WO2007096440A1 - Método y aparato para el registro de estructuras ópticas difractivas - Google Patents

Método y aparato para el registro de estructuras ópticas difractivas Download PDF

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WO2007096440A1
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Juan Maria GONZÁLEZ LEAL
José Andrés ÁNGEL RUIZ
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Universidad De Cádiz
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    • G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams

Definitions

  • the present invention is framed in the field of optical elements with diffractive functionality, and the methods of manufacturing them.
  • Optical elements are of great importance in all those technological fields in which the spatial distribution of light needs to be modulated. Given this demand, it is necessary to optimize the manufacturing techniques of simple optical structures, as well as the production of optical structures with new functionalities.
  • An advanced search also demonstrates that in all cases the inventions avoid the interaction between the laser beam and the vapor phase, or plasma pen, generated from the starting material, so that the configuration of the systems used consider that the pulsed beam that produces the ablation of the starting material and the pen of the ejected material are non-collinear, and in no case is considered any concurrent action on the deposit during its growth, via light irradiation.
  • the present invention proposes a method for the light-assisted manufacturing of deposits of semiconductor compounds that support diffractive optical structures, which is based on the following physical evidence:
  • Structural fragments of the constituent elements of semiconductor compounds can be ejected from a solid by irradiating them with light of photonic energy comparable (of the order of magnitude) to their optical gap, with a sufficiently high intensity. This intensity depends on the type of semiconductor material.
  • the generated vapor phase, or plasma pen condenses on a substrate located in the vicinity of the starting material, resulting in a deposit of this material on the substrate.
  • the morphology of the deposit is related to the characteristics of the pen or vapor phase, which depend on the spatial distribution of the intensity of the light radiation on the white material, the spectral radiance of the light source, the distance between the white material and the substrate, the pressure and atmosphere in the chamber, the temperature of the starting material, the temperature of the substrate, and the irradiation time.
  • the concurrent illumination of the growing deposit affects the physical-chemical properties of the material that forms said deposit, via its effect on the structure of the material being formed (see Figure 1).
  • the creation of structures with diffractive functionality can be controlled through the spatial distribution of the light intensity that concurrently affects the deposit area of the substrate, and can cover a wide range of diffractive spacing [Kolobov and Tanaka]. These structures can be phase (consequence of local changes in thickness and / or refractive index in the deposit) and / or amplitude (consequence of local changes in the absorption coefficient in the deposit).
  • the signatories of the present patent propose a simple, not obvious, method for the manufacture of diffractive optical structures in semiconductor media.
  • a preferred scenario for the invention is one in which a continuous laser beam, with a wavelength of 532 nm, and with a distribution spatial of the light intensity with its phase following the pattern of the Fresnel zones, it crosses perpendicularly a transparent substrate with parallel faces before reaching a white material located a few millimeters from the substrate.
  • Such modulation can be achieved with a set of optical elements as illustrated in Figure 3. This combination serves as an example of objects 7, 10, 13 and 16, indicated in Figures 4, 5, 6 and 7.
  • Such white material it is a disk (pill) of about 1 cm in diameter and 2 mm thick, formed by compacted powder of an alloy of an amorphous semiconductor V-VI (for example, an alloy of As and S), which is sensitive to photonic energy of the light radiation from a laser source of Nd. ⁇ AG (2.33 eV).
  • V-VI amorphous semiconductor
  • the facing faces of the substrate and the tablet are parallel.
  • the described configuration produces a reservoir with an aspherical morphology, which supports a concentric ring distribution in the form of high spatial frequency surface reliefs, as shown in Figure 2.
  • Such optical elements combine the refractive functionality of the low spatial frequency profile, with the High spatial frequency diffractive functionality added through Fresnel zones. This combination can be used in the compensation, for example, of the chromatic aberrations that these optical structures present when they perform their characteristic optical function independently.
  • the signatories of the present patent have observed that the optical elements produced according to the preferred scenario described, and possibly due to the concurrent illumination of the material being deposited, have a greater optical transparency, and a higher radiation damage threshold laser used in the manufacturing process, compared to that of the starting material. It has been observed experimentally an increase in the intensity of damage of more than one order of magnitude in alloys of composition As 2 OS 8 O, with respect to the intensity supported by the starting material.
  • fZakery et al has been shown that coating an amorphous chalcogenide deposit with a layer of polymethyl methacrylate (PMMA), increases the radiation damage threshold by several orders of magnitude for which the chalcogenure alloy, without any coating, would be sensitive.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • FIGURE 1 X-ray diffraction patterns corresponding to: (a) an ingot of the amorphous alloy As 2 oSso, (b) a tablet formed from the compacted powder of this material, and constituting the starting material used in the actual examples described in this patent, and (c) that corresponding to a deposit made from this starting material by the method described in the present invention. The results demonstrate the structural difference between the deposited material and the starting material.
  • FIGURE 2 Illustrative scheme of the combination of the refractive functionality of an aspherical optical element (a) and the diffractive functionality of an optical element formed by Fresnel zonal plates (b), to form an optical element as depicted in (c) , with the cross section shown in (d).
  • FIGURE 3 Example of a combination of optical elements that produces a modulation in the light intensity in the form of Fresnel zonal plates. Such radiation acts on the deposit in formation, for the manufacture, according to the present invention, of an optical element that combines refractive and diffractive functionalities.
  • Objects 100.- Starting material.
  • FIGURE 4 Diagram of the cross section of the production system of optical elements with diffractive functionality according to the present invention, in a collinear configuration, where a single light beam generates the vapor phase of the starting material and radiates concurrently the tank during its growth.
  • FIGURE 5 Diagram of the cross section of the production system of optical elements with diffractive functionality, according to the present invention, in a collinear configuration, where more than one source of light radiation is involved in the process.
  • FIGURE 6 Diagram of the cross section of the production system of optical elements with diffractive functionality according to the present invention, in a non-collinear configuration, where a source of light radiation intervenes exclusively in the ejection of the starting material, and a source of radiation additional intervenes in the creation of diffractive structures in the deposit.
  • Objects L- Camera.
  • FIGURE 7 Diagram of the cross-section of the production system of optical elements with diffractive functionality according to the present invention, in a non-collinear configuration, where two or more sources of light radiation intervene in the ejection of the starting material, and two or more Additional radiation sources are involved in the creation of diffractive structures in the reservoir.
  • Objects 1.- Camera.
  • the present invention proposes a method for manufacturing diffractive optical elements in a simple and economical way.
  • This method includes the following steps: (a) place a transparent substrate close to a white material, both located inside a chamber, (b) produce vaporization or sublimation of the white material, (c) deposit this vapor phase on the substrate, and (d) irradiating concurrently the area of the substrate where the deposit occurs with an arbitrary distribution of the light intensity.
  • the deposit has diffractive optical functionality due to local changes induced in its structure, governed by the distribution of the light intensity used in the manufacturing process.
  • Objects of the present invention are: a) to provide a simple method of manufacturing optical elements with diffractive functionality, b) to provide a method for manufacturing diffractive optical elements using light radiation, c) to provide a method for manufacturing optical elements that combine refractive and diffractive functionalities, d) provide a method for the manufacture of diffractive optical elements with extension of their functionality at high light intensities, e) provide a method to improve stability and extend the life of optical structures with diffractive functionality, created in semiconductor media.
  • Figure 4 illustrates a first preferred scenario according to the proposed method for the manufacture of optical elements that combine refractive and diffractive functionalities.
  • the system consists of a chamber 1 with transparent windows 2 and 3, and a source of light radiation 4, continuous or pulsed, a starting material 5, and a substrate 6 that is transparent to radiation from 4, and also transparent to the working radiation to which the optical element intended to be manufactured is intended.
  • the spatial distribution of the light intensity on the tank is controlled by 7, which is a combination of optical elements (lenses, mirrors, filters, beam splitters, masks, spatial modulators of light, phase and amplitude, ...) and / or mechanical (linear positioning stages, angular positioning stages, mechanical spatial light modulators , ).
  • the method contemplates that there are several beams that emerge from 7, and that these interfere with the area of the substrate where the deposit will be made, to register, for example, a Bragg network, with control over the network spacing through the control of the angle between the interfering beams.
  • the light beam from 4 (or beams, according to the comments) is introduced into the chamber through the window 2, and passes through the substrate 6 before hitting the starting material 5, to cause ejection.
  • the generation of this pen can be assisted by heat through a heating medium 8.
  • the deposition can also be thermally assisted by supplying heat to the substrate, similar to 8 (not shown in Figure 4). The deposition is carried out at controlled pressure and atmosphere.
  • the starting material 5, located inside the chamber can be an ingot of a semiconductor alloy, or a tablet formed from the powder of the alloy to be deposited.
  • the tablet can be a heterogeneous mixture of semiconductor alloys and other reagents, which act as both passive and active elements for a given light radiation.
  • the starting material is supported by a combination of mechanical elements that give it freedom to move in the three Cartesian directions, x, y, z, as well as rotate around an axis perpendicular to its surface, ⁇ .
  • the substrate 6 is supported by a combination of mechanical elements.
  • the substrate is thus free to move in the three Cartesian directions, x ', y', z ', as well as rotate around an axis perpendicular to its surface, ⁇ ', and around an axis parallel to its surface, ⁇ ', not in solidarity with the starting material.
  • Figure 5 illustrates a second preferred scenario according to the proposed method for the manufacture of optical elements that combine refractive and diffractive functionalities.
  • the system consists of a chamber 1 with transparent windows 2 and 3, a source of light radiation 4, continuous or pulsed, a second source of light radiation 9 , continuous or pulsed, a starting material 5, and a substrate 6 that is transparent to the radiation coming from 4 and 9, and also transparent to the working radiation to which the optical element to be manufactured is intended.
  • the control of the spatial distribution of the intensity of radiation from 4 and 9 is carried out by combinations of optical elements (lenses, mirrors, filters, dividers of beam, masks, spatial modulators of light, phase and amplitude, ...) and / or mechanical (linear positioning stages, angular positioning stages, mechanical spatial light modulators, ...) 7 and 10, respectively .
  • the method contemplates the possibility that there are several beams that arise from both 7 and 10.
  • Beams from sources 4 and 9 are routed into the chamber, through window 2 , via beam splitter 11, with matching propagation directions, or optionally, with mismatching propagation addresses. Both light beams from sources 4 and 9 pass through the substrate 6, and at least one of them causes the ejection of the starting material 5.
  • the generation of the pen can be assisted by heat through a heating medium 8. Deposition it can also be thermally assisted by supplying heat to the substrate, similar to 8 (not shown in Figure 5). The deposition is carried out at controlled pressure and atmosphere.
  • Figure 6 illustrates a third preferred scenario according to the proposed method for manufacturing optical elements that combine refractive and diffractive functionalities.
  • the system consists of a chamber 1 with transparent windows 2 and 3, a source of light radiation 4, continuous or pulsed, a second source of radiation light 12, continuous or pulsed, a starting material 5, and a substrate 6 that is transparent to radiation from 4, and also transparent to the working radiation to which the optical element intended to be manufactured is intended.
  • optical elements arrays, mirrors, filters, beam splitters, masks, spatial modulators of light, phase and amplitude, ...) and / or mechanical (linear positioning stages, stages of angular positioning, mechanical spatial light modulators, ...) 7 and 13, respectively.
  • the beam from the source 4 is introduced into the chamber through the window 2, and passes through the substrate 6 to irradiate the material to be deposited.
  • the beam from the source 12 is introduced into the chamber through the window 3, via the mirror 14, and strikes the starting material to cause ejection.
  • the generation of the pen can be assisted by heat through a heating medium 8.
  • the deposition can also be thermally assisted by supplying heat to the substrate, similar to 8 (not shown in Figure 6). The deposition is carried out at controlled pressure and atmosphere.
  • Figure 7 illustrates a fourth preferred scenario according to the proposed method, more general, for the manufacture of optical elements that combine refractive and diffractive functionalities.
  • the system consists of a chamber 1 with transparent windows 2 and 3, a pair of light radiation sources 4 and 9, continuous or pulsed , responsible for the registration of diffractive structures, a second pair of light radiation sources 12 and 15, continuous or pulsed, responsible for causing the ejection of the starting material 5, and a substrate 6 that is transparent to radiation from 4 and 9, and also transparent to the working radiation to which the optical element intended to be manufactured is intended.
  • the control of the spatial distribution of the intensity of the radiation coming from 4, 7, 12 and 15 is carried out using combinations of optical elements (lenses, mirrors, filters, beam splitters, masks, spatial modulators of light, phase and amplitude, ...) and / or mechanical (linear positioning stages, angular positioning stages, mechanical spatial light modulators, ...) 7, 10, 13 and 16, respectively.
  • Beams from sources 4 and 9 are routed into the chamber, through window 2, via beam splitter 11, with matching propagation directions, or optionally, with mismatching propagation directions.
  • the beams from the sources 12 and 15 are combined by the beam splitter 17, and are introduced into the chamber through the window 3, via the mirror 14, and impact the starting material to cause ejection.
  • the generation of the pen can be assisted by heat through a heating medium 8.
  • the deposition can also be thermally assisted by supplying heat to the substrate, similar to 8 (not shown in Figure 7). The deposition is carried out at controlled pressure and atmosphere.
  • the starting material 100 in this case, is a circular tablet of 13 mm in diameter, formed with 125 mg of the compacted powder, for 10 minutes and with a load of 10 tons, of an amorphous chalcogen alloy of composition As 2 oSgo , which has an optical gap of 2.1 eV.
  • the pressure in the chamber is reduced below 10 "4 mbar.
  • the light radiation 300 comes from a continuous Nd: YAG laser generator emitting at 532 nm (2.33 eV), with a power of 1.5 W.
  • the beam is treated according to the optical assembly illustrated in Figure 3.
  • the beam is filtered by a spatial filter, and collimated with a 150 mm focal lens (not shown in Figure 3.)
  • the beam is divided using a beam splitter cube (201)
  • You make the section of one emergent (301) is reduced by combining a lens (202) of 150 mm and another (203) of 75 mm focal length, and mirrors (204 and 205) are used to route it.
  • This beam is focused by a lens (206) of 50 mm focal length, and is directed to a second beam splitter (207).
  • the transverse component that results from the interaction of the beam 301 with the dividing hub 207 is collimated by a lens (208) of 50 mm focal length.
  • This lens constitutes the output of the optical assembly before introducing the resulting radiation into the chamber.
  • the second emerging beam of the first beam splitter (302) passes through an attenuator (209) to compensate for the losses suffered by 301.
  • the beam 302 crosses the second beam splitter (207) and is focused by the lens ( 208) 50 mm focal length facing the camera. Beam 302 mostly induces ejection of the starting material.
  • the material ejected from the surface of the tablet generates a spindle-shaped vapor phase distribution (pen), which is perpendicular to the irradiated surface of the tablet.
  • the transparent substrate (101) is located in the chamber perpendicular to the optical axis of the described assembly, 2 mm from the starting material, and is traversed by the radiation generated at the exit of such assembly.
  • the vapor phase of this material (102) is condensed, presenting an aspherical spatial distribution on its surface.
  • the concurrent performance of the light radiation, modulated according to the pattern generated by the interference of the beams 301 and 302, on the tank, produces a surface relief on the aspherical surface in the form of Fresnel zonal plates. It is not ruled out that, accompanying the observed surface relief, the light radiation produces local changes in the refractive index and / or the absorption coefficient in the deposited material.
  • the diffractive structure created according to the described scenario would act, in the event that it was not affected by the refractive profile, as a phase diffractive lens with a focal length of approximately 25 mm.
  • System conditions can be adjusted for depositing a profile of both uniform and variable thickness, concentrated in a localized region of the substrate, or arbitrarily extended over it.
  • the area covered by the tank and the thickness profiles can be controlled by moving the light beam on the surface of the starting material and / or the substrate, via the positioning stages that confer degrees of freedom x, y, z, ⁇ , x ', and', z ', ⁇ ', ⁇ ', respectively, to the starting material, and to the substrate, which are schematized in Figures 4, 5, 6 and 7.

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Abstract

Método y aparato para el registro de estructuras ópticas difractivas. La presente invención propone un método para la fabricación de elementos ópticos difractivos de una forma simple y económica. Este método incluye los siguientes pasos: (a) situar un substrato transparente próximo a un material blanco, ambos ubicados en el interior de una cámara, (b) producir la vaporización o sublimación del material blanco, (c) depositar esta fase de vapor sobre el substrato, y (d) irradiar de forma concurrente la zona del substrato donde se produce el depósito con una distribución arbitraria de la intensidad luminosa. El depósito presenta funcionalidad óptica difractiva a causa de los cambios locales inducidos en su estructura, gobernados por la distribución de la intensidad luminosa empleada en el proceso de fabricación.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA EL REGISTRO DE ESTRUCTURAS ÓPTICAS DIFRACTIVAS
REFERENCIAS CITADAS
PATENTES
US 5,910,256 6/1999 Tsunetomo et al.
US 6,110,291 8/2000 Haruta et al.
US 6,452,698 Bl 9/2002 Vlcek et al.
US 6,649,861 B2 11/2003 Duignan
US 6,766,764 Bl 7/2004 Chrisey et al.
US 6,924,457 B2 8/2005 Koyama et al.
OTRAS PUBLICACIONES
J. Teteris y M. Reinfelde, "Holographic recording in amorphous chalcogenide semiconductor thin films", Journal of Non-Crystalline Solids 326&327 (2003) 494.
A.V. Kolobov y Ka. Tanaka, en "Photoinduced Phenomena in Amorphous Chalcogenides: From Phenomenology to Nanoscale", Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices, VoI. 5, Hari Singh Nalwa, ed. (Academic Press, San Diego, 2001), p. 47.
A. Zakery, Y. Rúan, A. V. Rodé, M. Samoc y B. Luther-Davies, "Low-loss waveguides in ultrafast laser-deposited As2S3 chalcogenide films ", J. Opt. Soc. Am. B 20 (2003) 1844.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en el campo de los elementos ópticos con funcionalidad difractiva, y los métodos para fabricarlos.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Los elementos ópticos tienen una gran importancia en todos aquellos campos tecnológicos en los que se necesita modular la distribución espacial de la luz. Ante tal demanda, se hace necesaria la optimización de las técnicas de fabricación de estructuras ópticas simples, así como la producción de estructuras ópticas con nuevas funcionalidades. Existe una variedad de métodos para la fabricación de elementos ópticos difractivos, así como para el registro de estructuras difractivas en medios semiconductores, los cuales se basan en el procesado de un material soporte empleando técnicas fotolitográficas clásicas, u otras más modernas de ablación láser [US 5,910,256] [US 6,924,457 B2], o registro holográfico [US 6,452,698 Bl] [Teteris y Reinfelde]. A diferencia de la presente invención, todos ellos comparten el carácter secuencial (no concurrente) del proceso, es decir, los métodos incluyen (a) la preparación previa del material soporte, y (b) su procesado posterior.
Por otro lado, por su relevancia con la invención aquí expuesta y reclamada, y al entender de los firmantes, son de destacar los métodos de deposición asistidos por luz, los cuales son ampliamente conocidos y usados en tecnologías planares [US 6,110,291]. En estas tecnologías se emplean láseres pulsados para la deposición de compuestos conductores, semiconductores y superconductores, destinados a integrar dispositivos ópticos y/o electrónicos, tanto activos como pasivos. Así, pueden encontrarse patentes reclamando derechos sobre la explotación industrial de un variado número de dispositivos planares basados en el método de deposición asistido por láser pulsado o PLD. Una búsqueda avanzada demuestra, además, que en todos los casos las invenciones evitan la interacción entre el haz láser y la fase de vapor, o pluma de plasma, generada a partir del material de partida, de forma que la configuración de los sistemas empleados consideran que el haz pulsado que produce la ablación del material de partida y la pluma del material eyectado son no colineales, y en ningún caso se considera actuación concurrente alguna sobre el depósito durante su crecimiento, vía irradiación luminosa.
Igualmente, por su relevancia con la presente invención, y con el fin de demostrar su actividad inventiva, citamos el único caso encontrado [US 6,766,764 Bl] en el que un haz láser pulsado incide a través de una de las caras de un substrato transparente. En esta patente, el substrato transparente no está destinado a servir de soporte al depósito y permitir su fotomodelado estructural durante el crecimiento, sino que, por el contrario, soporta al material de partida. La invención citada considera que el substrato soporta una capa de un material que es fotoevaporable, la cual a su vez soporta a una capa del material destinado a ser depositado sobre un segundo substrato. La base de esta invención es que la evaporación fotoinducida del material de transferencia, a través del substrato transparente, produce la eyección del material de interés en una zona localizada del substrato receptor. Al igual que en los casos anteriores, en esta invención no se considera actuación concurrente alguna sobre el depósito durante su crecimiento, vía irradiación luminosa. Finalmente, destacamos, de nuevo hasta donde ha alcanzado nuestra búsqueda, que en el único caso encontrado en el que se contempla la estructuración del depósito, ésta se realiza de forma secuencial, en dos pasos, dentro del sistema de fabricación, produciendo un depósito planar previo, vía irradiación luminosa, y la ablación posterior de éste, también mediante irradiación luminosa, que está condicionada a un cambio en la configuración del sistema que permite la exposición del material ya depositado al haz luminoso [US 6,649,861 B2]. En cualquier caso, el objeto de la invención (tecnologías planares) no es relevante para la actividad inventiva aquí expuesta.
BASES DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un método para la fabricación asistida por luz de depósitos de compuestos semiconductores que sirven de soporte a estructuras ópticas difractivas, que se sustenta en las siguientes evidencias físicas:
1. Fragmentos estructurales de los elementos constituyentes de compuestos semiconductores puede ser eyectados de un sólido al irradiarlos con luz de energía fotónica comparable (del orden de magnitud) a su gap óptico, con una intensidad lo suficientemente elevada. Esta intensidad depende del tipo de material semiconductor.
2. La fase de vapor generada, o pluma de plasma, se condensa sobre un substrato ubicado en las proximidades del material de partida, dando lugar a un depósito de este material sobre el substrato.
3. La morfología del depósito está relacionada con las características de la pluma o fase de vapor, las cuales dependen de la distribución espacial de la intensidad de la radiación luminosa sobre el material blanco, la radiancia espectral de la fuente luminosa, la distancia entre el material blanco y el substrato, la presión y la atmósfera en la cámara, la temperatura del material de partida, la temperatura del substrato, y el tiempo de irradiación.
4. La iluminación concurrente del depósito en crecimiento afecta las propiedades físico-químicas del material que forma dicho depósito, vía su efecto sobre la estructura del material en formación (ver Figura 1). La creación de estructuras con funcionalidad difractiva puede ser controlada a través de la distribución espacial de la intensidad luminosa que incide de forma concurrente sobre la zona de depósito del substrato, y pueden cubrir un amplio intervalo de espaciados difractivos [Kolobov y Tanaka]. Estas estructuras pueden ser de fase (consecuencia de cambios locales en el espesor y/o el índice de refracción en el depósito) y/o de amplitud (consecuencia de cambios locales en el coeficiente de absorción en el depósito).
Sobre la base de las anteriores evidencias, los firmantes de la presente patente proponen un método sencillo, no obvio, para la fabricación de estructuras ópticas difractivas en medios semiconductores.
Un escenario preferido para la invención, no exclusivo en lo que se refiere al material usado, ni a la configuración del sistema de fabricación, es aquel en la que un haz láser continuo, con una longitud de onda de 532 nm, y con una distribución espacial de la intensidad luminosa con su fase siguiendo el patrón de las zonas de Fresnel, atraviesa perpendicularmente un substrato transparente de caras planoparalelas antes de alcanzar un material blanco situado a pocos milímetros del substrato. Tal modulación puede conseguirse con un conjunto de elementos ópticos tal como se ilustra en la Figura 3. Esta combinación sirve como ejemplo de los objetos 7, 10, 13 y 16, indicados en las Figuras 4, 5, 6 y 7. Tal material blanco es un disco (pastilla) de alrededor de 1 cm de diámetro y 2 mm de espesor, formado por polvo compactado de una aleación de un semiconductor amorfo V-VI (por ejemplo, una aleación de As y S), que es sensible a la energía fotónica de la radiación luminosa procedente de una fuente láser de Nd.ΥAG (2.33 eV). Las caras enfrentadas del substrato y de la pastilla son paralelas.
La configuración descrita produce un depósito con una morfología asférica, que soporta una distribución de anillos concéntricos en forma de relieves superficiales de alta frecuencia espacial, como ilustra la Figura 2. Tales elementos ópticos combinan la funcionalidad refractiva del perfil de baja frecuencia espacial, con la funcionalidad difractiva de alta frecuencia espacial añadida mediante las zonas de Fresnel. Esta combinación puede emplearse en la compensación, por ejemplo, de las aberraciones cromáticas que presentan estas estructuras ópticas cuando realizan su función óptica característica de forma independiente. La transparencia de los semiconductores V-VI en la región espectral infrarroja (IR)
[Kolobov y Tanaka] garantiza la estabilidad de los elementos ópticos fabricados en esta ventana espectral, lo que la convierte pues en la región espectral de trabajo preferida.
No obstante, los firmantes de la presente patente han observado que los elementos ópticos producidos según el escenario preferido descrito, y posiblemente debido a la iluminación concurrente del material siendo depositado, presentan una mayor transparencia óptica, y un umbral de daño más elevado a la radiación láser empleada en el proceso de fabricación, en comparación con el del material de partida. Se ha observado experimentalmente un aumento en la intensidad de daño de más de un orden de magnitud en aleaciones de composición As2OS8O, con respecto a la intensidad soportada por el material de partida.
Por otra parte, por su relevancia con la presente invención, se ha demostrado fZakery et al] que el recubrimiento de un depósito calcogenuro amorfo con una capa de polimetil metacrilato (PMMA), aumenta varios órdenes de magnitud el umbral de daño a la radiación para la que la aleación calcogenura, sin recubrimiento alguno, sería sensible.
Con tales evidencias, propias y reportadas en la literatura, se infiere que aunque la IR sea la ventana preferida, no debe considerarse como exclusiva.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
FIGURA 1. Patrones de difracción de rayos X correspondientes a: (a) un lingote de la aleación amorfa As2oSso, (b) una pastilla formada a partir del polvo compactado de este material, y que constituye el material de partida usado en los ejemplos reales descritos en esta patente, y (c) el correspondiente a un depósito realizado a partir de este material de partida mediante el método descrito en la presente invención. Los resultados demuestran la diferencia estructural entre el material depositado y el material de partida.
FIGURA 2. Esquema ilustrativo de la combinación de la funcionalidad refractiva de una elemento óptico asférico (a) y la funcionalidad difractiva de un elemento óptico formado por placas zonales de Fresnel (b), para formar un elemento óptico como el representado en (c), con la sección transversal mostrada en (d).
FIGURA 3. Ejemplo de una combinación de elementos ópticos que produce una modulación en la intensidad luminosa en la forma de placas zonales de Fresnel. Tal radiación actúa sobre el depósito en formación, para la fabricación, según la presente invención, de un elemento óptico que combina funcionalidades refractivas y difractivas. Objetos: 100.- Material de partida.
101.- Substrato.
102.- Depósito.
201.- Divisor de haz.
202.- Lente. 203.- Lente.
204.- Espejo.
205.- Espejo. 206.- Lente. 207.- Divisor de haz. 208.- Lente. 209.- Atenuador. 300.- Haz luminoso.
301.- Componente transversal del haz 300 tras su paso por el divisor de haz 201. 302.- Componente longitudinal del haz 300 tras su paso por divisor de haz 201.
FIGURA 4. Esquema de la sección transversal del sistema de producción de elementos ópticos con funcionalidad difractiva según la presente invención, en una configuración colineal, donde un solo haz luminoso genera la fase de vapor del material de partida e irradia de forma concurrente el depósito durante su crecimiento.
Objetos: 1.- Cámara.
2 y 3.- Ventanas transparentes, practicadas en la cámara. 4.- Fuente de radiación luminosa. 5.- Material de partida.
6.- Substrato.
7.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos. 8.- Calefactor.
FIGURA 5. Esquema de la sección transversal del sistema de producción de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según la presente invención, en una configuración colineal, donde más de una fuente de radiación luminosa interviene en el proceso.
Obj etos : 1.- Cámara.
2 y 3.- Ventanas transparentes, practicadas en la cámara.
4.- Fuente de radiación luminosa. 5.- Material de partida.
6.- Substrato.
7.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos.
8.- Calefactor.
9.- Fuente de radiación luminosa. 10.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos.
11.- Divisor de haz. FIGURA 6. Esquema de la sección transversal del sistema de producción de elementos ópticos con funcionalidad difractiva según la presente invención, en una configuración no colineal, donde una fuente de radiación luminosa interviene exclusivamente en la eyección del material de partida, y una fuente de radiación adicional interviene en la creación de estructuras difractivas en el depósito. Objetos: L- Cámara.
2 y 3.- Ventanas transparentes, practicadas en la cámara.
4.- Fuente de radiación luminosa.
5.- Material de partida. 6.- Substrato.
7.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos.
8.- Calefactor.
12.- Fuente de radiación luminosa.
13.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos. 14.- Espejo.
FIGURA 7. Esquema de la sección transversal del sistema de producción de elementos ópticos con funcionalidad difractiva según la presente invención, en una configuración no colineal, donde dos o más fuentes de radiación luminosa intervienen en la eyección del material de partida, y dos o más fuentes de radiación adicionales intervienen en la creación de estructuras difractivas en el depósito. Objetos: 1.- Cámara.
2 y 3.- Ventanas transparentes, practicadas en la cámara.
4.- Fuente de radiación luminosa.
5.- Material de partida. 6.- Substrato.
7.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos.
8.- Calefactor.
9.- Fuente de radiación luminosa.
10.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos. 11.- Divisor de haz.
12.- Fuente de radiación luminosa.
13.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos.
14.- Espejo.
15.- Fuente de radiación luminosa. 16.- Combinación de elementos ópticos y/o mecánicos. 17.- Divisor de haz.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención propone un método para la fabricación de elementos ópticos difractivos de una forma simple y económica. Este método incluye los siguientes pasos: (a) situar un substrato transparente próximo a un material blanco, ambos ubicados en el interior de una cámara, (b) producir la vaporización o sublimación del material blanco, (c) depositar esta fase de vapor sobre el substrato, y (d) irradiar de forma concurrente la zona del substrato donde se produce el depósito con una distribución arbitraria de la intensidad luminosa. El depósito presenta funcionalidad óptica difractiva a causa de los cambios locales inducidos en su estructura, gobernados por la distribución de la intensidad luminosa empleada en el proceso de fabricación.
Son objetos de la presente invención: a) proporcionar un método simple de fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, b) proporcionar un método para la fabricación de elementos ópticos difractivos usando radiación luminosa, c) proporcionar un método para la fabricación de elementos ópticos que combinen funcionalidades refractivas y difractivas, d) proporcionar un método para la fabricación de elementos ópticos difractivos con extensión de su funcionalidad a altas intensidades luminosas, e) proporcionar un método para mejorar la estabilidad y alargar la vida de las estructuras ópticas con funcionalidad difractiva, creadas en medios semiconductores.
La Figura 4 ilustra un primer escenario preferido según el método propuesto para la fabricación de elementos ópticos que combinen funcionalidades refractivas y difractivas. Con referencia a esta figura, el sistema consta de una cámara 1 con ventanas transparentes 2 y 3, y una fuente de radiación luminosa 4, continua o pulsada, un material de partida 5, y un substrato 6 que es transparente a la radiación procedente de 4, y transparente también a Ia radiación de trabajo a la que va destinado el elemento óptico que se pretende fabricar. La distribución espacial de la intensidad luminosa sobre el depósito es controlada mediante 7, que es una combinación de elementos ópticos (lentes, espejos, filtros, divisores de haz, máscaras, moduladores espaciales de luz, de fase y de amplitud,...) y/o mecánicos (etapas de posicionamiento lineal, etapas de posicionamiento angular, moduladores espaciales de luz mecánicos,...).
El método contempla la posibilidad de que sean varios los haces que emerjan de 7, y que éstos interfieran sobre la zona del substrato donde se realizará el depósito, para registrar, por ejemplo, una red de Bragg, con control sobre el espaciado de la red a través del control del ángulo entre los haces interfϊrientes. El haz luminoso procedente de 4 (o haces, atendiendo a lo comentado) es introducido en la cámara a través de la ventana 2, y atraviesa el substrato 6 antes de incidir sobre el material de partida 5, para provocar su eyección. La generación de esta pluma puede estar asistida por calor a través de un medio calefactor 8. La deposición puede estar también asistida térmicamente mediante el suministro de calor al substrato, de forma similar a 8 (no representado en la Figura 4). La deposición se realiza a presión y atmósfera controladas.
El material de partida 5, ubicado en el interior de la cámara puede ser un lingote de una aleación semiconductora, o una pastilla formada a partir del polvo de la aleación a depositar. La pastilla puede ser una mezcla heterogénea de aleaciones semiconductoras y otros reactivos, que actúen como elementos tanto pasivos, como activos, para una determinada radiación luminosa. El material de partida está soportado por una combinación de elementos mecánicos que le confieren libertad para moverse en las tres direcciones cartesianas, x, y, z, así como rotar alrededor de un eje perpendicular a su superficie, θ. El substrato 6 está soportado por una combinación de elementos mecánicos. El substrato tiene así libertad para moverse en las tres direcciones cartesianas, x', y', z', así como rotar alrededor de un eje perpendicular a su superficie, θ', y alrededor de un eje paralelo a su superficie, φ', de forma no solidaria con el material de partida.
La Figura 5 ilustra un segundo escenario preferido según el método propuesto para la fabricación de elementos ópticos que combinen funcionalidades refractivas y difractivas. Con referencia a esta figura, y de forma similar a lo descrito en la Figura 4, el sistema consta de una cámara 1 con ventanas transparentes 2 y 3, una fuente de radiación luminosa 4, continua o pulsada, una segunda fuente de radiación luminosa 9, continua o pulsada, un material de partida 5, y un substrato 6 que es transparente a las radiaciones procedentes de 4 y 9, y transparente también a la radiación de trabajo a la que va destinado el elemento óptico que se pretende fabricar. El control de la distribución espacial de la intensidad de la radiaciones procedentes de 4 y 9 se realiza mediante combinaciones de elementos ópticos (lentes, espejos, filtros, divisores de haz, máscaras, moduladores espaciales de luz, de fase y de amplitud,...) y/o mecánicos (etapas de posicionamiento lineal, etapas de posicionamiento angular, moduladores espaciales de luz mecánicos,...) 7 y 10, respectivamente. Como en el escenario comentado anteriormente, el método contempla la posibilidad de que sean varios los haces que surjan tanto de 7 como 10. Los haces procedentes de las fuentes 4 y 9 se encaminan hacia el interior de la cámara, a través de la ventana 2, vía el divisor de haz 11, con direcciones de propagación coincidentes, u opcionalmente, con direcciones de propagación no coincidentes. Ambos haces luminosos procedentes de las fuentes 4 y 9 atraviesan el substrato 6, y al menos uno de ellos provoca la eyección del material de partida 5. La generación de la pluma puede estar asistida por calor a través de un medio calefactor 8. La deposición puede estar también asistida térmicamente mediante el suministro de calor al substrato, de forma similar a 8 (no representado en la Figura 5). La deposición se realiza a presión y atmósfera controladas.
La Figura 6 ilustra un tercer escenario preferido según el método propuesto para la fabricación de elementos ópticos que combinen funcionalidades refractivas y difractivas. Con referencia a esta figura, y de forma similar a lo descrito en las Figuras 4 y 5, el sistema consta de una cámara 1 con ventanas transparentes 2 y 3, una fuente de radiación luminosa 4, continua o pulsada, una segunda fuente de radiación luminosa 12, continua o pulsada, un material de partida 5, y un substrato 6 que es transparente a la radiación procedente de 4, y transparente también a la radiación de trabajo a la que va destinado el elemento óptico que se pretende fabricar. El control de la distribución espacial de la intensidad de la radiaciones procedentes de
4 y 12 se realiza mediante combinaciones de elementos ópticos (lentes, espejos, filtros, divisores de haz, máscaras, moduladores espaciales de luz, de fase y de amplitud,...) y/o mecánicos (etapas de posicionamiento lineal, etapas de posicionamiento angular, moduladores espaciales de luz mecánicos, ...) 7 y 13, respectivamente.
El haz procedente de la fuente 4 se introduce en la cámara a través de la ventana 2, y atraviesa el substrato 6 para irradiar el material que va a ser depositado. El haz procedente de la fuente 12 se introduce en la cámara a través de la ventana 3, vía el espejo 14, e incide sobre el material de partida para provocar su eyección. La generación de la pluma puede estar asistida por calor a través de un medio calefactor 8. La deposición puede estar también asistida térmicamente mediante el suministro de calor al substrato, de forma similar a 8 (no representado en la Figura 6). La deposición se realiza a presión y atmósfera controladas. La Figura 7 ilustra un cuarto escenario preferido según el método propuesto, más general, para la fabricación de elementos ópticos que combinen funcionalidades refractivas y difractivas. Con referencia a esta figura, y de fonna similar a lo descrito en las Figuras 4, 5 y 6, el sistema consta de una cámara 1 con ventanas transparentes 2 y 3, un par de fuentes de radiación luminosa 4 y 9, continuas o pulsadas, encargadas del registro de las estructuras difractivas, un segundo par de fuentes de radiación luminosa 12 y 15, continuas o pulsadas, encargadas de provocar la eyección del material de partida 5, y un substrato 6 que es transparente a las radiaciones procedentes de 4 y 9, y transparente también a la radiación de trabajo a la que va destinado el elemento óptico que se pretende fabricar. El control de la distribución espacial de la intensidad de la radiaciones procedentes de 4, 7, 12 y 15 se realiza mediante combinaciones de elementos ópticos (lentes, espejos, filtros, divisores de haz, máscaras, moduladores espaciales de luz, de fase y de amplitud,...) y/o mecánicos (etapas de posicionamiento lineal, etapas de posicionamiento angular, moduladores espaciales de luz mecánicos,...) 7, 10, 13 y 16, respectivamente. Los haces procedentes de las fuentes 4 y 9 se encaminan hacia el interior de la cámara, a través de la ventana 2, vía el divisor de haz 11, con direcciones de propagación coincidentes, u opcionalmente, con direcciones de propagación no coincidentes. Los haces procedentes de las fuentes 12 y 15 se combinan mediante el divisor de haz 17, y se introducen en la cámara a través de la ventana 3, vía el espejo 14, e inciden sobre el material de partida para provocar su eyección. La generación de la pluma puede estar asistida por calor a través de un medio calefactor 8. La deposición puede estar también asistida térmicamente mediante el suministro de calor al substrato, de forma similar a 8 (no representado en la Figura 7). La deposición se realiza a presión y atmósfera controladas.
A continuación se describe un escenario real con el fin de ilustrar el uso de la presente invención para la fabricación de una lente asférica que combina funcionalidades refractivas y difractivas, altamente transparente en el IR, y con alto umbral de daño. El material de partida 100, en este caso, es una pastilla circular de 13 mm de diámetro, formada con 125 mg de el polvo compactado, durante 10 minutos y con una carga de 10 toneladas, de una aleación calcogenura amorfa de composición As2oSgo, que presenta un gap óptico de 2.1 eV. La presión en la cámara se reduce por debajo de 10"4 mbar. La radiación luminosa 300 procede de un generador láser continuo de Nd: YAG emitiendo a 532 nm (2.33 eV), con una potencia de 1.5 W. El haz es tratado según el montaje óptico ilustrado en la Figura 3. El haz es filtrado mediante un filtro espacial, y colimado con una lente de 150 mm de focal (no mostrados en la Figura 3). El haz se divide empleando un cubo divisor de haz (201). La sección de uno los haces emergentes (301) se reduce mediante la combinación de una lente (202) de 150 mm y otra (203) de 75 mm de distancia focal, y se emplean espejos (204 y 205) para encaminarlo. Este haz se enfoca mediante una lente (206) de 50 mm de focal, y se dirige a un segundo divisor de haz (207). La componente trasversal que resulta de la interacción del haz 301 con el cubo divisor 207, es colimada mediante una lente (208) de 50 mm de focal. Esta lente constituye la salida del montaje óptico antes de introducir la radiación resultante en la cámara. Por otro lado, el segundo haz emergente del primer divisor de haz (302) atraviesa un atenuador (209) para compensar las pérdidas que sufre el 301. El haz 302 atraviesa el segundo divisor de haz (207) y es enfocado por la lente (208) de 50 mm de focal que se enfrenta a la cámara. El haz 302 induce mayormente la eyección del material de partida. El material eyectado de la superficie de la pastilla genera una distribución de la fase de vapor en forma de huso (pluma), que es perpendicular a la superficie irradiada de la pastilla. El substrato transparente (101) se ubica en la cámara perpendicular al eje óptico del montaje descrito, a 2 mm del material de partida, y es atravesado por la radiación generada a la salida de tal montaje. Sobre la cara del substrato enfrentada al material de partida, se condensa la fase de vapor de este material (102), presentando una distribución espacial asférica sobre su superficie. La actuación concurrente de la radiación luminosa, modulada según el patrón generado por la interferencia de los haces 301 y 302, sobre el depósito, produce un relieve superficial sobre la superficie asférica en la forma de placas zonales de Fresnel. No se descarta que, acompañando al relieve superficial observado, la radiación luminosa produzca cambios locales en el índice de refracción y/o el coeficiente de absorción en el material depositado. La estructura difractiva creada según el escenario descrito actuaría, en el caso de que no estuviera afectada por el perfil refractivo, como una lente difractiva de fase con una distancia focal de aproximadamente 25 mm.
Las condiciones del sistema pueden ajustarse para el depósito de un perfil de espesor tanto uniforme como variable, concentrado en una región localizada del substrato, o bien extendido de forma arbitraria sobre él. El área cubierta por el depósito y los perfiles de espesor pueden controlarse desplazando el haz luminoso sobre la superficie del material de partida y/o el substrato, vía las etapas de posicionamiento que confieren los grados de libertad x, y, z, θ, x', y', z', θ', φ', respectivamente, al material de partida, y al substrato, que aparecen esquematizadas en las Figuras 4, 5, 6 y 7.

Claims

REIVINDICACIONES
L- Método y aparato para el registro de estructuras ópticas difractivas caracterizado por: (a) situar un substrato, que es transparente a la radiación de trabajo a la que va destinada la estructura óptica fabricada, próximo a un material de partida, ambos ubicados en el interior de una cámara, (b) producir la vaporización o sublimación del material de partida, (c) depositar esta fase de vapor sobre el substrato, y (d) irradiar el depósito en crecimiento de forma concurrente a través del substrato con una distribución arbitraria de la intensidad luminosa.
2.- Método y aparato para el registro de estructuras ópticas difractivas, según reivindicación 1, caracterizado porque la vaporización o sublimación del material de partida se realiza por medios lumínicos.
3.- Método y aparato para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque las radiaciones luminosas implicadas en el proceso son continuas o pulsadas.
4.- Método y aparato para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las radiaciones luminosas implicadas en el proceso son monocromáticas o policromáticas.
5.- Método y aparato para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las radiaciones luminosas implicadas en el proceso son coherentes o incoherentes.
6.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el material de partida pueda ser un lingote o una pastilla formada a partir del polvo prensado del material a depositar.
7.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el material de partida puede ser una mezcla homogénea o heterogénea, de aleaciones semiconductoras que contengan algún elemento calcógeno (O, S, Se y/o Te) y otros reactivos (p. ej., Ge, Ga, Si, P, As, Sb, I5 Pm, Sm, Eu, Er, ...), que actúen como elementos tanto pasivos, como activos, para una determinada radiación luminosa.
8.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque un mismo haz luminoso realiza el registro de estructuras ópticas difractivas sobre el depósito y la eyección del material de partida.
9.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el proceso se realiza a presión y atmósfera controladas.
10.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la fase de vapor o plasma presente en el proceso pueda proceder de la evaporación y/o sublimación del material de partida mediante la acción conjunta del calentamiento y la radiación luminosa.
11.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la temperatura del substrato pueda ser diferente de la temperatura ambiente.
12.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad difractiva, según reivindicaciones 1 a 8, que comprende: a) una cámara con ventanas transparentes, b) un sistema de vacío, c) una fuente de radiación luminosa, d) una combinación de elementos mecánicos, ubicados en el interior de la cámara, que soportan al material de partida y que le confieren libertad para moverse en las tres direcciones cartesianas, x, y, z, así como rotar alrededor de un eje perpendicular a su superficie, θ, e) una combinación de elementos mecánicos, ubicados en el interior de la cámara, que soportan al substrato y que le confieren libertad para moverse en las tres direcciones cartesianas, x', y', z', así como rotar alrededor de un eje perpendicular a su superficie, θ', y alrededor de un eje paralelo a su superficie, φ', de forma no solidaria con el material de partida, f) una combinación de elementos ópticos (lentes, espejos, filtros, divisores de haz, máscaras, moduladores espaciales de luz, de fase y de amplitud,...) y/o mecánicos (etapas de posicionamiento lineal, etapas de posicionamiento angular, moduladores espaciales de luz mecánicos,...), ubicados en el exterior de la cámara, que controlan la distribución espacial de la intensidad luminosa sobre el material de partida.
13.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 9 y 12, caracterizado porque dispone de un sistema de inyección de gases (p. ej., He, Ne, Ar, H3As, H2S5 H2Se, ...).
14.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 10 y 12, caracterizado porque dispone de una fuente calefactora para el material de partida.
15.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 11 y 12, caracterizado porque dispone de una fuente calefactora para el substrato.
16.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque dispone de fuentes de radiación luminosa adicionales para producir la eyección del material de partida.
17.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque dispone de fuentes de radiación luminosa adicionales para el registro de las estructuras difractivas.
18.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 16 y 17, caracterizado porque las radiaciones luminosas presentes en el proceso son iguales en su coherencia, cromaticidad, y carácter temporal (pulsado o continuo).
19.- Método y aparato para la fabricación de elementos ópticos con funcionalidad puramente refractiva mediante deposición estructurada asistida por luz, según reivindicaciones 16 y 17, caracterizado porque la radiaciones luminosas presentes en el proceso son diferentes en su dirección de propagación, intensidad, coherencia, cromaticidad, o carácter temporal (pulsado o continuo).
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