KR102623898B1

KR102623898B1 - 재료들 내부에서의 레이저 가공

Info

Publication number: KR102623898B1
Application number: KR1020217027700A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 마일즈; 루이스 피시; 패트릭 솔터; 마틴 부스
Original assignee: 옵시디아 리미티드
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2024-01-10
Also published as: EP3921111A1; EP3921111C0; EP4269056A2; ES2967211T3; JP2023076427A; EP3921111B1; KR20240006714A; US20220111469A1; GB2581172A; EP4269056A3; JP7241897B2; WO2020161462A1; GB2581172B; JP2022520546A; KR20210124309A; GB201901635D0

Abstract

샘플 내의 타겟 위치에서 개질된 영역을 형성하기 위하여 샘플의 개질을 위한 레이저 시스템으로서, 타겟 위치는 샘플의 표면 아래에 배치되고, 레이저 시스템은: 레이저 광을 제공하도록 구성된 레이저 광원; 샘플을 지지하기 위한 샘플 홀더; 샘플이 샘플 홀더에 의해 지지될 때, 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 샘플로 지향하도록 구성된 하나 이상의 광학 엘리먼트들 - 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 레이저 광을 샘플로 포커싱하도록 구성되고, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은, 레이저 광이 샘플 내의 타겟 위치에서 포커싱되도록, 레이저 광이 샘플의 표면을 통해 샘플에 진입하는 샘플의 표면에서의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된 구면 수차를 보정하도록 구성된 컴포넌트를 포함함 -, 표면을 통해 진입하는 레이저 광의 광학 축에 대한 샘플의 표면의 틸트 각도를 측정하도록 구성된 틸트 측정 디바이스, 및 틸트 각도에 의해 야기된 코마 수차를 보정하기 위하여 측정된 틸트 각도에 기초하여 샘플 홀더 및/또는 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상을 이동시키기 위한 구동 기구를 포함한다.

Description

재료들 내부에서의 레이저 가공

발명은 재료들 내부에서 레이저 가공하기 위한 레이저 시스템에 관한 것으로, 특히, 샘플 내에서 개질된 영역을 형성하기 위한 시스템에 관한 것이다. 레이저 시스템은 원석(gemstone)들, 특별히, 다이아몬드 원석(diamond gemstone)들을 마킹(marking)하기 위하여 특히 유용하다.

레이저 가공(laser machining)은 산업에서 폭넓게 이용되는 프로세스이다. 최근 10년 정도에 걸쳐 이 분야에서의 연구 개발들은 레이저 프로세싱을 훨씬 더 작은 길이 스케일(scale)들로 이동시켰다. 이것은 수백 펨토초(femtosecond) 내지 수 피코초(picosecond)의 범위에서의 펄스 기간(pulse duration)들을 이용하는 펄스화된 레이저(pulsed laser)들, 및 높은 개구수(numerical aperture) 렌즈들을 통한 포커싱(focusing)의 이용에 의해 가능하게 되었다. 시간 및 공간적 차원들에서의 에너지 구속(energy confinement)의 조합은 비선형 광학적 프로세스들을 통해 재료 개질(material modification)들을 생성하는 높은 순간적인 초점 세기(focal intensity)들을 초래한다. 그러므로, 프로세싱 효과들은 초점 영역들로 구속될 수 있다.

그러므로, 레이저 가공 기법들에 제공된 제어도(degree of control)를 개선시키기 위하여 재료 내에서의 레이저 초점들의 크기 및 형상에 대한 제어를 개선시키는 것이 바람직하다. 그러나, 레이저 빔의 경로에서의 재료의 존재는 (예컨대, 굴절 및/또는 반사에 의해) 레이저에 반드시 영향을 준다.

결과적으로, 재료 내에서 포커싱하도록 노력할 때, 재료 자체는 재료 내에서의 레이저 포커싱을 붕괴시킨다.

Simmonds 등(Optical Express, vol. 19, 12 November 2011)은 이중 적응적 광학계(dual adaptive optics system)를 이용하는 다이아몬드(diamond)에서의 3 차원 레이저 미세제조를 이전에 설명하였다. 다이아몬드의 벌크에서의 깊이에서 제어된 3 차원 구조들의 펨토초 레이저 제조는 이중 적응적 광학계에 의해 용이하게 된다는 점이 설명된다. 다이아몬드와 대물 침지 매체(objective immersion medium) 사이의 굴절률(refractive index) 오정합에 의해 야기된 극단적인 수차(aberration)들을 보상하기 위하여, 변형가능한 미러가 액정 공간적 광 변조기와 병렬로 이용된다. 수차 보상은 50 μm 초과의 깊이들에서 마이크론 스케일 특징부(feature)들의 결정론적 생성을 위하여 중요하고, 이중 적응적 광학기기 접근법은 단일 적응적 엘리먼트(adaptive element)를 이용하는 실험들에 비해 증가된 제조 효율을 입증한다는 것을 보여준다.

대물 렌즈로부터 샘플로 포커싱된 광은 샘플의 표면에서의 굴절 때문에 그 이상적인 초점으로부터 일탈(aberrate)할 것이다. 침지 매체(예컨대, 공기, 오일 등) 및 샘플의 굴절률들 사이의 차이가 더 클수록, 초점에 대한 수차 효과(aberrating effect)가 더 클 것이다. 그러므로, 결정된 보정은 샘플의 파괴적 수차 효과를 중화시키기 위하여 샘플 표면에서의 굴절의 효과들을 참작한다. 상이한 인자들이 초점 상의 상이한 유형들의 수차들(또는 수차 모드들)에 기여할 수 있다.

구면 수차(spherical aberration)는 샘플 및 포커싱 대물 렌즈의 침지 매체의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된다. 구면 수차는 해상도 및 제조의 전력 효율의 손실을 초래하고, 포커싱 깊이와 함께 증가한다. 이 문제는 재료의 높은 굴절률(2.4) 및 가장 높은 해상도를 획득하기 위하여 높은 개구수(numerical aperture; NA) 광학기기들을 이용하기 위한 필요성으로 인해 다이아몬드에서의 제조에 대하여 특히 현저하다. 배경 섹션에서 설명된 바와 같이, Simmonds 등은 깊이 종속적 구면 수차를 보상하는 이중 적응적 광학기기 접근법을 제시하여, 다이아몬드와 같은 높은 굴절률 샘플 내에서의 깊이에서 간결한 특징부들의 제조를 가능하게 한다.

또 다른 유형의 수차는 코마 수차(coma aberration)로서 공지되어 있다. 포커싱 대물 렌즈(focussing objective lens)에 대하여 틸트(tilt)되는 표면은 전형적으로, 이상적인 초점을 허용하지 않을 것이고, 그 대신에, 코마 수차에 의해 초점을 왜곡시킬 것이다. 통상적으로, 입사 표면은 가능한 한 평평하게 되고, 결과적인 왜곡은 수락되지만, 일부 애플리케이션들(예컨대, 원석 내부에서의 포커싱)에 대하여, 완벽하게 평평한 표면을 획득하는 것이 어려울 수 있거나, 틸팅된 표면을 통해 포커싱하는 것이 유리할 수 있다. 이 때문에, 샘플의 틸트를 측정함으로써, 초점에 대한 그 효과들은 보정을 적용함으로써 중화될 수 있다.

따라서, 재료들, 특히, 다이아몬드 원석들과 같은 높은 굴절률을 가지는 재료들의 정밀한 서브-표면(sub-surface) 가공을 위하여, 포커싱 효율을 개선시키기 위하여 구면 수차 및 코마 수차의 둘 모두에 대해 보정하는 것이 바람직하다는 것이 인식되었다. 구면 수차는 하나 이상의 광학 엘리먼트들에 의해 보정될 수 있다. 코마 수차에 대하여, 표면을 통해 진입하는 레이저 광의 광학 축에 대한 샘플의 표면의 틸트 각도(tilt angle)를 측정하도록 구성된 틸트 측정 디바이스를 포함하는 레이저 시스템이 제공된다. 그 다음으로, 틸트 각도로 인한 코마 수차가 보정될 수 있다. 하나의 옵션은 구면 수차 및 코마 수차의 둘 모두를 보정하기 위하여 능동 광학 엘리먼트(active optical element)를 이용하는 것이다. 그러나, 또 다른 옵션은 코마 수차 보정으로부터 구면 수차 보정을 결합해제(de-coupling)하는 것을 수반한다. 레이저 광이 샘플 내의 타겟 위치에서 포커싱되도록, 레이저 광이 샘플의 표면을 통해 샘플에 진입하는 샘플의 표면에서의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된 구면 수차를 보정하도록 구성된 컴포넌트(component)를 포함하는 하나 이상의 광학 엘리먼트들이 제공될 수 있다. 또한, 표면을 통해 진입하는 레이저 광의 광학 축에 대한 샘플의 표면의 틸트 각도를 측정하도록 구성되는 틸트 측정 디바이스가 제공될 수 있고, 틸트 각도에 의해 야기된 코마 수차를 보정하기 위하여 측정된 틸트 각도에 기초하여 샘플 홀더 및/또는 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상을 이동시키기 위한 구동 기구(drive mechanism)가 제공된다.

따라서, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 하나의 구성에 따르면, 샘플 내의 타겟 위치에서 개질된 영역(modified region)을 형성하기 위하여 샘플의 개질을 위한 레이저 시스템이 제공되고, 타겟 위치는 샘플의 표면 아래에 배치되고, 레이저 시스템은:

레이저 광을 제공하도록 구성된 레이저 광원;

샘플을 지지하기 위한 샘플 홀더;

샘플이 샘플 홀더에 의해 지지될 때, 레이저 광원으로부터의 레이저 광을 샘플로 지향하도록 구성된 하나 이상의 광학 엘리먼트들 - 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 레이저 광을 샘플로 포커싱하도록 구성되고, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은, 레이저 광이 샘플 내의 타겟 위치에서 포커싱되도록, 레이저 광이 샘플의 표면을 통해 샘플에 진입하는 샘플의 표면에서의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된 구면 수차를 보정하도록 구성된 컴포넌트를 포함함 -,

표면을 통해 진입하는 레이저 광의 광학 축에 대한 샘플의 표면의 틸트 각도를 측정하도록 구성된 틸트 측정 디바이스, 및

틸트 각도에 의해 야기된 코마 수차를 보정하기 위하여 측정된 틸트 각도에 기초하여 샘플 홀더 및/또는 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상을 이동시키기 위한 구동 기구를 포함한다.

구동 기구는 샘플의 표면의 틸트 각도를 감소시키고 이에 따라, 코마 수차를 보정하기 위하여 측정된 틸트 각도에 기초하여 샘플 홀더를 이동시키도록 구성될 수 있다. 즉, 샘플 홀더는 샘플의 틸트를 감소시키거나 제거하고 이에 따라, 코마 수차를 감소시키거나 제거하기 위하여 회전될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 구동 기구는 샘플의 표면을 통해 진입하는 레이저 광의 광학 축을 틸팅하여, 이에 따라, 틸트 각도를 감소시키고 코마 수차를 보정하기 위하여 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상의 이동시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상은 샘플의 표면에 대한 레이저 광의 틸트를 감소시키거나 제거하고 이에 따라, 코마 수차를 감소시키거나 제거하기 위하여 회전될 수 있다.

여전히 대안적으로, 구동 기구는 틸트 각도에 의해 야기된 샘플 유도된 코마 수차를 상쇄시키는 코마의 양을 생성하기 위하여 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상을 이동시키도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 틸트 각도가 제거되는 것이 아니라, 오히려, 코마의 동일하고 반대인 양을 레이저 광으로 도입함으로써, 틸트에 의해 야기된 샘플 유도된 코마 수차가 보상된다.

이와 같이, 코마 수차는 틸트 측정에 기초하여 샘플 및/또는 레이저 시스템에서의 하나 이상의 광학 엘리먼트들을 기계적으로 이동(회전 및/또는 병진(translating))시킴으로써 감소될 수 있거나 제거될 수 있다.

구면 수차는 또한, 몇몇 상이한 방법들로 보정될 수 있다. 하나의 구성에서, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 타겟 위치에서 샘플 내의 구면 수차를 보정하기 위한 조절가능한 보정 칼라(correction collar)를 갖는 렌즈를 포함한다. 대안적으로, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 타겟 위치에서 샘플 내의 구면 수차에 대한 고정된 보정을 갖는 렌즈를 포함할 수 있다. 여전히 대안적으로, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 타겟 위치에서 샘플 내의 구면 수차를 보정하도록 구성된 렌즈 및 위상 판(phase plate)을 포함할 수 있다. 또 다른 대안은 하나 이상의 광학 엘리먼트들이 샘플의 표면에서의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된 구면 수차에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 상쇄되는 레이저 광에서의 구면 수차를 도입하도록 구성된 렌즈들의 조합을 포함한다는 것이다. 또 다른 대안은 하나 이상의 광학 엘리먼트들이 타겟 위치에서 샘플 내의 구면 수차를 보정하도록 구성된 적응적 광학 엘리먼트를 포함한다는 것이다. 적응적 광학 엘리먼트(또는 능동 광학 엘리먼트)는 공간적 광 변조기(spatial light modulator; SLM)를 포함할 수 있다. 공간적 광 변조기들의 예들은 실리콘 상/상부 액정 SLM(liquid crystal on/over silicon SLM; LCOS SLM)들과 같은 액정 SLM들을 포함한다. 다른 예들은 디지털 마이크로-미러 디바이스들/변형가능한 미러 디바이스들과 같은 미러-기반(mirror-based) 적응적 광학 엘리먼트를 포함한다. 때때로, 이 미러 기반 디바이스들은 또한, 미러 기반 SLM들로서 지칭될 수 있다. 이와 같이, 공간적 광 변조기는 이러한 디바이스들에 대한 포괄적 용어로서 이용될 수 있고, 액정 및 미러 기반 SLM 디바이스들로 반드시 제한되지는 않는다.

하나 이상의 광학 엘리먼트들은 고정된 타겟 깊이에서 특정 유형의 재료 내의 구면 수차를 보정하도록 사전-구성될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상이한 샘플 재료들 내의 및/또는 상이한 타겟 깊이들에서의 구면 수차를 보정하기 위하여 조절가능하다. 예를 들어, 레이저 시스템은 이용가능한 보정들의 데이터베이스 및 샘플의 광학적 측정 중의 하나 또는 둘 모두에 기초하여 구면 수차를 보정하기 위하여 하나 이상의 광학 엘리먼트들을 자동적으로 조절하도록 구성된 구면 수차 제어기를 포함할 수 있다.

레이저 광원이 10 피코초 미만, 더 바람직하게는 1 피코초 미만인 펄스화된 레이저 광을 제공하도록 구성될 경우에 유리하다. 초단파(ultrashort) 펄스화된 레이저 광을 정밀하게 포커싱하는 것은 샘플의 표면을 개질하지 않으면서, 정확한 서브-표면 재료들 프로세싱을 가능하게 한다. 레이저 광원은 또한, 10 nJ 내지 300 nJ 사이의 펄스 에너지들을 갖는 펄스화된 레이저 광을 제공하도록 구성될 수 있다. 특정 에너지는 프로세싱되어야 할 재료 샘플에 종속적일 것이다.

또한, 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 적어도 0.8, 1, 또는 1.2의 개구수를 갖는 샘플 내에서 레이저 광을 포커싱하도록 구성된다. 고도로 반복가능한 결정론직 마킹(deterministic marking)을 위하여, 레이저는 샘플 표면 아래에서 높은 개구수로 포커싱되어야 한다. 이것은 공기, 물, 또는 오일 침지 대물 렌즈로 될 수 있다. 그러나, 샘플 표면 아래에서 높은 개구수로 포커싱할 때, 수차들은 주요한 우려사항이다. 이 때문에, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 보정에 대한 필요성이 있다.

레이저 시스템은 다이아몬드들과 같은 원석들을 마킹하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 광학기기들 및 제어 하드웨어/소프트웨어는 이러한 원석들을 마킹하도록 사전-구성될 수 있다. 예를 들어, 샘플 홀더는 원석들을 유지하도록 구성될 수 있고, 광학기기들은 다이아몬드와 같은 특정 원석 재료에 대하여 구성될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템들 및 방법들의 하나의 유리한 특징은, 이 시스템들 및 방법들이 다이아몬드와 같은 재료 내의 상이한 깊이들의 범위에서 극도로 작은 마크(mark)들 및 또한 더 큰 마크들을 효율적으로 가공할 수 있다는 것이다. 이것은 다이아몬드 원석들의 보안 마킹(security marking)을 위하여 유리할 수 있다. 다이아몬드 원석을 식별하기 위하여 10x 배율 루페(loupe) 하에서 가시적인 마크를 제공할 수 있는 것은 유리한 것으로 고려된다. 그러나, 이러한 가시적인 마크들은 잠재적으로 복사될 수 있다. 이와 같이, 보안을 증가시키기 위하여, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템은 또한, 10x 배율 루페 하에서 가시적이지 않지만, 더 높은 배율 하에서 가시적인 제2 마크를 제공할 수 있다.

상기 사항을 감안하면, 다이아몬드 원석이 또한 제공되고, 다이아몬드 원석은:

다이아몬드 원석의 표면 아래의 제1 깊이에서 배치된 제1 마크; 및

다이아몬드 원석의 표면 아래의 제2 깊이에서 배치된 제2 마크를 포함하고,

여기서, 제1 마크는 10x 배율 루페 하에서 가시적이고, 그리고

여기서, 제2 마크는 10x 배율 루페 하에서 가시적이지 않지만, 더 높은 배율 하에서 가시적이다.

제1 마크 및 제2 마크는 표면 아래의 상이한 깊이들에서 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 마크들의 깊이에서의 차이는 적어도 30 마이크로미터(micrometre)일 수 있다. 또한, 제1 마크 및 제2 마크는 표면을 통해 관측될 때에 겹칠 수 있다. 이와 관련하여, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템은 상당히 상이한 크기들로 그리고 상당히 상이한 깊이들에서 이러한 마크들을 제조할 수 있다. 동일한 횡방향 포지션(position)에서, 그러나 상이한 깊이들에서 마크들을 제공함으로써, 제1 가시적 마크는 더 높은 배율 하에서 오직 가시적이고, 이에 따라, 안내부(guide)로서의 제1 마크 없이 발견하기가 더 어려운 제2 마크를 위치시키기 위하여 이용될 수 있다.

제1 마크는 2 마이크로미터 초과인 표면에 대해 평행한 폭을 가지는 적어도 하나의 라인 또는 도트, 및/또는 표면에 대해 평행한 방향으로 10 마이크로미터 미만인 분리(separation)를 갖는 복수의 라인들을 포함할 수 있다. 제1 마크의 전체적인 크기는 100 마이크로미터 초과, 더 바람직하게는, 200 마이크로미터 초과일 수 있다. 대조적으로, 제2 마크는 2 마이크로미터 이하, 더 바람직하게는, 1 마이크로미터 이하인 표면에 대해 평행한 폭을 가지는 하나 이상의 라인들 또는 도트들로 구성될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같은 구성들은 틸트 측정에 기초하여 샘플 및/또는 레이저 시스템에서의 하나 이상의 광학 엘리먼트들을 기계적으로 이동(회전 또는 병진)시킴으로써 코마 수차를 감소시키거나 제거한다는 것이 주목되어야 한다. 이것은 공간적 광 변조기(SLM)와 같은 능동 광학 엘리먼트가 코마 수차를 보정하기 위하여 이용되는 대안적인 구성과 대조된다. 이러한 대안적인 구성에서는: 샘플이 레이저에 의한 개질을 위하여 레이저 시스템에서 위치결정되고; 레이저가 샘플의 표면을 통해 포커싱하는 샘플의 표면의 틸트가 측정되고; 적어도 측정된 틸트를 이용하여, 레이저 시스템의 능동 광학 엘리먼트에 적용되어야 할 보정이 결정되고; 타겟 위치에서 샘플을 레이저 개질하는 것이 개질된 영역을 생성하기 위하여 보정된 파면 특성들을 갖는 레이저를 이용하도록, 레이저의 파면 특성들을 개질하여 레이저 초점에 대한 코마의 효과를 중화시키기 위하여 능동 광학 엘리먼트에 대한 보정이 적용된다. 하나의 구성에서, SLM과 같은 능동 광학 엘리먼트는 구면 수차 및 코마 수차의 둘 모두를 보정하기 위하여 이용될 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 구성들은 틸트 각도에 의해 야기된 코마 수차를 보정하기 위하여 측정된 틸트 각도에 기초하여 샘플 홀더 및/또는 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상을 이동시키기 위한 기계적 구동 기구가 제공되도록 이 수차 보정들을 결합해제하는 반면, 구면 수차는 본 명세서에서 설명된 다른 방법들 중의 다른 하나 이상에 의해 보정될 수 있다. 이것은 어떤 애플리케이션들에서 유리할 수 있다. 예를 들어, 이용가능한 능동 광학 엘리먼트들(예컨대, 공간적 광 변조기들)이 수차들을 보정하기 위하여 충분한 자유의 범위 또는 정도들을 결여하는 애플리케이션들. 어떤 애플리케이션들에서, 기계적 구동 방법론은 수차들을 보정하기 위하여 레이저 시스템의 자유의 범위 및 정도들을 증가시키기 이하여 능동 광학 엘리먼트들과 조합하여 제공될 수 있다.

본 개시내용의 이해를 보조하고 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지를 보여주기 위하여, 첨부 도면들에 대해 예로서 참조가 행해지고, 여기서:
도 1은 코마 수차를 도입하는 샘플 틸트를 예시하는 레이저 시스템의 일부분의 개략도를 도시하고;
도 2는 레이저, 2 개의 광학 엘리먼트들, 및 샘플을 지지하는 샘플 홀더를 포함하는 레이저 시스템의 개략도를 도시하고;
도 3은 샘플 틸트를 감소시키거나 제거하고 이에 따라, 코마 수차를 보정하기 위하여, 샘플 홀더(및 샘플 홀더에 의해 지지된 샘플)가 회전하도록 구성될 수 있다는 것을 예시하는 도 2의 레이저 시스템을 도시하고;
도 4는 (레이저 광에 대한) 샘플 틸트를 감소시키거나 제거하고 이에 따라, 코마 수차를 보정하기 위하여, 시스템의 광학 컴포넌트들이 회전하도록 구성될 수 있다는 것을 예시하는 도 2의 레이저 시스템을 도시하고;
도 5는 레이저, 3 개의 광학 엘리먼트들, 및 샘플을 지지하는 샘플 홀더를 포함하는 레이저 시스템의 개략도를 도시하고, 여기서, 광학 엘리먼트들 중의 적어도 하나는 틸트 각도에 의해 야기된 샘플 유도된 코마 수차를 상쇄시키는 코마의 양을 생성하기 위하여 이동될 수 있고;
도 6은 2 개의 상이한 깊이들에서 그리고 수차 보정의 변동되는 정도들로 다이아몬드 샘플 내에서 형성된 마크들을 예시하는 개략도이고: (A) 깊이 1, 예컨대, 100 마이크로미터, 수차 보정 없음, 높은 펄스 수, 예컨대, 10,000, 높은 펄스 에너지, 큰 비-결정론적 마킹; (B) 깊이 1, 수차 보정 적용됨, 낮은 펄스 수, 예컨대, 5, 낮은 펄스 에너지, 작은 결정론적 마킹; (C) 깊이 2, 예컨대, 200 마이크로미터, B와 동일한 수차 보정 적용됨, 높은 펄스 수, 예컨대, 10, 000, 높은 펄스 에너지, 큰 비-결정론적 마킹; (D) 깊이 2, B와 비교하여 깊이 2에 대해 적용된 새로운 수차 보정, 낮은 펄스 수, 예컨대, 5, 낮은 펄스 에너지, 작은 결정론적 마킹;
도 7a, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는 상이한 관점들로부터 다이아몬드 기판 내부에 기록된 흑연 트랙(graphitic track)을 도시하고;
도 8a는 수차 보정을 이용하지 않는 기판 내의 왜곡된 초점의 개략적인 예를 도시하고;
도 8b는 수차 보정을 이용하여 달성된 기판 내의 초점의 개략적인 예를 도시하고;
도 9a 및 도 9b는 다이아몬드 기판에서 기록된 특징부들을 도시하고, 특징부들의 좌측 세트는 수차 보정 기법을 이용하여 기록된 반면, 특징부들의 우측 세트는 수차 보정 기법을 이용하지 않고 기록되었고; 그리고
도 10은 샘플의 레이저 개질을 위한 또 다른 레이저 시스템을 도시한다.

본 명세서는 다이아몬드 및 다른 원석들과 같은 샘플들의 벌크에서의 높은 개구수 레이저 마킹을 위한 수차 보정을 적용하도록 구성된 레이저 시스템들을 설명한다.

다이아몬드의 표면 아래에서 초단파(10 ps 미만, 바람직하게는 피코초 미만) 펄스화된 레이저를 포커싱하면, 다이아몬드 표면에 대한 임의의 개질 없이 격리된 가시적인 마크들을 만드는 것이 가능하다. 조밀한 포커싱(tight focusing) 및 짧은 펄스 길이의 조합은 다광자 흡수(multiphoton absorption) 또는 터널링 이온화(tunnelling ionization), 그 다음으로, 아발란치 이온화(avalanche ionization)의 어느 하나를 통해, 광의 비선형 흡수를 위하여 충분히 높은 초점에서 전기장을 초래한다. 프로세스의 비선형 본질은 재료 샘플의 주위 영역들 또는 표면에 대한 손상 없이, 구조적 개질이 레이저의 초점 부피(focul volume)로 구속된다는 것을 의미한다. 펄스의 초단파 본질은, 임의의 것이 열을 통해 확산할 수 있기 전에, 모든 에너지가 개질로 전달되어, 매우 작은 마이크론 미만(sub-micron) 마크들이 가능하게 한다는 것을 의미한다.

레이저가 다이아몬드 격자(diamond lattice)를 파괴(break down)할 때, 레이저는, 높은 국소적 응력들을 야기시키고, 주로 111 평면들을 따라 다이아몬드의 국소적 균열(local cracking)이 동반되는, sp2 결합된 탄소의 작은 포켓(pocket)들을 유도한다. 마크들은 투명한 배경에 대해 어둡게(불투명함) 보인다. 이것은 흑연화된 영역들로부터의 흡수, 그러나 또한, 구조에서의 국소적 비균일성으로부터의 산란에 부분적으로 기인한다.

레이저 기록된 마크들은 QR code^TM 또는 다른 유형의 코드, 패턴, 일련 번호, 또는 다른 고유한 설계를 이용하는, 다이아몬드 원석들의 식별 또는 홀 마킹(hall marking)을 위한 영구적인 특징부들로서 이용될 수 있다. 마크들이 전도성이므로, 마크들은 또한, 레이저 기록된 와이어(laser written wire)들로서 이용될 수 있다. 마크들은 다이아몬드에서 복굴절(birefringence)을 생성하는 국소적 스트레인(local strain)을 생성하고, 따라서, 도파관(waveguide)들과 같은 광학적 구조들을 생성하기 위하여 또한 이용될 수 있다.

고도로 반복가능한 결정론직 마킹을 위하여, 레이저는 다이아몬드 표면 아래에서 높은 개구수로 포커싱되어야 한다. 이것은 공기, 물, 또는 오일 침지 대물 렌즈로 될 수 있다. 전형적으로, 개구수 NA는 0.8 초과, 바람직하게는 1 초과, 그리고 가장 바람직하게는 1.2 초과이어야 한다. 개구수들은 전형적으로 2.0 미만, 더 전형적으로, 1.5 이하이다.

샘플 표면 아래에서 높은 개구수로 포커싱할 때, 수차들은 주요한 우려사항이다. 큰 굴절률 차이로 인해 다이아몬드 표면에서 광의 광선(ray)들의 상당한 굴절이 있고, 이것은 대물 렌즈에 대하여 선택된 침지 매체에 관계 없이 높다. 상이한 각도들로 입사하는 광선들은 스넬(Snell)의 법칙으로 인해, 상이한 양들만큼 굴절되고, 이 때문에, 초점에서 위상에 있어서 더 이상 완벽하게 겹치지 않는다. 이에 따라, 시스템은 순수하게 회절에 의해 더 이상 제한되지 않고, 레이저 초점은 왜곡된다. 레이저 초점의 왜곡은 해상도를 손실시키고, 높은 NA 렌즈를 이용하는 효과를 중화시킨다.

일탈될 때, 다이아몬드 표면 아래에서의 레이저 제조는 불규칙하고, 비제어되게 되고, 주어진 펄스 에너지 및 도우즈(dose)에서 마이크론 미만 마크들(시스템의 광학 축에 수직인 횡단 방향으로 마이크론 미만)을 결정론적으로 생성하는 것은 불가능하다. 수차는 다이아몬드 표면에서의 굴절로부터 본질적으로 주로 구형이다. 구면 수차의 양은 분석적으로 계산될 수 있다(참조, Booth, 1998, Journal of Microscopy). 수차는 샘플 내부의 깊이, 포커싱 렌즈의 NA, 및 굴절률(refractive index; RI) 오정합과 함께 증가한다는 것을 알 수 있다.

또 다른 중요한 수차는 1차 코마(first order coma)이고, 1차 코마는 레이저가 계면을 통해 포커싱되는 계면의 틸트에 관련되어, 레이저는 시스템의 광학기기 축에 완벽하게 수직은 아니다. 도 1은 코마 수차를 도입하는 샘플 틸트를 예시하는 레이저 시스템의 일부분의 개략도를 도시한다.

이 수차들은 동일하고 반대인 위상 분포를 대물 이전에 레이저 빔에 부과하여, 초점에서의 굴절 제한된 성능을 복원하고, 주어진 펄스 에너지 및 도우즈에서 서브-마이크론 특징부들의 고도로 반복가능한 결정론적 마킹을 가능하게 하기 위하여, 액정 공간적 광 변조기(SLM)와 같은 적응적 광학 엘리먼트들을 이용하여 성공적으로 보정될 수 있다는 것이 이전에 도시되었다(참조, Simmonds, Optic Express, 2011 및 Salter Booth 특허 출원, 2017).

적응적 광학기기 수차 보정은 재료 내부에서의 결정론적 레이저 마킹에 대한 신축적인 솔루션(solution)을 제공하지만, 그것은 유일한 솔루션이 아니다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 수차 없는 성능 및 신뢰성 있는 레이저 마킹에 근접한 것을 제공할 수 있는 다른 실제적인 구현예들이 있다.

도 2는 레이저, 2 개의 광학 엘리먼트들, 및 샘플을 지지하는 샘플 홀더를 포함하는 레이저 시스템의 개략도를 도시한다. 깊이 종속적 구면 수차를 보정하기 위하여 적응적 광학 엘리먼트를 이용하는 대신에, 다른 옵션들이 이용가능하다:

a. 유리 내부에서 포커싱할 때에 구면 수차를 제거하기 위한 보정 칼라를 포함하는 많은 현미경 대물 렌즈들이 구입될 수 있다. 전형적으로, 렌즈 내부의 유리 엘리먼트는 칼라가 회전될 때에 광학 축을 따라 이동할 수 있어서, 구면 수차를 유리 내부의 특정한 깊이에 대한 것으로 조절할 수 있다. 이 구면 수차 위상(phase)은 보석(gem) 내부에서 포커싱된 상이한 깊이에서의 구면 수차 위상으로 근사화될 수 있고, 그 다음으로, 그 깊이에서 감소된 구면 수차를 제공하기 위하여 이용될 수 있다.

b. 침지 매체로서 공기를 가지고 유리 내부의 특정한 깊이에 대한 고정된 보정을 가지는 많은 현미경 대물 렌즈들이 구입될 수 있다. 이 구면 수차 위상은 보석 내부에서 포커싱된 상이한 깊이로 근사화될 수 있고, 그 다음으로, 그 깊이에서 감소된 구면 수차를 제공하기 위하여 이용될 수 있다.

c. 희망된 임의의 자의적인 위상 디스플레이하는 고정된 위상 판이 구입될 수 있다. 따라서, 특정한 깊이 및 대물 렌즈에 대한 요구된 위상을 계산하고, 그 다음으로, 구면 수차 없이 보석 내부의 그 깊이에서 포커싱하기 위하여 그 렌즈와 함께 위상 판을 이용하는 것이 가능하다.

d. 다이아몬드 계면에서의 굴절에 의해 생성된 구면 수차에 의해 부분적으로 또는 완전히 상쇄되는, 대물 이전의 레이저 빔에서 구면 수차를 제공하기 위하여, 대물 렌즈 이전의 렌즈들의 조합은 (a)와 유사한 방식으로 정렬될 수 있고 조절될 수 있다.

또한, 샘플 틸트에 관련된 깊이 종속적 구면 수차를 보정하기 위하여 적응적 광학 엘리먼트를 이용하는 대신에, 다른 옵션들이 이용가능하다:

a. 샘플의 틸트를 측정하고(예를 들어, 광학 현미경), 그 다음으로, 틸트가 특정한 값 미만, 이상적으로 0.5 도 미만 뿐만 아니라, 1 도 미만, 및 확실히 2 도 미만일 때까지, 각도계(goniometer) 또는 팁/틸트 스테이지(tip/tilt stage)와 같은 기계적 마운트(mechanical mount)로 샘플의 틸트를 조절하기 위한 기구. 도 3은 샘플 틸트를 감소시키거나 제거하고 이에 따라, 코마 수차를 보정하기 위하여, 샘플 홀더(및 샘플 홀더에 의해 지지된 샘플)가 회전하도록 구성될 수 있다는 것을 예시하는 도 2의 레이저 시스템을 도시한다.

b. 샘플의 틸트를 측정하기 위한 기구(예를 들어, 광학 현미경), 및 그 다음으로, 샘플에 대한 대물 렌즈의 틸트를 위에서 설명된 값들 미만으로 조절하기 위한 기계적 기구. 렌즈가 틸팅될 때, 레이저 및/또는 다른 광학 컴포넌트들의 각도는 또한, 레이저 빔이 대물 렌즈의 후방 축에 수직으로 유지되도록 변화될 수 있다. 도 4는 샘플 틸트를 감소시키거나 제거하고 이에 따라, 코마 수차를 보정하기 위하여, 광학 컴포넌트들이 회전하도록 구성될 수 있다는 것을 예시하는 도 2의 레이저 시스템을 도시한다.

c. 렌즈들과 같은 고정된 광학 엘리먼트들은 또한, 코마 수차를 생성할 수 있다. 일단 샘플의 틸트가 측정되었으면, 코마 수차는 샘플 유도된 수차를 상쇄시키기 위한 코마의 요구된 양을 생성하기 위하여 렌즈를 광학기기 축에 수직으로 병진시킴으로써 보상될 수 있다. 도 5는 레이저, 3 개의 광학 엘리먼트들, 및 샘플을 지지하는 샘플 홀더를 포함하는 레이저 시스템의 개략도를 도시하고, 여기서, 광학 엘리먼트들 중의 적어도 하나는 틸트 각도에 의해 야기된 샘플 유도된 코마 수차를 상쇄시키는 코마의 양을 생성하기 위하여 이동될 수 있다.

d. 깊이 종속적 구면 수차에 대하여 (오직) 보정하기 위한 공간적 광 변조기(SLM) 또는 다른 적응적/능동 광학 엘리먼트, 및 샘플 틸트 및 코마 수차를 제거하기 위한 기계적 마운트. 예를 들어, 도 5의 레이저 시스템에서의 광학 엘리먼트들 중의 하나는 구면 수차를 보정하도록 구성된 SLM일 수 있다.

본 명세서에서 설명된 바와 같은 구성들 및 방법들은 원석들과 같은 샘플들 내부에서의 정확한 결정론적 마킹을 위하여 구면 및 코마 수차의 둘 모두의 보정/제거를 제공한다. 이전에 설명된 옵션들 중의 임의의 것은 원석 마킹을 위한 시스템으로 조합될 수 있다. 레이저 시스템은 또한, 초단파 펄스 레이저, 높은 NA 대물 렌즈, 및 보석 샘플을 장착하기 위한 3D 병진 스테이지(translation stage)를 포함한다. 구면 수차 보정은 특정된 재료에 대한 특정된 깊이에서의 마킹을 허용하기 위하여 고정된 엘리먼트를 이용하여 달성될 수 있다. 그러나, 코마 수차 보정은 샘플 장착에서의 오차들을 참작하기 위하여 일부 적응성을 요구할 것이다.

도 6은 2 개의 상이한 깊이들에서 그리고 수차 보정의 변동되는 정도들로 다이아몬드 샘플 내에서 형성된 마킹들을 예시하는 개략도이다.

도 6의 A는 수차 보정이 적용되지 않은, 깊이 1, 예컨대, 100 마이크로미터에서의 마킹들을 예시한다. 다이아몬드 샘플 내에서의 레이저 초점은 감소된 에너지 밀도를 갖는 깊이 방향으로 세장형(elongate)이다. 이와 같이, 높은 펄스 수, 예컨대, 10,000, 및 높은 펄스 에너지는 다이아몬드 샘플에서 마킹들을 형성하기 위하여 요구된다. 결과는 예시된 바와 같은 크고 비-결정론적인 마킹들이다.

대조적으로, 도 6의 B는 수차 보정이 본 명세서에서 설명된 바와 같이 적용된, 깊이 1에서의 마킹들을 예시한다. 레이저는 다이아몬드 내에서 정밀하게 포커싱되어, 다이아몬드 샘플에서 마킹들을 형성하기 위하여 낮은 펄스 수, 예컨대, 5, 및 낮은 펄스 에너지를 요구한다. 결과는 예시된 바와 같은 작고 결정론적인 마킹들이다.

도 6의 C는 B와 동일한 수차 보정이 적용된, 깊이 2, 예컨대, 200 마이크로미터에서의 마킹들을 예시한다. 깊이에서의 증가로 인해, 수차 보정은 불충분하다. 이와 같이, 다이아몬드 샘플 내에서의 레이저 초점은 감소된 에너지 밀도를 갖는 깊이 방향으로 세장형이다. 이와 같이, 높은 펄스 수, 예컨대, 10,000, 및 높은 펄스 에너지는 다이아몬드 샘플에서 마킹들을 형성하기 위하여 요구된다. 결과는 예시된 바와 같은 크고 비-결정론적인 마킹들이다.

최종적으로, 도 6의 D는 B와 비교하여 새로운 수차 보정이 깊이 2에 대하여 적용된, 깊이 2에서의 마킹들을 예시한다. 레이저는 다이아몬드 내에서 정밀하게 포커싱되어, 다이아몬드 샘플에서 마킹들을 형성하기 위하여 낮은 펄스 수, 예컨대, 5, 및 낮은 펄스 에너지를 요구한다. 결과는 예시된 바와 같은 작고 결정론적인 마킹들이다.

따라서, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템들 및 방법들의 유리한 특징은, 이 시스템들 및 방법들이 다이아몬드와 같은 재료 내의 상이한 깊이들의 범위에서 극도로 작은 마크들 및 또한 더 큰 마크들을 효율적으로 가공할 수 있다는 것이 명백할 것이다. 이것은 다이아몬드 원석들의 보안 마킹을 위하여 유리할 수 있다. 다이아몬드 원석을 식별하기 위하여 10x 배율 루페 하에서 가시적인 마크를 제공할 수 있는 것은 유리한 것으로 고려된다. 그러나, 이러한 가시적인 마크들은 잠재적으로 복사될 수 있다. 이와 같이, 보안을 증가시키기 위하여, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템은 또한, 10x 배율 루페 하에서 가시적이지 않지만, 더 높은 배율 하에서 가시적인 제2 마크를 제공할 수 있다.

제1 마크 및 제2 마크는 sp3 탄소 다이아몬드 격자 내에서 흑연 sp2 탄소로 형성될 수 있다. 상이한 크기의 마크들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 레이저 시스템을 이용하여 용이하게 제조될 수 있다. 제1 마크 및 제2 마크는 표면 아래의 상이한 깊이들에서 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 마크들의 깊이에서의 차이는 적어도 30 마이크로미터일 수 있다. 또한, 제1 마크 및 제2 마크는 표면을 통해 관측될 때에 겹칠 수 있다. 이와 관련하여, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 시스템은 상당히 상이한 크기들로 그리고 상당히 상이한 깊이들에서 이러한 마크들을 제조할 수 있다. (적어도 동일한 관측 프레임 내의) 동일한 횡방향 포지션에서, 그러나 상이한 깊이들에서 마크들을 제공함으로써, 제1 가시적 마크는 더 높은 배율 하에서 오직 가시적이고, 이에 따라, 안내부로서의 제1 마크 없이 발견하기가 더 어려운 제2 마크를 위치시키기 위하여 이용될 수 있다.

제1 마크는 2 마이크로미터 초과인 표면에 대해 평행한 폭을 가지는 적어도 하나의 라인 또는 도트, 및/또는 표면에 대해 평행한 방향으로 10 마이크로미터 미만인 분리를 갖는 복수의 라인들을 포함할 수 있다. 제1 마크의 전체적인 크기는 200 마이크로미터 초과일 수 있다. 대조적으로, 제2 마크는 2 마이크로미터 이하, 더 바람직하게는, 1 마이크로미터 이하인 표면에 대해 평행한 폭을 가지는 하나 이상의 라인들 또는 도트들로 구성될 수 있다.

수차 보정의 개시된 시스템 및 방법은 0.5 초과인 스트렐 비율을 가지는 샘플 내의 레이저 초점을 달성할 수 있다. 방법은 0.5 초과인 스트렐 비율을 갖는 레이저 초점을 이용하여 샘플을 개질하는 것을 포함할 수 있다. 초점은 0.6 초과, 0.7 초과, 0.8 초과, 또는 0.9 초과인 스트렐 비율을 가질 수 있다. 스트렐 비율은 초점이 그 이상적인(즉, 회절 제한된) 초점에 얼마나 근접한지의 척도로서 이해될 수 있다. 포커싱 시스템의 내재적인 회절에 의해 오직 제한된 레이저 초점(즉, 회절 한계의 크기의 레이저 초점)은 1의 스트렐 비율을 가질 것이다. 실제적으로, 광학계에서의 내재적인 결점들은, 회절 한계의 크기가 아니고, 그러므로, 1 미만인 스트렐 비율을 가질 초점으로 귀착될 것이다. 약 0.1의 스트렐 비율은 예컨대, 높은 NA 렌즈에 대한 다이아몬드 샘플에서의 100 μm의 깊이에서 포커싱된 레이저에 대해 전형적이다. 그러므로, 스트렐 비율은 레이저 초점에 대한 수차의 효과의 척도로서 이해될 수 있고, 1에 더 근접한 비율들은 시스템에서의 수차들 및 결점들에 의해 덜 영향받는다. 스트렐 비율은 또한, 주어진 초점의 효율의 척도로서 이해될 수 있다.

스트렐 비율은 시스템에서 존재하는 수차들이 없을 때의 것에 대한 피크 초점 세기(peak focal intensity)로서 정의될 수 있다. 회절에 의해 간단하게 제한된 초점이 피크 세기 I₀를 가지고, 실제의 시스템이 피크 세기 I_p를 가질 때, 스트렐 비율은 비율 I_p/I₀로서 정의된다. 수차들이 시스템에서 존재할 경우에, 파면 오차(wavefront error)들은 광을 초점으로부터 멀어지도록 회절시키고, 이론적인 최대 I₀으로부터 실제적인 피크 세기 I_p를 감소시키고, 이에 따라, 스트렐 비율을 감소시킨다. 파면 오차가 수차 위상 함수 으로서 특성화될 경우에, 스트렐 비율(Strehl ratio) S는 다음에 의해 주어진다:

여기서, 각진 브라켓들은 포커싱 대물 렌즈의 동공 개구부(pupil aperture)로서 여기에서 취해진, 광학계에서의 특정한 개구부에 대한 평균을 나타낸다. 완벽한 시스템에 대하여, 파면 오차는 제로(평탄한 위상)이고, 스트렐 비율은 1이다. 파면 오차가 수차로 인해 증가할 경우에, 스트렐 비율은 감소한다. 수차 함수(aberration function)는 초점을 향한 광의 전파에 관련된 모든 위상 오차들을 설명하고, 1차 코마(primary coma), 1차 구면(primary spherical), 및 1차 비점수차(primary astigmatism)와 같은 제르니케 다항식(Zernike polynomial)들의 합으로서 기록될 수 있다. 수차 함수는 대안적으로, 기초 함수들의 또 다른 세트의 합으로서, 또는 알려진 샘플 내의 특정한 포커싱 위치에 대한 직접적인 수치 연산/분석 솔루션으로서 구성될 수 있다.

방법은 예를 들어, 샘플 내의 포토루미네선스(photoluminescence)에 의해, 샘플 내의 레이저의 초점을 측정하는 것, 및 측정된 초점에 기초하여 능동 광학 엘리먼트에 적용된 보정을 수정하여, 이에 의해, 포커싱의 효율을 개선시키고 및/또는 초점의 스트렐 비율을 증가시키는 것을 포함할 수 있다.

샘플은 레이저 광이 이를 통해 입사하고 수차를 야기시킬 평탄한 표면을 포함할 수 있다.

개질된 영역은 레이저로의 노출로 인한 변화를 거친 샘플 내의 임의의 영역일 수 있다. 전형적으로, 개질된 영역은 상이한 특성들을 포함할 것이고, 그것을 둘러싸는 벌크 재료와는 상이한 광학적, 구조적, 기계적, 전기적 등의 특성들을 포함할 수 있다.

능동 광학 엘리먼트는 엘리먼트 상에서 입사하는 광의 특성들을 동적으로 개질할 수 있는 임의의 엘리먼트이다. 예를 들어, 액정 공간적 광 변조기(SLM)들, 변형가능한 미러들(또는 마이크로-변형가능한 미러들), 및 적응적 렌즈들은, 공간적으로 변동되는 변조들을 레이저 빔의 프로파일에 동적으로 부과하여, 이에 의해, 예컨대, 그 위상 및/또는 전파 특성들을 제어하기 위하여 이용될 수 있는 능동 광학 엘리먼트들이다.

샘플의 틸트를 측정하는 것은 레이저 빔의 전파로부터의 샘플 표면의 경사를 측정하는 것을 포함할 수 있고, 및/또는 양자의 수평 방향들(즉, 레이저 빔 전파에 대해 횡단하는 2 개의 직교적 차원들)에 대한 경사(즉, 틸트)를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 샘플의 틸트를 측정하는 것은 대물 렌즈의 횡단 평면으로부터의 샘플 표면의 경사의 측정을 포함할 수 있다. 그러므로, 샘플의 측정은 어떤 수차들이 시스템 초점에 영향을 줄 것인지에 대한 정보를 제공한다.

측정은 임의의 적당한 수단에 의해 수행될 수 있고, 샘플 표면으로부터의 반사를 포함할 수 있다. 측정은 샘플 입사 표면 상의 복수의 포인트들로부터의 반사를 포함할 수 있다.

측정은 이미징에 의해 행해질 수 있다. 샘플의 표면의 최적 초점(즉, 가장 예리한 이미지)에 대한 올바른 축방향 포지션은 3 개의 상이한 위치들에서 발견될 수 있다. 이것은 축방향으로 약 0.5 μm까지 정확할 수 있다. 3 개의 포인트들은 약 0.2 mm만큼 횡단 방향으로 분리될 수 있다. 분리 거리는 중요한 것으로 예상되는 틸트들의 범위가 주어질 경우에, 틸트의 정확한 배열을 행하기에 충분히 클 수 있다. 예를 들어, 0.5 도 초과인 범위에서의 다이아몬드 틸트는 샘플 내의 초점의 품질에 대해 상당한 효과들을 가질 수 있다.

다른 방법들은 측정을 행하기 위하여 이용될 수 있다. 시스템이 오일 침지 대물을 이용하고 있을 경우에, 유사한 방법은 상기한 것과 동일한 측정을 수행하기 위하여 이용될 수 있지만, (표면이 연마될 수 있어서, 이미징하기 위한 명확한 것이 없을 때, 일부 샘플들에서 문제일 수 있는) 샘플 표면의 축방향 포지션을 확인하기 위하여 가장 예리한 초점을 이용하는 대신에, 레이저는 침지 오일을 끓이기 위하여 이용될 수 있다. 즉, 레이저 초점이 침지 오일 내부에 있을 때, 레이저 초점은 오일을 끓이고, 레이저 초점이 샘플 내부에서 이동할 때, 어떤 것도 가시적이지 않다. 이 경우에, 펄스 에너지는 샘플 내에서 제조하기 위한 임계치 미만일 것이다. 이 접근법은 이미징 접근법과 대략적으로 동일한 축방향 정확도를 가지지만, 일부 경우들에는 구현하기가 더 용이할 수 있다. 그러나, 이 접근법을 오일 기반 렌즈들에 대하여 오직 작동한다.

샘플 표면의 축방향 위치를 측정하기 위한 또 다른 방법은 표면으로부터의 반사에 의존한다. 이것은 (펄스 에너지가 제조 임계치 미만일 때) 제조 레이저 자체로부터, 또는 대안적인 광원(예컨대, 레이저 또는 LED)으로부터의 것일 수 있다. 샘플의 표면은 반사된 신호가 최대일 때에 위치될 수 있다.

또 다른 방법은 표면이 렌즈의 초점에 있을 때에 다시 최대화되는, 샘플 표면으로부터의 제3 고조파 생성(third harmonic generation; THG)을 주시하는 것을 포함할 수 있다. 간섭계측 측정(interferometric measurement)은 표면 포지션의 매우 정확한 측정을 제공하기 위하여 반사된 광과 함께 이용될 수 있다(대안적인 코히어런트 소스(coherent source)는 간섭계(interferometer)를 위하여 필요할 것임).

또 다른 대안적인 방법은 다이아몬드 표면으로부터 카메라 상으로의 레이저 빔의 반사를 이미징하는 것이고, 카메라 상의 반사의 횡단 변위는 당업자가 단일 측정으로부터 샘플의 틸트를 결정하는 것을 허용한다.

적용하기 위한 보정을 결정하는 것은 적어도 측정된 틸트를 이용한다. 그것은 샘플의 표면 아래에서 개질되어야 할 영역의 깊이에 기초한 보정을 결정하는 것을 또한 포함할 수 있다. 보정을 결정하는 것은 굴절을 참작하기 위하여 샘플 재료의 광학적 특성들에 속하는 정보를 이용하는 것을 포함할 수 있다.

방법은 레이저 시스템 내의 샘플의 포지션을 결정하는 것; 적용되어야 할 보정을 결정하기 위하여 측정된 포지션을 또한 이용하는 것; 및 레이저 초점에 대한 구면 수차의 효과를 중화시키기 위하여 레이저의 파면 특성들을 개질하기 위하여 보정을 적용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 포커싱 깊이를 결정하기 위하여 레이저가 입사하는 샘플의 표면의 포지션을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 포커싱 깊이에 적어도 부분적으로 기초하여 보정을 결정하는 것을 더 포함할 수 있다.

그러므로, 샘플의 틸트에 의해 야기된 코마를 보정할 뿐만 아니라, 보정은 구면 수차를 참작할 수 있다. 구면 수차의 양은 포커싱 깊이에 비례할 수 있다. 구면 수차는 포인트 초점(point focus)을 뾰족한 형상으로 왜곡시키고, 그렇게 행함으로써, 초점의 피크 세기를 축방향으로 수차 표면을 향해 그리고 그 이상적인 포지션으로부터 멀어지도록 이동시킨다. 그러므로, 구면 수차에 의해 영향받는 초점은 샘플 표면에 더 근접한 피크 세기를 가질 것이다. 초점의 이러한 이동은 또한, 디포커스(defocus)로서 공지되어 있다. 샘플의 포지션을 측정함으로써, 보정은 구면 수차의 효과들을 중화시키기 위하여 결정될 수 있다. 방법은 초점의 피크 세기의 이동을 참작하기 위하여 샘플의 축방향 포지션을 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 구면 수차의 디포커스 성분(defocus component)을 참작하기 위하여 샘플의 축방향 포지션을 변화시키는 것을 포함할 수 있다.

이 때문에, 방법은 샘플의 표면에서의 굴절에 의해 야기된 코마 및 구면 수차의 둘 모두의 효과들을 참작하기 위하여 보정들을 적용하는 것을 포함할 수 있다.

방법은 개질된 영역을 형성한 후에 샘플을 측정하는 것, 및 추가의 측정에 기초하여 보정을 수정하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플의 개질된 영역을 측정하는 것, 및 개질된 영역의 측정에 기초하여 보정을 수정하는 것을 포함할 수 있다. 그러므로, 방법은 예컨대, 초점의 크기 및 형상을 더 면밀하게 제어하기 위하여 보정이 세분화되는 피드백 스테이지(feedback stage)를 포함할 수 있고, 초점에 대한 수차(예컨대, 코마 및/또는 구면 수차)의 효과들을 추가로 감소시킬 수 있다. 보정의 세분화는 더 큰 스트렐 비율을 달성할 수 있다. 추가의 측정은 샘플 내의 본질적인 결함들로부터의 것일 수 있는 비선형 포토루미네선스 여기(non-linear photoluminescence excitation)를 이용할 수 있다. 방법은 포토루미네선스, 플라즈마 방출 또는 흡수, 또는 반사 또는 투과 특성들을 이용하여 레이저 개질의 샘플에 대한 효과들을 검출하는 것을 포함할 수 있다.

보정을 결정하는 단계는 코마를 보정하기 위한 계산에서 측정된 틸트를, 그리고 적용가능할 경우에, 구면 수차를 보정하기 위한 측정된 포지션을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방법으로, 맞추어진 보정은 각각의 샘플에 대하여 계산될 수 있다.

보정을 결정하는 단계는 이용가능한 보정들의 데이터베이스로부터 보정을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 이 때문에, 방법은 예컨대, 샘플의 틸트가 미리 결정된 범위 내에 있고, 및/또는 샘플의 포지션이 미리 결정된 범위 내에 있을 때, 적용하기 위한 특정 보정을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 데이터베이스는 각각이 인자들의 미리 결정된 범위에 대한 것인, 복수의 보정들을 포함할 수 있다.

보정은 직교 모드들의 확장에 의해 정의될 수 있다. 각각의 모드는 수차 모드를 정의할 수 있다. 보정은 순수 모드일 수 있거나, 보정은 모드들의 중첩일 수 있다. 보정은 제르니케 다항식에 의해 정의될 수 있거나, 제르니케 다항식들의 확장에 의해 정의될 수 있다.

보정은 레이저 빔 프로파일을 희망된 프로파일로 변조하기 위한 위상 필드(phase field)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 액정 공간적 광 변조기(SLM)를 이용할 수 있고, 보정은 SLM을 위한 디스플레이 필드를 표현할 수 있다. 방법은 변형가능한 미러(deformable mirror; DM)를 이용할 수 있고, 보정은 변형가능한 미러를 위한 구성일 수 있다. 보정은 적응적 렌즈를 위한 구성일 수 있다.

보정을 결정하는 단계는 레이저의 펄스 에너지에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 그러므로, 보정은 수평 및 수직 코마, 구면 수차, 및 펄스 에너지를 참작할 수 있다. 펄스 에너지는 보정에 기초하여 선택될 수 있다. 방법은 보정 및 샘플에 기초하여 이용되어야 할 펄스 에너지를 결정하는 것을 포함할 수 있고, 결정된 펄스 에너지의 레이저 펄스를 이용하여 샘플을 개질하는 것을 포함할 수 있다.

보정이 충분할 경우에, 동일한 펄스 에너지는 샘플 내의 어느 곳에서나 제조하고 동일한 결과를 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 이것은 전형적으로, 이 개시내용에서 고려된 수차 범위들에 대하여 마찬가지다. 그러나, 보정이 충분하지 않을 경우에, 펄스 에너지는 증가될 수 있다.

보정이 충분하지 않을 경우에, 펄스 에너지는 제조를 위하여 상승될 수 있다. 수차가 실질적이고 보정이 수차를 완전히 중화시키기 위하여 전혀 충분하지 않을 경우에, 펄스 에너지는 실질적으로 상승될 수 있다. 일부 재료들에서(예컨대, 특히 다이아몬드에서), 보정이 불충분할 경우에, 펄스 에너지가 얼마나 높이 상승되더라도 정확하게 그리고 신뢰성 있게 제조하는 것은 가능하지 않다. 예를 들어, 다이아몬드에서 약 250 μm의 깊이에서, 구면 수차가 완벽하게 보정되지만, (예컨대, 1 rad의) 작은 코마 수차가 그렇지 않더라도, 단일 펄스 레이저 제조는 실험적으로 관찰되지 않는다. 펄스 에너지는 매우 높게 상승될 수 있고, 여전히, 제조는 단일 펄스로 달성되지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 제조는 결정론적으로 달성될 수 없다. 그 대신에, 도우즈(즉, 개질된 영역 당 펄스들의 수)는 증가되어야 하고, 결과적인 제조는 크고(예컨대, 5 μm 초과), 열악하게 정의된다. 또한, 요구된 도우즈는 다이아몬드 내의 상이한 위치들에서 예측불가능하게 변동될 것이다.

보정을 결정하는 것은 미리 결정된 함수를 최적화하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 논의 중인 샘플에 속하는 다양한 인자들에 기초하여 보정을 결정하기 위하여 알고리즘을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 인자들은 코마, 구면 수차, 및 펄스 에너지를 포함할 수 있다. 보정을 결정하는 것은 수직 코마, 수평 코마, 구면 수차, 및 펄스 에너지의 임의의 조합을 포함하는 인자들에 기초하여, 3 차원 검색 공간, 또는 4 차원 검색 공간, 또는 더 높은 차원의 검색 공간으로부터 희망된 보정을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 비용 함수(cost function)를 최소화하는 것(및/또는 메리트 함수(merit function)를 최대화하는 것)을 포함할 수 있다.

방법은 샘플 내의 공간적으로 별도의 영역들을 동시에 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 각각의 영역을 개질하기 위한 동일한 펄스 에너지를 이용하여 샘플 내의 별도의 영역들을 연속적으로 개질하는 것을 포함할 수 있다.

방법은 복수의 레이저 빔들 및 초점들의 어레이를 이용하여 샘플을 레이저 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 개개의 레이저 빔들을 이용하여 샘플의 공간적으로 별도의 영역들을 동시에 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플의 희망된 영역들을 개질하기 위하여, 각각의 펄스가 개개의 레이저 빔으로부터인, 복수의 펄스들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 보정 이전에 복수의 빔들을 형성하는 것을 포함할 수 있고, 이 때문에, 방법은 복수의 공간적으로 별도의 레이저 빔들에 대해 수차 보정을 수행하기 위하여 단일 광학계를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 수차 보정 및 다수 빔 생성이 동시적이도록, 복수의 레이저 빔들을 생성하는 것을 포함할 수 있다.

개질된 영역을 형성하는 단계는 재료의 개질을 야기시키기 위하여 비선형 광학적 상호작용들을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플의 벌크 내의 재료를 오직 개질하는 것을 포함할 수 있다. 이 때문에, 방법은 샘플의 표면을 개질하지 않는 것을 포함할 수 있다. 방법은 50 마이크로미터 초과, 또는 150 마이크로미터 초과, 또는 300 마이크로미터 초과인 깊이에서 샘플을 개질하는 것을 포함할 수 있다.

방법은 샘플 내에서 복잡한 구조들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법은 특징부들의 어레이를 샘플 내에서 형성하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플 내에서, 일직선이거나 만곡되거나 임의의 적당한 형상일 수 있는 라인 특징부를 생성하기 위하여, 레이저 개질 동안에 샘플을 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플 내에서, 일직선이거나 만곡되거나 임의의 적당한 형상일 수 있는 라인 특징부를 생성하기 위하여, 레이저 개질 동안에 샘플을 스캐닝(scanning)하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 이격된 포인트들로 형성된 광학적 부피를 형성하는 것을 포함할 수 있고, 및/또는 회절 엘리먼트를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 재료의 벌크 내에서 공간적으로 별도의 영역들을 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플 내에서 가시적인 특징부들을 마킹하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플 내에서 구조를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 적어도 하나의 차원에서, 예를 들어, 5 마이크로미터 초과, 또는 20 마이크로미터 초과인 큰-스케일(large-scale) 특징부를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 샘플 내에 희망된 응력 필드(stress field)를 생성하기 위하여 샘플의 미리 결정된 영역들을 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은, 입사 광의 위상을 시프트하거나, 특징부들이 위상 콘트라스트 현미경법(phase contrast microscopy)에 의해 가시적일 수 있거나, 특징부들이 암 시야 현미경법(dark field microscopy)에서 가시적일 수 있는, 샘플 내의 특징부들의 생성을 포함할 수 있다. 방법은 미리 결정된 영역에서 샘플의 굴절률을 개질하는 것을 포함할 수 있고, 미리 결정된 영역의 스트레인 필드(strain field)를 변화시켜서 그 굴절률을 개질하기 위하여, 그 영역을 레이저에 노출함으로써 또는 인접한 영역들을 레이저에 노출함으로써 이러한 개질을 달성할 수 있다.

방법은 샘플 내에서 레이저를 포커싱하기 위하여 높은 개구수(NA) 렌즈를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 이것은 구면 수차의 효과들을 약화시킬 수 있다. 방법은 침지 매체를 갖지 않는 대물 렌즈(즉, 건식 렌즈)를 이용하는 것을 포함할 수 있거나, 침지 매체(예컨대, 오일)를 갖는 대물 렌즈를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 약 0.5 초과인 개구수를 갖는 대물 렌즈를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 약 0.8 초과인 개구수를 갖는 대물 렌즈를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 건식일 경우에 0.8 NA 초과 또는 오일 침지일 경우에 1.2 NA 초과인 대물 렌즈를 이용하는 것을 포함할 수 있다.

방법은 원석을 개질하는 것을 포함할 수 있거나, 결정 격자를 개질하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 방법은 다이아몬드를 포함하는 샘플을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 다이아몬드는 원석의 형태일 수 있다. 방법은 예컨대, 보안 디바이스로서 원석을 마킹하기 위하여 이용될 수 있다.

방법은 샘플, 특히, 다이아몬드 내에서 전기적 전도체들을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 다이아몬드는 성장된 다이아몬드 기판일 수 있다. 방법은 예컨대, 샘플 내의 전기적 전도체들에 대한 전기적 접속들을 제공하기 위하여 샘플(예컨대, 다이아몬드)을 금속으로 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 탄소를 sp3 위상으로부터 sp2 위상으로 변환하고, 이에 의해, 다이아몬드 구조를 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 다이아몬드 표면과 만나는 다이아몬드 내의 영역을 개질하는 것을 포함할 수 있다.

보정은 직교 모드들의 확장에 의해 정의될 수 있다. 각각의 모드는 수차 모드를 정의할 수 있다. 보정은 순수 모드일 수 있거나, 보정은 모드들의 중첩일 수 있다. 보정은 제르니케 다항식에 의해 정의될 수 있거나, 제르니케 다항식들의 확장에 의해 정의될 수 있다. 보정은 제르니케 다항식들 이외의 직교적 기초를 이용하는 모드들의 중첩으로서 정의될 수 있다. 보정은 예컨대, 특정한 기하구조에 대한 분석적 솔루션, 또는 특정한 포커싱 기하구조에 대한 수치 솔루션일 수 있다. 보정은 초점 피드백(focal feedback)의 방법을 이용하여 반복적 최적화를 통해 결정될 수 있다. 보정은 제르니케 다항식들 이외의 직교적 기초를 이용하는 모드들의 중첩으로서 정의될 수 있다. 보정은 예컨대, 특정한 기하구조에 대한 분석적 솔루션, 또는 특정한 포커싱 기하구조에 대한 수치 솔루션일 수 있다. 보정은 초점 피드백의 방법을 이용하여 반복적 최적화를 통해 결정될 수 있다.

방법은 수차 모드들을 특성화하고 보정을 결정하기 위하여 제르니케 확장(Zernike expansion)의 계수들을 계산하는 것을 포함할 수 있다. 보정을 적용하는 것은 제르니케 모드들의 중첩을 보정에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 제르니케 모드들의 진폭은 보정에 의해 정의될 수 있다. 보정은 단일 모드 또는 모드들의 중첩일 수 있다.

보정은 샘플에 의해 야기된 틸트 수차 모드의 초점에 대한 효과들을 중화시킬 수 있고, 틸트 수차 모드는 샘플의 틸트에 의해 야기된 코마 수차 모드와는 구분된다. 상이한 수차 모드들은 이들이 야기시키는 위상 변화의 상이한 차수(order)들에 의해 특성화된다. 틸트 수차 모드는 위상 변화의 코마와는 상이한 차수에 의해 특성화된다. 구면 수차 모드는 위상 변화의 코마 및 틸트와는 상이한 차수에 의해 특성화된다. 보정을 결정하는 것은 샘플에 의해 어느 수차 모드들이 레이저 초점에 도입될 것인지를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

예를 들어, 틸트 수차는 광학계의 동공(pupil)에서, 에 비례하는 위상 변동으로서 설명될 수 있고, 여기서, 은 동공 평면(pupil plane)에서의 극 좌표(polar coordinate)들이고, 은 틸트의 방위를 표현한다. 코마 수차는 형태 의 컴포넌트들을 가지고, 여기서, 위상은 방사상 좌표의 3제곱과 함께 변동된다. 홀수 제곱들을 갖는 더 높은 차수의 방사상 항(term)들이 또한 존재할 수 있다.

방법은 10 nJ 내지 300 nJ 사이의 펄스 에너지들을 갖는 펄스화된 레이저를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 펄스 에너지들은 80 nJ 내지 150 nJ 사이일 수 있다. 펄스 에너지는 샘플 재료에 대한 개질을 위한 임계치 초과일 수 있다. 방법은 UV, 가시광선, 또는 적외선 스펙트럼들에서 파장들을 갖는 레이저를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 근적외선 스펙트럼에서 파장을 갖는 레이저를 이용하는 것을 포함할 수 있다.

방법은 단일 레이저 펄스를 이용하여 샘플을 레이저 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 복수의 펄스들을 이용하여 샘플을 개질하는 것을 포함할 수 있다. 펄스는 펨토초 펄스 또는 피코초 펄스일 수 있다. 방법은 도우즈들 사이에서 펄스 에너지를 변동시키는 것을 포함할 수 있다.

방법은 전파 방향으로 1 마이크로미터 미만인 영역을 개질하는 것을 포함할 수 있다. 방법은 x, y, 및 z 방향들의 각각에서 1 마이크로미터 미만인 영역을 개질하는 것을 포함할 수 있다.

샘플 벌크는 다이아몬드일 수 있다. 개질된 영역은 전기적 전도체들을 포함할 수 있다. 개질된 영역은 보안 코드를 포함할 수 있다. 개질된 영역은 회절 격자(diffraction grating)를 포함할 수 있다. 개질된 영역은 모든 차원들에서 1 마이크로미터 미만(즉, 폭, 높이, 및 깊이에서 1 마이크로미터 미만)일 수 있다. 개질된 영역은 샘플의 최근접 표면 아래에서 100 마이크로미터 초과, 바람직하게는 200 마이크로미터 초과, 그리고 더 바람직하게는 500 마이크로미터 초과일 수 있다.

투명한 재료들 내부에서 높은 해상도로 레이저 프로세싱하기 위한 시스템들 및 방법들이 이와 같이 제공되고, 이 시스템들 및 방법들은 재료 표면에서의 반사의 효과들을 보상하기 위하여 수차 보정을 편입시킨다. 시스템들은 수차 보정 및 초점 세기를 최적화하여 재료 개질의 필요한 레벨을 획득하기 위하여 재료의 측정들로부터의 피드백을 이용한다. 특정한 애플리케이션은 다이아몬드 내부에서의 특징부들의 제조를 위한 것이다.

개시된 시스템들 및 방법들의 애플리케이션들은 굴절률의 국소적 증가를 통해 유리들 내의 광 안내부들의 생성을 포함한다. 유사한 구조들은 매질에서의 손상된 트랙들 주위의 응력 필드들에 의해 야기된 굴절률에서의 국소화된 증가들을 이용하여 KDP 또는 리튬 니오베이트(lithium niobate)와 같은 결정들에서 생성될 수 있다. 미세유체 디바이스들은 유리의 노출과, 그 다음으로, 화학적 에칭을 통해 생성될 수 있다. 비선형 광중합(photopolymerisation)은 적절한 용액들로부터 복잡한 3D 중합체 구조들을 생성하기 위하여 이용될 수 있다.

개시된 시스템들 및 방법들은 모든 차원들에서 1 마이크로미터 미만일 수 있는 회절-제한된 레이저 초점과 대략 동일한 크기인 재료 내의 개질된 영역들을 생성하기 위하여 이용될 수 있다.

다이아몬드에서의 제조

펨토초 펄스화된 레이저들이 다이아몬드 내부에서 조밀하게 포커싱될 때, 비선형 광학적 상호작용들은 초점에서의 에너지 밀도에 따라, 다양한 방법들로 결정 격자의 개질을 야기시킨다. 낮은 에너지들에서는, 어닐링(annealing) 후에 컬러 중심들을 생성하기 위하여 이용될 수 있는 결정 격자의 작은 붕괴가 있다. 더 높은 에너지들에서는, sp3 위상(다이아몬드 결정 구조)으로부터 sp2 위상(흑연)으로의 탄소의 상당한 변환이 있는 규모까지 상당한 격자 붕괴가 있다. 전형적으로, 레이저 개질된 영역들은 sp2 및 sp3 위상들의 조합인 비정질 탄소의 형태를 취한다.

다이아몬드에서의 미세한 광학적 특징부들의 제조는 단-펄스화된 레이저(short-pulsed laser)들 및 높은 개구수(NA) 대물 렌즈들을 이용한다. 이것은 특징부들이 재료 내에서 3 차원들에서 양호하게 구속되고 재료의 표면에 대한 손상이 없다는 것을 보장한다. 단일 레이저 노출은 개질된 재료의 포인트-유사(point-like) 특징부를 생성할 수 있다. 2 차원 또는 3 차원일 수 있는 복잡한 구조들은 포인트-유사 특징부들의 집합들을 이용하여 구축될 수 있다. 대안적으로, 선형 구조들은 근접하게 이격된 특징부들로 구성될 수 있다.

다이아몬드 내부에서의 서브-표면 레이저 프로세싱을 위한 2 개의 요법들이 있다: (i) 매우 낮은 펄스 에너지에서, 고도로 비선형 상호작용은 레이저 초점에서 격자 공극들의 앙상블(ensemble)을 생성하는 반면, (ii) 더 높은 펄스 에너지들에서는, 전도성 흑연 위상을 남기는 다이아몬드 격자의 파괴가 있다. 요법 (i)의 개질들은 투과 현미경법(transmission microscopy)에 의해 비가시적이고, 형광 현미경법(fluorescence microscope)으로 오직 보여질 수 있다. 이들은 양자 애플리케이션들을 위한 코히어런트 NV(질소 공극) 중심들의 형성을 위한 중요한 전구체(precursor)이다. 요법 (ii) 개질들은 다이아몬드 격자에서의 미세-균열들이 동반된 sp2 결합된 탄소의 작은(< 수 100 nm) 클러스터들을 포함한다. 요법 (ii)에서의 레이저 초점을 통해 다이아몬드를 추적하는 것은 전기적 전도성 와이어들로서 이용될 수 있는 sp2 결합된 탄소의 연속적인 트랙들의 기록을 가능하게 한다.

노출 동안의 다이아몬드의 병진 없이 형성된 특징부들은 타원체(ellipsoid)의 형태를 취한다. 개질의 규모는 제조 레이저를 위한 전파의 방향을 따라 더 길고, 이용된 대물 렌즈의 NA(개구수)에 종속된다. 특징부들의 크기는 또한, 이용된 펄스 에너지 및 도시지(dosage)(노출에서의 펄스들의 수)에 종속적이다. 파면이 여기에서 설명된 바와 같이 양호하게 보정될 경우에, 고도로 규칙적인 개질들이 노출마다 만들어질 수 있다. 파면이 여기에서 설명된 바와 같이 양호하게 보정되지 않을 경우에, (크기 및 형상에 있어서) 고도로 불규칙적인 개질들은 동일한 조건들을 갖는 상이한 노출들로부터 기인할 수 있다.

높은 NA 광학기기들(NA>~0.8)은 축방향으로 연장되지 않는(광학 축을 따라 < 2 μm) 특징부들의 전부의 제조를 위하여, 그러나 또한, 포인트마다의 신뢰성 있는 제조를 위하여 이용된다. 더 낮은 NA(~0.5)에서의 제조는 가능할 수 있지만, 과도하게 포지션 종속적이고 불일치한다. 더 높은 NA에서, 제조는 정확하게 동일한 펄스 에너지 및 레이저 도우즈로 큰 부피에 대하여 고도로 반복가능하다. 제조에 대한 포지션 종속성이 없다. 이것은 산업적 애플리케이션에 중요하다.

다른 입증들은 어레이에서의 흑연 포인트-유사 특징부들로 구성되었다. 다른 애플리케이션들에서는, 전기적 전도체들로서 이용될 수 있는 연속적인 흑연 구조들이 생성되었다.

레이저 초점을 통해 다이아몬드를 추적하는 것(또는 고정된 다이아몬드 샘플에 대하여 레이저를 스캐닝하는 것)은 레이저 개질된 재료의 연속적인 트랙들의 생성을 가능하게 한다. 제조 요법 (ii)로 작업하면, 이 트랙들은 sp2 결합된 탄소를 포함하고 전기적으로 전도성이다. 이들은 다이아몬드를 통해 3 개의 차원들에서 이어지는 전도성 와이어들을 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 다이아몬드 샘플의 표면(120) 아래의 2D 및 3D 경로들을 따라는 다양한 연속적인 흑연 트랙들(110)을 도시한다. 도 7a는 흑연 트랙(110)의 상면도를 도시한다. 도 7b 및 도 7c는 흑연 트랙(110)의 측면도들을 도시하고, 도 7d는 기록된 흑연 트랙(110)의 이미징된 사시도를 도시한다. 스케일(125)은 5 μm를 도시한다. 도 7c에서의 파선 타원은 증가하는 깊이로 제조되는 흑연 트랙의 일부분을 도시한다.

이러한 흑연 트랙들(110)은 전도성 와이어들로서 역할을 할 수 있고, 방사 또는 화학적 감지를 위한 다이아몬드 기반 센서들의 제조에서 유용한다. 하나의 구현예에서, 다이아몬드를 통해 이어지는 와이어들은 다이아몬드 내에서 국소적 전기장을 셋업(set up)하기 위하여 와이어들에 걸쳐 전압이 인가되게 할 수 있다. 이온화 방사가 다이아몬드 상에 입사할 경우에, 이온화 방사는 다이아몬드를 통과할 시에, 전극들에 의해 수집되는 자유 전하(free charge)를 생성할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 내장된 와이어들은 전기화학(electrochemistry)을 위하여 이용될 수 있어서, 다이아몬드의 넓은 잠재적 윈도우를 활용할 수 있다. 내장된 와이어들은 이후에 용액에서 침지되는 다이아몬드의 표면 근처에서 전기장을 생성하기 위하여 이용될 수 있다. 이러한 내장된 레이저-기록된 와이어들은 와이어들을 다이아몬드 표면까지 가져감으로써 외부 전자기기들에 접속될 수 있고, 다이아몬드 표면은 효율적인 전기적 접속을 위하여 추후에 금속으로 코팅된다.

수차 보정

이상적인 경우에, 레이저 초점의 크기는 회절 한계, 즉, 대물 렌즈의 주어진 파장, 굴절률, 및 개구수에 대하여 가능한 가장 작은 스폿 크기이어야 한다. 그러나, 빈번하게 이 한계는 수차들의 효과들로 인해 달성되지 않는다. 수차들은 그 이상적인 포커싱 성능으로부터의 광학계의 편차들이다. 광선 광학기기들의 측면에서, 수차들은 포커싱 콘(focussing cone)에서의 광선들이 동일한 포인트에서 더 이상 만나지 않게 한다. 파동 광학기기들의 측면에서, 초점 상에서 수렴하는 파면들은 회절 제한된 스폿으로의 포커싱을 위하여 요구된 구면 캡(spherical cap)의 형태를 더 이상 취하지 않는다. 이 파동 광학기기들의 경우에, 수차들은 이상적 및 왜곡된 파면 사이의 광학적 위상 오차의 측면에서 종종 수량화되고, 왜곡들의 상이한 유형들은 상이한 위상 오차들에 의해 특성화된다. 초점에 대한 수차들의 효과들은 그 피크 세기를 감소시키면서 초점을 확산시키거나 흐리게 하기 위한 것이다. 포커싱의 본질에 의해, 확산은 광학 축을 따라 지배적으로 발생한다.

도 8a는 특정한 수차 모드의 유형: 구면 수차의 예를 도시한다. 레이저 제조에서는, 당업자가 제조하도록 의도하는 투명한 재료의 표면에서의 광선들의 굴절로 인해 수차들이 빈번하게 발생한다. 이것은 예를 들어, 대물 렌즈의 침지 매체(전형적으로, 공기, 오일, 또는 다른 매체들)와 제조 재료 사이의 계면에서 발생할 수 있다. 샘플(220)에 진입하는 광의 광선들(210)은 샘플 표면(222)에 의해 굴절되고, 결과적인 초점(230)은 왜곡되고 세장화된다. 평탄한 파면(240)은, 평행 광선들(210)이 높은 NA 렌즈(250)에 진입하고, 이것은 샘플(220)이 부재할 경우에 이상적인 포커싱으로 귀착될 것이라는 것을 의미한다.

도 8b는 파면(240)은 샘플 표면(222)의 굴절을 중화시키기 위하여 그 위상을 개질한 SLM과 같은 능동 광학 엘리먼트에 의해 이미 보정된 경우를 도시한다. 결과로서, 샘플(220)의 부재 시에, 렌즈를 떠나는 광선들(210)은 이상적인 초점으로 귀착되지 않을 것이다. 그러나, 샘플이 존재할 경우에, 광선들(210)은 표면(222)에서 굴절하고, 개선된 초점(232)으로 귀착된다. 그러므로, 입사 파면을 형상화함으로써 수차가 상쇄되어, 마이크로미터 미만 특징들의 정확한 포커싱 및 신뢰성 있는 제조를 허용한다.

도 9a는 수차 보정을 이용하여 50 μm의 깊이에서 다이아몬드 내부에서 포커싱함으로써 생성되는 제조된 특징부들(310)(좌측)을 도시한다. 특징부들(320)(우측)은 동일한 구조이지만, 수차 보정 없이 만들어진다. 레이저 펄스 에너지는 임의의 제조를 조금이라도 보기 위하여 실질적으로 증가되어야 했다. 제조 레이저는 z 축을 따라 입사하였다. 특징부들(310)의 제조는 특징부들(320)의 제조보다 훨씬 더 양호하게 제어된다는 것을 알 것이다. 도 9b는 측면으로부터 동일한 특징부들을 도시한다. 수차 보정을 이용하여 생성된 특징부들은 전파 방향(즉, z 방향)에서 상당히 더 양호하게 제어된다는 것이 인식될 것이다.

샘플의 계면이 광학 축에 수직일 경우에, 수차는 구면 수차에 추가적으로, 리포커싱 효과(refocusing effect)(광학 축을 따르는 초점 시프트)로 구성된다. 이 효과들의 진폭은 포커싱 깊이에 비례한다. 이 유형의 구면 수차에 대한 표현은 다음과 같다:

이 수학식은 개구수 NA 및 침지 매체 n₁를 이용하여, 굴절률 n₂의 재료 내부에서 깊이 로 포커싱할 때, 파장 의 광에 대한 구면 수차 위상 의 분석적 설명이다. 좌표 는 대물 렌즈의 동공에서의 정규화된 반경이다.

표면 법선(surface normal)이 광학 축에 대하여 틸팅될 경우에, (파면 틸트를 포함하여, 횡방향 초점 시프트를 야기시키는) 코마와 같은 다른 수차들이 도입된다. 이 효과들은 포커싱 깊이 및 표면 틸트의 각도의 둘 모두에 비례한다. 작은 표면 틸트로 인한 추가적인 수차는 다음에 의해 주어진다:

이 수학식은 표면 틸트로 인한 수차 컴포넌트의 분석적 설명이고, 여기서, 틸트는 작은 각도 t이다. 는 동공에서의 방위각 좌표(azimuthal coordinate)이고, 은 틸트의 방위를 표현한다. 인자들 및 은 스칼라 계수(scalar coefficient)들이고, 스칼라 계수들의 값들은 굴절률들 및 NA에 종속된다.

구면 수차 및 코마의 조합은 제조 효율 및 정밀도에 영향을 주는, 초점 세기에서의 감소들 및 세기 분포의 왜곡들을 야기시킨다.

다이아몬드의 높은 굴절률(공기에 대한 1.0 및 침지 오일에 대한 약 1.5와 비교하여, 2.4의 굴절률)로 인해, 다이아몬드 표면에서의 굴절의 효과들은 강력하다. 이것은 수차 보정이 깊이들에서의 미세한 특징부들의 생성을 허용할 것이고, 이러한 미세한 특징부들의 생성은 그렇지 않을 경우에 가능하지 않을 것이라는 것을 의미한다. 수차 보정은 액정 공간적 광 변조기(SLM)를 이용하여 용이하게 구현되지만, 또한, 변형가능한 미러를 이용하여 구현될 수 있다. 본 명세서의 구성들에 따르면, 이러한 능동 광학 엘리먼트들은 구명 수차 보정을 위하여 이용될 수 있다. 코마 수차는 샘플 및/또는 광학 엘리먼트들의 기계적 이동을 통해 보정된다.

정적 보정 방법들이 가능하지만, 다양한 시도들로부터, 재료의 조성 및 위치결정에서의 사소한 변화들로 인해, 정적 보정들이 명목상으로 유사한 샘플들 사이의 수차들을 보정하는 것에 효과적이지 않고, 그 대신에, 미세-조율된 수차 보정이 필요하다는 표시들이 있다.

수차 보정 요구들은 다이아몬드 내로 깊게 포커싱하기 위하여 건식 대물 렌즈를 이용할 경우에 증가된다. 굴절률 콘트라스트(refractive index contrast)가 건식 렌즈에 의한 것보다 더 낮으므로, 수차 보정 요건들은 레이저를 포커싱하기 위하여 오일 침지 렌즈를 이용할 시에 덜 가혹하다. 그러나, 보정은 실행가능한 결과들을 획득하기 위하여 이 경우에 여전히 요구된다.

상기 수학식들로부터 계산된 위상 패턴은 샘플에 의해 유도된 수차를 보정하기 위하여, 공간적 광 변조기(SLM)와 같은 수차 보정 디바이스(즉, 능동 광학 엘리먼트) 상에서 전달될 수 있다. SLM들은 전형적으로, 하나의 파장(또는 파장들의 작은 수)로 제한된 위상 변조 범위를 가지므로, 위상은 접근가능한 범위 내에 놓이도록 통상적으로 둘러싸인다. 예를 들어, 오직 단일 파장이 접근가능할 경우에, 위상의 라디안(radia)들이 하나의 파장에 대응하므로, 적용된 위상 함수는 모듈로(modulo) 일 것이다. 이전에 기재된 바와 같이, 본 명세서의 구성들에 따르면, 이러한 능동 광학 엘리먼트들은 구면 수차 보정을 위하여 이용될 수 있는 반면, 코마 수차는 샘플 및/또는 광학 엘리먼트들의 기계적 이동을 통해 보정된다.

SLM에 적용된 위상 패턴은 구면 수차 항이 디포커스를 포함한다는 것에 주목함으로써 단순화될 수 있고, 디포커스는 광학 축을 따라 초점(즉, 피크 광학 세기)을 시프트시키지만, 그 형상을 변화시키지 않는 또 다른 수차 모드 또는 컴포넌트이다. 보정으로부터 디포커스 컴포넌트를 제거함으로써, 위상 보정의 크기는 감소될 수 있고, 이에 따라, 수차 보정을 위하여 SLM을 더 효과적으로 이용할 수 있다. 구면 수차의 디포커싱 컴포넌트는 적절한 양에 의한 샘플의 병진에 의해 보상될 수 있다.

분석 표현식들을 직접적으로 이용하는 대신에, 수차들은 일련의 기초 함수들로서 고려될 수 있다. 보편적으로, 제르니케 다항식들이 이 목적을 위하여 이용된다. 이 때문에, 수차는 수차 모드들의 합으로서 설명될 수 있다. 예를 들어, 구면 수차는 제르니케 다항식들의 측면에서 표현식으로서 표현될 수 있다. 이것들과 같은 함수들을 이용하는 것은 알려지지 않은 수차들의 측정 및 보정을 위한 피드백 시스템들의 설계를 보조한다.

본 명세서에서 설명된 방법들은 비-평면형 표면들을 통한 포커싱에 대하여 추가로 관련된다. 이것은 만곡된 표면들을 통한 것 또는 에지들 근처/가로지르는 것을 포함할 수 있다. 다시, 표면 지형의 정확한 사전-측정은 최적에 근접한 시작 위상 패턴을 예측하기 위하여 이용될 수 있고, 초점 피드백을 이용하는 추후의 최적화를 위한 양호한 시작 포인트로서 이용될 수 있다. 에지를 가로질러서 또는 에지 근처에서의 제조는 동공 구획화(pupil segmentation)를 수반한다. 여기에서 설명된 방법들은 구획화된 동공에서 구면 및 코마 수차들을 보정하기 위한 위상을 설정하기 위하여 채택될 수 있다. 만곡된 표면을 통한 포커싱은 구면 수차, 비점수차, 및 코마의 조합의 보정을 요구할 것이다.

초점의 적응적 제어

샘플 내의 상이한 포지션들(특히, 깊이들) 사이 및 상이한 샘플들 사이에서 제조의 일관된 품질을 유지하기 위해서는, 수차 보정 및 펄스 에너지의 적절한 조합을 유지할 수 있는 적응적 제어 시스템을 구현하는 것이 필요하다. 이것은 초점 영역으로부터 파면 및 에너지를 제어하는 디바이스들로의 피드백의 방법을 이용할 수 있다.

위에서 설명된 바와 같은 재료의 표면으로부터의 반사에 기초한 표면 포지션 및 틸트의 제1 측정은 구면 수차 및 코마를 중화시키기 위하여 필요한 보정의 예측을 제공한다. 하나의 구현예에서, 모두 동일한 축 상에 있지 않은 3 개의 포인트들에서의 최상의 광학적 초점에 대한 포지션의 측정은 상대적인 샘플 틸트에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이것은 샘플, 예컨대, 다이아몬드에서의 특정한 깊이에서 코마 및 구면 수차에 대한 예측적 수차 보정을 허용할 수 있다.

더 미세한 보상은 초점에서의 제조 프로세스의 현미경을 통한 관찰에 의해 수행될 수 있다. 측정들의 조합이 가능하다. 투과 현미경을 이용하면, 굴절률 개절로 인한 초점에서의 흡수에 있어서의 변화들 또는 광학적 위상에 있어서의 변화를 관찰하는 것이 가능하다. 이것은 재료가 레이저 펄스에 의해 개질되는 정도를 표시하고, 수차 보정 및 펄스 에너지의 최적화를 위한 피드백 신호를 제공할 수 있다. 대안적인 피드백 신호들은 초점으로부터의 포토루미네선스 또는 플라즈마 방출에 의해 제공될 수 있다.

최적화 프로세스를 위하여 요구된 측정들의 수(그리고 이에 따라 걸린 시간)를 감소시키기 위하여, 수차 모드들(특히, 구면 수차 및 코마) 및 펄스 에너지가 검색 공간에서의 알려지지 않은 좌표들로서 고려되는 알고리즘들이 이용될 수 있다.

최적화 프로세스는 수차 컴포넌트들 및 기호 P에 의해 집적으로 표현된 펄스 에너지에 관련되는 비용 함수 (또는 대안적으로, 는 최대화되어야 하는 메리트 함수일 수 있음)의 최소화로서 수학적으로 표현될 수 있다. P의 최적의 값은 다음 중의 어느 하나에 의해 주어지고,

여기서, 비용 함수는 최소화되어야 하거나, 또는

여기서, 메리트 함수는 최대화되어야 한다. 함수 또는 는 측정들의 조합으로서 정의될 수 있다. 예를 들어, 레이저 제조 동안에 생성된 초점 플라즈마의 세기는 총 수차 함량에 종속적이어서, 보정된 시스템은 초점 플라즈마 방출에서 최대치를 보여준다.

대안적으로, 제조 레이저는 샘플에 포함된 본질적인 결함들로부터 포토루미네선스(PL)를 비선형적으로 여기시키기 위하여 구조적 개질을 위한 임계치 미만에서 이용될 수 있다. 검출된 PL은 수차들이 최소화될 때에 최대화된다. 유사하게, 공초점 현미경(confocal microscope)에서의 루미네선스 또는 형광 방출은 수차들이 보정될 때에 최대화된다. 그러므로, 이 신호들은 비용/메리트 함수의 최적화를 허용하기 위하여 피드백 메커니즘으로서 이용될 수 있다.

다양한 방법들은 최적화 프로세스들의 구현을 위하여 가능하다. 틸팅된 평탄한 표면을 통한 레이저 제조를 위하여 최적화될 필요가 있는 알려지지 않은 파라미터들의 최소 수는, 굴절률들 및 NA가 알려질 경우에 3 개이다: 구면 수차의 하나의 계수, 및 코마의 2 개(즉, 2 개의 직교적 코마 컴포넌트들). 그러므로, 프로세스는 3 차원 최적화 문제로서 고려될 수 있다. 펄스 에너지의 형태에서의 또 다른 변수가 고려될 수 있고, 이것은 그 다음으로, 프로세스를 4 차원 최적화로 연장된다. 추가의 미지수들이 있을 경우에, 더 많은 변수들(차원들)이 최적화 프로세스에서 고려되어야 할 것이다.

제조의 필드를 가로질러서 더 적은 최적화 측정들을 수행하고 이 필드를 가로질러서 파라미터들의 보간을 수행하는 것이 더 실제적일 가능성이 있지만, 적응적 최적화는 매 제조된 포지션에 대하여 포인트-대-포인트(point-by-point)에 기초하여 수행될 수 있다. 이 필드는 라인 또는 곡선, 횡방향 평면에서 존재할 수 있거나, 3 개의 차원들을 통해 연장될 수 있다. 충분한 표면 측정들로, (즉, 충분히 큰 스트렐 비율을 갖는) 적당하게 보정된 초점이 달성될 수 있다. 그러나, 최적화 절차는 각각의 새로운 샘플에 대하여 수행될 수 있다.

더 큰 스케일 마킹들

더 큰 스케일 구조들 및 마킹들이 또한 가능하다. 이것은 영숫자 문자들, 바코드(barcode)들, QR codes^TM, 또는 이미지들을 생성하기 위한 포인트 유사 특징부들 또는 연속적인 라인들을 포함할 수 있다. 이러한 특징부들은 회절 엘리먼트들, 홀로그램들, 또는 회절 격자들을 형성하기 위하여 함께 그룹화될 수 있다. 깊이 범위들 및 면적은 (전형적으로, 횡단 x 및 y 방향들에서 3 mm, 그리고 전파 z 방향으로 1 mm의 범위인) 이용되고 있는 돌(stone)의 크기에 이를 수 있다. 특징부들의 크기는 (x 및 y 방향들로) 가로질러서 5 μm x 전파 z 방향으로 20 μm에 이를 수 있다. 실제적으로, 더 큰 특징부들이 신뢰성 있게 생성되어야 할 경우에, 그것은 더 작은 스케일의 개질들의 조합들을 함께 스티칭(stitching)함으로써 달성될 수 있다. 주위 샘플(예컨대, 다이아몬드) 상의 응력 부하를 관리하여 큰 스케일의 불규칙적인 균열들이 형성하는 것을 회피하기 위하여 큰 특징부들을 생성할 때에 주의를 기울여야 한다. 이것은, 광학적으로 관측될 때에 크게 보이지만, 다이아몬드에서 흑연으로의 최소 부피 변환을 오직 가지는 특징부를 형성하기 위하여 함께 링크되는 작은(~1 μm 스케일) 특징부들의 희소 어레이(sparse array)에 의해 달성될 수 있다.

레이저 시스템

도 10은 레이저 시스템을 위한 구성을 도시한다. 추가적인 컴포넌트들은 예를 들어, 수차 또는 포지션 감지를 보조하거나, 추가적인 수차 보정을 수행하거나, 시스템을 병렬화하고 다수의 초점 스폿들을 이용하기 위하여 추가될 수 있다.

레이저 시스템(400)은 레이저(410), 편광기(420), 공간적 광 변조기(SLM)(430), 높은 NA 대물 렌즈(440), 및 3 차원 병진 스테이지(450)를 포함한다. 샘플(460)은 시스템(400)의 초점에서 스테이지(450) 상에 위치결정된다.

샘플(460)은 다이아몬드이고, 레이저(410)에 의한 개질을 위하여 레이저 시스템(400)에서 위치결정된다. 샘플(460)은 그 다음으로, 보정의 결정을 통지하기 위하여 측정된다. 특히, 레이저가 입사할 샘플(460)의 표면이 측정되고, 횡단으로부터 그 경사가 결정된다. 횡단 방향은 레이저의 주 전파 방향에 수직인 2D 평면이다. 이것은 또한, 대물 렌즈의 주요 평면에 대해 평행한 평면이다.

샘플(460)의 표면의 경사는 레이저 초점 상에서 이에 따라 야기될 예상된 코마 수차를 결정하기 위하여 이용된다. 예상된 수차는 그 다음으로, 제르니케 모드의 측면에서 특성화되고, SLM으로 통신된다. SLM은 레이저를 개질하여 수차를 중화시키기 위하여 요구된 위상 보정을 디스플레이하도록 수정된다. 본 명세서에서 설명된 바와 같은 구성들에 따르면, SLM은 구면 수차를 보정할 수 있는 반면, 코마 수차는 샘플 및/또는 광학 엘리먼트들의 기계적 이동을 통해 보정된다.

레이저 시스템의 펄스 에너지는 또한, 보정에 기초하여 결정된다. 레이저는 요구된 펄스 에너지로 설정되고, 그 다음으로, 다이아몬드 샘플을 개질하기 위하여 이용된다.

개질에 후속하여, 샘플의 개질된 영역은 투과 현미경법을 이용하여 측정된다. 결정된 보정은 그 다음으로, 이 추가의 측정에 의해 획득된 피드백에 기초하여 세분화된다. 세분화된 보정이 적용되고, 샘플이 레이저 개질된다.

예

다이아몬드는 레이저 제조 시스템에서 장착된다. 대물 렌즈는 LED로부터의 반사된 광을 최대화함으로써 다이아몬드 표면을 초기에 발견하기 위하여 축방향으로(즉, z 방향으로) 이동된다. 다이아몬드는 횡단(x-y) 방향들로 제조를 위한 희망된 위치까지 이동된다.

표면 축방향(z) 위치에 대한 미세한 위치결정은 낮은 펄스 에너지(벌크 흑연화 임계치 상당히 미만, 예컨대, 30 nJ 미만)를 갖는 레이저를 이용하여 달성된다. 샘플 표면은 다이아몬드를 100 nm 스텝들로 축방향으로 병진시킴으로써 발견된다. 오일 침지 렌즈를 이용할 경우에, 다이아몬드는 레이저가 침지 오일을 더 이상 끓이지 않는 포인트로 이동된다. 공기 렌즈를 이용할 경우에, 레이저가 다이아몬드 표면 상에 임의의 마크를 더 이상 야기시키지 않을 때까지 다이아몬드가 이동된다. 추가의 2 개의 이러한 측정들, x 방향으로 0.2 mm 병진시킴으로써 하나, y 방향으로 0.2 mm 병진시킴으로써 다른 하나가 행해진다. 이 측정들은 샘플의 면적을 포괄하고, 국소적 표면 틸트를 결정하기 위하여 이용된다.

실제적인 제조 깊이가 높은 NA 오일 렌즈들에 대하여 대략 2 배 그리고 높은 NA 오일 렌즈에 대하여 약 2.7 배만큼 병진 깊이보다 더 크다는 것에 주목하면, 다이아몬드는 그 다음으로, 제조를 위한 희망된 깊이까지 축방향으로 병진된다. 이것은 위에서 설명된 바와 같이, 다이아몬드의 축방향 병진에 의해 더 간단하게 중화되는, 디포커스를 제외한, 샘플 계면에서의 굴절에 의해 야기된 수차들을 보정하기 위하여 SLM이 이용되기 때문이다. 수차 보정은 표면 측정들에 기초하여 SLM에 적용된다. 보정은 병진된 축방향 깊ㅍ이에 기초한 구면 수차 보정을 표현한다. x 및 y 방향들에서의 코마 수차는 측정된 x 및 y 표면 틸트에 기초하여 코마 수차를 중화시키기 위하여 틸트 각도를 기계적으로 제거하거나 광학 엘리먼트들을 이동시킴으로써 보정된다. 미리 결정된 펄스 에너지(예컨대, 펄스 기간 250 fs를 갖는 780 nm 파장 광을 이용하는 1.4 NA 오일 렌즈에 대하여 100 nJ)가 이용되고, 5 개의 펄스들의 버스트(burst)가 다이아몬드 내로 발사된다. 투과 현미경은 희망된 포인트에서의 다이아몬드의 성공적인 개질이 있었다는 것을 검증하기 위하여 이용된다. 바람직한 제조는 (횡단 방향으로) 대략 0.5 μm x (축방향으로) 대략 1 μm의 치수들을 가져야 하고, 투과 현미경으로 관측될 때에 어둡게 보일 것이다.

수차들은 또한, 제조물을 보기 위하여 이미징에서 보상될 필요가 있다. 그 다음으로, 다이아몬드가 더 낮은 펄스 에너지 및/또는 도우즈로, 개질이 비가시적으로 되는 포인트까지 개질될 것이라는 것이 검증된다. 희망된 패턴은 그 다음으로, 희망된 바와 같이 다이아몬드 내에서 제조된다.

다이아몬드가 펄스들의 제1 버스트로 조사될 때에 개질이 가시적이지 않을 경우에, 샘플은 횡단 방향으로 작은 거리(예컨대, 5 μm)로 병진되고, 수차 모드들은 각각의 설정을 위하여 적용된 레이저의 버스트로 대칭적인 방식으로 조절된다. 다이아몬드는 각각의 버스트 사이에서 축방향으로 병진되고, 다이아몬드가 희망된 바와 같이 개질되는지 여부를 알아보기 위하여 체크된다. 일단 올바른 설정들이 달성되면, 제조는 추가의 보정에 대한 필요성 없이 위에서 설명된 바와 같이 간단하게 수행된다.

다른 메트릭(metric)들은 가시적인 다이아몬드 개질 이외의 수차 보정들을 최적화하기 위하여 이용될 수 있고, 예를 들어, 레이저 초점에 의해 야기된 다이아몬드로부터의 비선형 포토루미네선스는 수차들을 보정하기 위하여 최적화될 수 있다. 이 측정에 대하여, 제조가 없다는 것을 보장하기 위하여(위에서 설명된 조건들을 이용하는 예컨대, 20 nJ 미만인 펄스 에너지), 또는 이상적으로 더 높은 반복 레이트 및 낮은 펄스 에너지(80 MHz 반복 레이트 및 < 20nJ인 펄스 에너지)를 갖는 레이저로 전환함으로써, 레이저 펄스 에너지가 하락된다. 초점의 특성들이 측정될 수 있고, 초점에 영향을 주는 수차들이 결정될 수 있다. 그 다음으로, 보정이 결정될 수 있고, 초점의 스트렐 비율을 개선시키기 위하여 능동 광학 엘리먼트에 적용될 수 있다. 적응적 보정의 이러한 절차에 대한 필요성은 표면의 정확한 측정들이 주어질 경우에 희귀할 수 있다.

상기 방법은 펨토초 적외선 제조 레이저를 이용할 수 있지만, 기법들은 또한, 임의의 파장 또는 임의의 펄스 폭의 제조 시스템들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 자외선(ultraviolet; UV) 및 연속파(continuous-wave; CW) 시스템들이 이용될 수 있다. 전형적으로, 제조 레이저는 샘플의 굴절률에서의 증가를 유도한다. 그러나, 일부 재료들에서, 레이저는 굴절률에서의 감소를 유도할 수 있다. 제조된 광학 디바이스들은 기록 레이저에 대한 상이한 파장에서 동작할 수 있다. 디바이스들은 광학 디바이스의 임의의 동작 파장에 대하여 제조될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 예들은 발명의 실시예들의 예시적인 예들로서 이해되어야 한다. 추가의 실시예들 및 예들이 상상된다. 임의의 하나의 예 또는 실시예와 관련하여 설명된 임의의 특징은 단독으로 또는 다른 특징들과의 조합으로 이용될 수 있다. 추가적으로, 임의의 하나의 예 또는 실시예와 관련하여 설명된 임의의 특징은 또한, 예들 또는 실시예들 중의 임의의 다른 것, 또는 예들 또는 실시예들 중의 임의의 다른 것의 임의의 조합의 하나 이상의 특징들과 조합하여 이용될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 설명되지 않은 등가물들 및 수정들은 또한, 청구항들에서 정의되는 발명의 범위 내에서 채용될 수 있다.

Claims

샘플 내의 타겟 위치에서 개질된 영역(modified region)을 형성하기 위하여 상기 샘플의 개질(modification)을 위한 레이저 시스템으로서,
상기 타겟 위치는 상기 샘플의 표면 아래에 배치되고, 상기 레이저 시스템은:
레이저 광을 제공하도록 구성된 레이저 광원;
상기 샘플을 지지하기 위한 샘플 홀더;
상기 샘플이 상기 샘플 홀더에 의해 지지될 때, 상기 레이저 광원으로부터의 상기 레이저 광을 상기 샘플로 지향하도록 구성된 하나 이상의 광학 엘리먼트들 - 상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상기 레이저 광을 상기 샘플로 포커싱하도록 구성되고, 상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은, 상기 레이저 광이 상기 샘플 내의 상기 타겟 위치에서 포커싱되도록, 상기 레이저 광이 상기 샘플의 표면을 통해 상기 샘플에 진입하는 상기 샘플의 표면에서의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된 구면 수차(spherical aberration)를 보정하도록 구성된 컴포넌트를 포함함 -,
상기 표면을 통해 진입하는 상기 레이저 광의 광학 축에 대한 상기 샘플의 상기 표면의 틸트 각도(tilt angle)를 측정하도록 구성된 틸트 측정 디바이스, 및
상기 틸트 각도에 의해 야기된 코마 수차(coma aberration)를 보정하기 위하여 상기 측정된 틸트 각도에 기초하여 상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들 및 상기 샘플 홀더 중 적어도 하나를 이동시키기 위한 구동 기구를 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 구동 기구는 상기 샘플의 상기 표면의 상기 틸트 각도를 감소시키고 이에 따라, 코마 수차를 보정하기 위하여, 상기 측정된 틸트 각도에 기초하여 상기 샘플 홀더를 이동시키도록 구성되는, 레이저 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 구동 기구는 상기 샘플의 상기 표면을 통해 진입하는 상기 레이저 광의 상기 광학 축을 틸팅하여, 이에 따라, 상기 틸트 각도를 감소시키고 코마 수차를 보정하기 위하여, 상기 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상의 이동시키도록 구성되는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 구동 기구는 상기 틸트 각도에 의해 야기된 샘플 유도된 코마 수차를 상쇄시키는 코마의 양을 생성하기 위하여, 상기 광학 엘리먼트들 중의 하나 이상을 이동시키도록 구성되는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상기 타겟 위치에서 상기 샘플 내의 구면 수차를 보정하기 위한 조절가능한 보정 칼라(correction collar)를 갖는 렌즈를 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상기 타겟 위치에서 상기 샘플 내의 구면 수차에 대한 고정된 보정을 갖는 렌즈를 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상기 타겟 위치에서 상기 샘플 내의 구면 수차를 보정하도록 구성된 렌즈 및 위상 판(phase plate)을 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상기 샘플의 상기 표면에서의 굴절률에서의 오정합에 의해 야기된 구면 수차에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 상쇄되는 상기 레이저 광에서의 구면 수차를 도입하도록 구성된 렌즈들의 조합을 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상기 타겟 위치에서 상기 샘플 내의 구면 수차를 보정하도록 구성된 적응적 광학 엘리먼트를 포함하는, 레이저 시스템.
제9항에 있어서,
상기 적응적 광학 엘리먼트는 공간적 광 변조기를 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 고정된 타겟 깊이에서 특정 유형의 재료 내의 구면 수차를 보정하도록 사전-구성되는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상이한 샘플 재료들 내에서의 구면 수차를 보정하기 위하여 조절가능한, 레이저 시스템.
제12항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 상이한 타겟 깊이들에서의 구면 수차를 보정하기 위하여 조절가능한, 레이저 시스템.
제12항 또는 제13항에 있어서,
이용가능한 보정들의 데이터베이스 및 상기 샘플의 광학적 측정 중의 하나 또는 둘 모두에 기초하여 구면 수차를 보정하기 위하여 상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들을 자동적으로 조절하도록 구성된 구면 수차 제어기를 더 포함하는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 레이저 광원은 10 피코초(picosecond) 미만 펄스화된 레이저 광을 제공하도록 구성되는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 레이저 광원은 10 nJ 내지 300 nJ 사이의 펄스 에너지들을 갖는 펄스화된 레이저 광을 제공하도록 구성되는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 광학 엘리먼트들은 적어도 0.8, 1, 또는 1.2의 개구수(numerical aperture)를 갖는 상기 샘플 내에서 상기 레이저 광을 포커싱하도록 구성되는, 레이저 시스템.
제1항에 있어서,
상기 레이저 시스템은 원석들을 마킹하도록 구성되는, 레이저 시스템.
제18항에 있어서,
상기 레이저 시스템은 다이아몬드(diamond)들을 마킹하도록 구성되는, 레이저 시스템.
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