con un collar de corrección ajustable para corregir la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo, o

• una lente con una corrección fija para la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo, o

• una lente y una placa de fase configuradas para corregir la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo, o

• una combinación de lentes configuradas para introducir una aberración esférica en la luz láser que es anulada parcial o totalmente por la aberración esférica causada por una falta de coincidencia en el índice de refracción en la superficie de la muestra, o

• un elemento óptico adaptativo (430) configurado para corregir la aberración esférica dentro de la muestra en la ubicación objetivo, en donde el elemento óptico adaptativo incluye opcionalmente un modulador de luz espacial.

5. Un sistema láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en donde uno o más elementos ópticos (420, 430, 440) están preconfigurados para corregir la aberración esférica dentro de un tipo específico de material a una profundidad objetivo fija.

6. Un sistema láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,

en donde uno o más elementos ópticos (420, 430, 440) son ajustables para corregir la aberración esférica dentro de diferentes materiales de muestra y/o a diferentes profundidades objetivo.

7. Un sistema láser de acuerdo con la reivindicación 6,

que comprende además un controlador de aberración esférica configurado para ajustar automáticamente uno o más elementos ópticos (420, 430, 440) para corregir la aberración esférica basándose en una o ambas de una base de datos de correcciones disponibles y una medición óptica de la muestra.

8. Un sistema láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en donde la fuente de luz láser (410) está configurada para proporcionar:

• luz láser pulsada de menos de 10 picosegundos, y/o

• luz láser pulsada con energías de pulso de entre 10 nJ y 300 nJ.

9. Un sistema láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en donde uno o más elementos ópticos (420, 430, 440) están configurados para enfocar la luz láser dentro de la muestra con una apertura numérica de al menos 0,8, 1 o 1,2.

10. Un sistema láser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

en donde el sistema láser está configurado para marcar piedras preciosas, opcionalmente diamantes.