WO2008071822A1 - Conversor de polarización y dispositivo de focalizacion basado en dicho conversor - Google Patents

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WO2008071822A1
WO2008071822A1 PCT/ES2007/000726 ES2007000726W WO2008071822A1 WO 2008071822 A1 WO2008071822 A1 WO 2008071822A1 ES 2007000726 W ES2007000726 W ES 2007000726W WO 2008071822 A1 WO2008071822 A1 WO 2008071822A1
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converter
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adtn
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Rafael ALCALÁ ARANDA
Carlos Sanchez Somolinos
Cornelis Wilhelmus M. Bastiaansen
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Universidad De Zaragoza
Consejo Superior De Investigaciones
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Definitions

  • the present invention relates to a polarization converter applicable to a linearly polarized light beam in order to achieve its radial or azimuthal polarization, and to a focusing device based on said converter.
  • the scalar theory of diffraction predicts that the minimum size of a beam focused on the image plane is given by the size of the Airy disk. This size is related to the wavelength ( ⁇ ) of the light used and the characteristics of the objective used, in particular with its numerical aperture (NA).
  • the polarization of the beam plays an important role in the size of the beam in the image plane and the scalar theory does not correctly predict the phenomenology observed. This is the case, for example, when an annular aperture is introduced in a large-angle focusing system (high aperture numerical), there is a significant increase in the magnitude of the longitudinal component. This phenomenon is known as depolarization.
  • This reduction in the size of the focused beam makes it possible, for example, to obtain better resolution in photolithographic systems when geometric motifs with a smaller size are achieved, thus achieving a higher density of elements per unit area (eg: greater number of transistors in an integrated circuit).
  • the reduction of the focused beam size also improves the resolution power in confocal microscopes and the density of information in optical information storage systems of the CD and DVD type.
  • a strong longitudinal component of the electric field is achieved which is used to trap and accelerate charged particles (eg: electrons, JP Fontana et al. J. Apple Phys. 54, 4285, 1983) or to Determination of the absorption dipole moment of individual molecules (J.
  • the Quabis group uses a polarization converter consisting of 4 conventional half-wave blades properly oriented and placed in 4 regions of the beam. Each sheet acts in a different beam region so that the polarization after the element is radial with 4 different sectors. Given the finite number of sectors (4) it is necessary to use a non-confocal Fabry Perot interferometer to select the purely radial mode in which the polarization changes continuously. From an applied point of view this interferometer complicates and makes mounting and the eventual device more expensive.
  • An ideal polarization converter will transform the linear polarization into a purely radial polarization. It is possible to implement a polarization converter using the same principle as Quabis but with a greater number of sectors, each with an appropriately oriented half-wave sheet, trying to approximate the ideal case, however this is technologically complex to implement.
  • ADTN cell polarization converters consisting of a twisted nematic liquid crystal cell with azimuthal distribution
  • the compensating element is a liquid crystal cell consisting of two glasses coated with a layer of rubbed polyimide.
  • the liquid crystal filled cell has structured electrodes that allow, through the application of an electric field, to modulate the index of refraction of the liquid crystal in one of the two halves of the cell and therefore the optical offset between those two halves.
  • the anisotropic fluid character of the liquid crystal material that introduces the offset makes the device sensitive to temperature since the refractive indices of the liquid crystal depend on it.
  • the converter of the invention has a simple and mechanically robust constitution that, with cost savings, achieves the conversion of a polarized beam linearly according to a direction in a radially polarized beam and in phase, capable of being used in the device of the invention to achieve focusing with minimum beam sizes in the image plane. All this with optical elements constituted with solid materials that do not require application of external fields and that also have great mechanical stability and against temperature changes and therefore a wide thermal operating range in temperatures.
  • the converter comprises an azimuthally distributed twisted nematic liquid crystal cell (ADTN cell) and constituted with liquid crystal materials.
  • ADTN cell azimuthally distributed twisted nematic liquid crystal cell
  • the invention proposes to associate this cell with a half wave compensating element structured in two halves and constituted with solid elements, which does not require the application of external fields for its operation which simplifies the system and lowers costs. Since the ⁇ DTN cell transforms the polarized beam in a direction in a radially polarized beam into two halves in contraphase, the structured compensating element is added to eliminate or prevent the offset between both halves and achieve the polarized beam in phase and in phase.
  • the compensating element is constituted by one or two solid bodies and capable of being traversed by light, in turn applied on one or both halves of the light beam defined by the disclination, and which introduce a relative mid-wave lag between the electric fields of the two halves with respect to its entry.
  • the targeting device of the invention comprises a lighting system that produces a linearly polarized beam (it can be for example a laser or a lamp combined with a linear polarizer), then the ADTN compensating element-cell assembly that constitutes the converter of the invention, and which converts the linearly polarized beam into a radially and phase polarized beam, and then a focusing system that achieves the minimum focusing size in the image plane.
  • a lighting system that produces a linearly polarized beam (it can be for example a laser or a lamp combined with a linear polarizer), then the ADTN compensating element-cell assembly that constitutes the converter of the invention, and which converts the linearly polarized beam into a radially and phase polarized beam, and then a focusing system that achieves the minimum focusing size in the image plane.
  • Figure 1 schematically shows the converter of the invention in its two possible configurations, with the compensating element placed before or after the ADTN cell.
  • Figure 2 shows an ADTN cell schematically, where the rubbing directions of their polyimides in both parallel plates and the orientation of the molecules in the thickness of the cell are represented.
  • Figure 3 shows in detail the change of orientation of the molecules and the rotation of the polarization plane of the light traveling along the ordinary axis in Mauguin's condition.
  • Figure 4 shows a view of Figure 2 where the electric field vector is also shown to appreciate the counter phase on both sides of the disclination.
  • Figure 5 shows a spatial view of the ADTN cell.
  • Figures 6 and 7 show the operation of a variant embodiment of the compensating element placed before and after the ADTN cell.
  • FIGS 8 and 9 show other embodiments of the compensating element.
  • Figure 10 schematically shows the device of targeting of the invention.
  • the converter 1 of the invention comprises an azimuthally distributed Twisted Nematic liquid crystal cell 2 (ADTN cell), associated with a half wave compensating element 3 structured in two halves.
  • the compensating element may be in front of or behind the ADTN cell depending on the specific embodiment as detailed in each case, as seen in Figure 1.
  • the ADTN cell 2 is an optical element consisting of two transparent glass substrates 4, 5 (flat parallel plates) whose faces are faced and glued using an adhesive containing spacers (eg: spheres or SiO 2 cylinders) of a fixed size, that are not represented in the figures. In this way an empty space 6 of controlled thickness is left between the glasses, for example 10 ⁇ m.
  • the part of the glass that remains inside is covered with a thin, unrepresented layer of planar polyimide.
  • the space 6 between the glasses is filled with a liquid crystal similar to that used in LCDs (Liquid crystal displays). This set is typically known as a liquid crystal cell.
  • one of the planar polyimide surfaces is rubbed with a unidirectional velvet so that in that face the liquid crystal molecules are parallel to the plane of the glass and pointing all in the same direction.
  • the rubbing direction is shown with No. 7 and which determines the axis of the ADTN cell.
  • the other surface is rubbed by applying a rotation of the glass with respect to the velvet so that the orientation of the molecules is also in the plane but following the azimuthal direction 8, that is, the preferred orientation directions form concentric circuits.
  • the orientation of the liquid crystal molecules 9 in the cell thickness changes continuously so that the orientation conditions are satisfied
  • liquid crystal materials used in the constitution of the ADTN cell can be non-reactive or reactive.
  • reagents are understood those formulations that can polymerize giving rise to solid polymer films that are much more mechanically robust and thermally stable.
  • the long axes of the molecules rotate in the thickness of the film with the helicity that minimizes the spin in each case, and therefore the energy associated with that spin, two regions being defined or halves 10, 11 on whose border the helicities are different, out of date half a period. This results in a discontinuity of the director, a discontinuity also called disclination 12.
  • the linearly polarized light propagation in a liquid crystal medium with a turn of the director can be described simply if certain conditions are satisfied.
  • said propagation is along the axis of rotation, with the electric field of light vibrating in one of the optical axes (parallel or perpendicular to the director) and satisfying the condition of Mauguin (product of the period of rotation due to the much greater birefringence that the wavelength, the birefringence being the difference of the extraordinary and ordinary indices), said propagation is such that the electric field of the light rotates in solidarity with the rotation of the director (ie: with the optical axes).
  • the proposed compensating element manages to eliminate the offset.
  • a materialization thereof can be seen in Figure 6, and may consist of a sheet 13 of an isotropic solid material of refractive index n r and thickness d ', such that:
  • n '.d'-n" .d ⁇ / 2 + m ⁇
  • This type of compensating element can be included before the ADTN cell. If this compensating element is made to strike linearly polarized light with the electric field perpendicular to the line of separation of the two halves (which we define as the axis of the compensating element) this will maintain its linear polarization in the same direction but the two halves will be out of phase for half a period ( Figure 6.) If after passing through this element the light passes through the ADTN cell matching the axis of the compensating element with the axis of the ADTN cell (that is, matching the boundary of the two halves of the compensating element with the disclination of the cell
  • ADTN ADTN
  • This compensating element can also be included after the ADTN cell.
  • the compensating element introduces a half wave offset between its two parts so that the radial polarization with the two halves out of phase half passes, after passing through the compensating element, to be radial and in phase as seen in Figure 7.
  • This embodiment can be carried out, for example, by a deposit of transparent material applied by evaporation or any other deposition technique on a glass.
  • n a '. d a ' -n a ". d a '' ⁇ / 2 + m ⁇ .
  • anisotropic sheets In the case where anisotropic sheets are used in the construction of the compensating element, it must be placed at the entrance of the ADTN cell.
  • this compensating element is made to influence linearly polarized light with the electric field perpendicular to the line of separation of the two halves (axis of the element) it will maintain its linear polarization in the same direction but the two halves will be out of phase for half a period. If, after passing through this element, the light passes through the ADTN cell, matching the axis of the compensating element with the axis of the ADTN cell (that is, matching the limit of the two halves of the compensating element with the ADTN cell disclination) a radial beam with both halves in phase is obtained at the output of the converter.
  • FIG 8. Another intended way to implement the compensating element is shown in Figure 8. This consists of the insertion of two identical half wave blades 14, 15 although with different orientation of the fast axes at the entrance of the ADTN cell, one in each half of the beam.
  • the orientations of the fast axes 16, 17 of the half-wave sheets are schematically shown in Figure 8. If this compensating element is made to influence linearly polarized light with the electric field perpendicular to the line of separation of the two halves (which we define as the axis of the compensating element) it will maintain its linear polarization in the same direction but the two halves will be offset midway. period (figure 8).
  • FIG. 9 Another possible configuration is shown in Figure 9, and consists in using the same type of half wave sheets 18, 19 with its axes 20, 21 at ⁇ 45 ° at the entrance of the ADTN cell. If the incident beam arrives with linear polarization parallel to the axis of the compensating element, the result is equivalent to that of the immediately preceding case.
  • the focusing device of the invention which is represented in Figure 10, it comprises a lighting system 35 that produces a collimated and linearly polarized beam (it can be for example a laser or a lamp combined with a linear polarizer). The resulting collimated beam is passed through the ADTN cell-compensating element assembly, so that the light becomes radially polarized in phase.
  • a focusing system such as a focusing lens (e.g., microscope objective) 37 of large numerical aperture.
  • a focusing system such as a focusing lens (e.g., microscope objective) 37 of large numerical aperture.
  • an annular opening 36 can be included which selects the outer part of the beam.
  • the system may additionally be provided with a space filter 30 consisting of two lenses 31 and 32 and a diaphragm 33 to improve the quality of the light beam.
  • the first lens focuses the light beam at a point where the diaphragm is placed, the second lens is used to obtain a collimated beam again.
  • the converter of the invention according to the described characteristics can be applied, for example, to photolithographic systems or microscopes.
  • azimuthal polarized To do this, simply change the linear input polarization in the system by an orthogonal polarization (rotate the polarization plane of the input light 90 °) in the previous embodiments. These azimuthal polarized beams do not produce reduction of the focused beam size, however these beams propagate optimally (minimal absorption) in circular hollow metallic fibers (circular hollow metallic waveguides). Describing sufficiently the nature of the invention, as well as the manner in which it is carried out in practice, it should be noted that the provisions indicated above and represented in the attached drawings are subject to modifications in detail as long as they do not alter the fundamental principle.

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Abstract

Conversor de polarización y dispositivo de focalización basado en dicho conversor; del tipo de conversores que comprenden una celda ADTN que cambia la polarización lineal del haz luminoso entrante que cumple la condición de Mauguin a radial con dos mitades desfasadas media onda según una discontinuidad o disclinación, asociada a un elemento compensador de media onda que actúa de manera diferente sobre ambas mitades del haz definidas por la disclinación en orden a conseguir un haz polarizado radialmente y en fase, donde el elemento compensador está constituido por uno o dos cuerpos sólidos y susceptibles de ser atravesados por la luz, a su vez aplicados sobre una o ambas mitades del haz luminoso definidas por la disclinación, y que introducen un desfase relativo de media onda entre los campos eléctricos de las dos mitades con respecto a su entrada.

Description

CONVERSOR DE POLARIZACIÓN Y DISPOSITIVO DE FOCALIZACION BASADO EN DICHO CONVERSOR
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un conversor de polarización aplicable a un haz luminoso polarizado linealmente al objeto de conseguir su polarización radial o azimutal, y a un dispositivo de focalización basado en dicho conversor.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La utilización de haces luminosos focalizados es clave en diferentes ' aplicaciones tales como fotolitografía, microscopías, almacenamiento óptico de información, ... La obtención de tamaños de haces focalizados cada vez más pequeños permite mejorar: la resolución en sistemas litografieos, el poder de resolución en microscopios y la capacidad de dispositivos ópticos de almacenamiento de información.
La teoría escalar de la difracción predice que el tamaño mínimo de un haz focalizado en el plano imagen viene dado por el tamaño del disco de Airy. Este tamaño está relacionado con la longitud de onda (λ) de la luz empleada y con las características del objetivo empleado, en particular con su apertura numérica (NA) .
Cuando se alcanzan los limites de focalización, la polarización del haz juega un papel importante en el tamaño del haz en el plano imagen y la teoría escalar no predice correctamente la fenomenología observada. Asi por ejemplo cuando se introduce una apertura anular en un sistema de focalización de gran ángulo (elevada apertura numérica) , se produce un aumento significativo de la magnitud de la componente longitudinal. Este fenómeno se conoce como depolarización.
Recientemente, el grupo de Quabis ha publicado (Phys.Rev.Lett. 91, 233901, 2003) sus resultados de medida de haces focalizados utilizando polarizaciones radiales y azimutales . Han comprobado teórica y experimentalmente que la utilización de haces radialmente polarizados dan como resultado tamaños de haz en el plano imagen más pequeños que los predichos por la teoria escalar. En particular estos haces radialmente polarizados resultan, al focalizarse, en un tamaño de O.lβλ2 frente a 0.26λ2 para un haz linealmente polarizado. Esta reducción del tamaño del haz focalizado permite obtener por ejemplo mejor resolución en sistemas fotolitográficos al conseguirse motivos geométricos con un tamaño menor lográndose asi una mayor densidad de elementos por unidad de área (e.g.: mayor cantidad de transistores en un circuito integrado) . La reducción del tamaño de haz focalizado permite también mejorar el poder de resolución en microscopios confocales y la densidad de información en sistemas de almacenamiento óptico de información del tipo CD y DVD. También con este tipo de haces focalizados se consigue un fuerte componente longitudinal del campo eléctrico lo cual se utiliza para atrapar y acelerar partículas cargadas (e.g.: electrones, J. P. Fontana y col. J.Appl. Phys . 54, 4285, 1983) o para determinación del momento del dipolo de absorción de moléculas individuales (J. Macklin y col., Science, 272, 255, 1996) . También es sabido que la eficiencia de cortado en metales utilizando haces polarizados radiales es hasta 2 veces mayor que empleando haces lineal o circularmente polarizados (V. G. Niziev y col., J. Phys. D: Appl. Phys. 32, 1455, 1999).
1 La obtención de haces radialmente polarizados partiendo de haces linealmente polarizados no es obvia.
Asi el grupo de Quabis utiliza un conversor de polarización consistente en 4 láminas de media onda convencionales apropiadamente orientadas y colocadas en 4 regiones del haz. Cada lámina actúa en una región del haz diferente de manera que la polarización después del elemento es radial con 4 sectores diferentes. Dado el número finito de sectores (4) es necesario utilizar un interferómetro Fabry Perot no confocal para seleccionar el modo puramente radial en el cual la polarización cambia de manera continua. Desde un punto de vista aplicado este interferómetro complica y encarece el montaje y el eventual dispositivo.
Un conversor de polarización ideal transformarla la polarización lineal en una polarización puramente radial. Es posible implementar un conversor de polarización utilizando el mismo principio que Quabis pero con un mayor número de sectores, cada uno con una lámina de media onda apropiadamente orientada, tratando de aproximarse al caso ideal, no obstante esto es tecnológicamente complejo de implementar.
También se conocen unos conversores de polarización consistentes en una celda cristal liquido de efecto nemático torsionado (twisted nematic) y distribuida azimutalmente (celda ADTN) (M. Stalder y col. Opt. Lett .
21, 1948, 1996) , que transforma un haz polarizado linealmente en una dirección en un haz polarizado radialmente con dos mitades desfasadas media onda. Sin embargo este haz polarizado con mitades en contrafase no se puede utilizar en dispositivos de focalización.
Descrovi y colaboradores (J. Opt. Soc. Am. A. 22, 1432, 2005) han reportado la fabricación de un conversor de polarización basado en una celda ADTN y un elemento electroóptico basado en cristales liquidos que compensa el desfase existente entre las dos mitades. El elemento compensador es una celda cristal liquido consistente en dos vidrios recubiertos de una capa de poliimida frotada. La celda rellena de cristal liquido tiene electrodos estructurados que permiten, mediante la aplicación de un campo eléctrico, modular el Índice de refracción del cristal líquido en una de las dos mitades de la celda y por ello el desfase óptico entre esas dos mitades. El carácter de fluido anisótropo del material cristal líquido que introduce el desfase, hace que el dispositivo sea sensible a la temperatura ya que los índices de refracción del cristal líquido dependen de esta. Esto limita el rango de operación en temperaturas del dispositivo. Este elemento permite obtener haces polarizados radiales y azimutales en fase. No obstante, el campo eléctrico ha de ajustarse para la longitud de onda empleada en el conversor de polarización y para cada temperatura. El campo eléctrico aplicado en el elemento compensador ha de estabilizarse mediante un sistema electrónico lo que complica y encarece el sistema. Además es necesaria una calibración previa en temperaturas y en longitudes de onda.
Estos inconvenientes se subsanan con la utilización del conversor de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El conversor de la invención tiene una constitución sencilla y robusta mecánicamente que, con economía de costes, consigue la conversión de un haz polarizado linealmente según una dirección en un haz polarizado radialmente y en fase, susceptible de ser utilizado en el dispositivo de la invención para conseguir focalizaciones con tamaños minimos de haz en el plano imagen. Todo ello con elementos ópticos constituidos con materiales sólidos que no requieren aplicación de campos externos y que presentan además una gran estabilidad mecánica y frente a cambios de temperatura y por ello un amplio rango térmico de operación en temperaturas . De acuerdo con la invención, el conversor comprende una celda de cristal liquido nemático torsionado distribuida azimutalmente (celda ADTN) y constituida con materiales cristales líquidos . La invención propone asociar esta celda a un elemento compensador de media onda estructurado en dos mitades y constituido con elementos sólidos, que no requiere de la aplicación de campos externos para su operación lo que simplifica el sistema y abarata costes. Ya que la celda ΔDTN transforma el haz polarizado en una dirección en un haz polarizado radialmente en dos mitades en contrafase, el elemento compensador estructurado se añade para eliminar o prevenir el desfase entre ambas mitades y conseguir el haz polarizado radialmente y en fase.
El elemento compensador está constituido por uno o dos cuerpos sólidos y susceptibles de ser atravesados por la luz, a su vez aplicados sobre una o ambas mitades del haz luminoso definidas por la disclinación, y que introducen un desfase relativo de media onda entre los campos eléctricos de las dos mitades con respecto a su entrada. Caben diferentes posibilidades de realización que se explican con detalle en la descripción del ejemplo de realización práctica de la invención.
En cuanto al dispositivo de focalización de la invención, comprende un sistema de iluminación que produce un haz linealmente polarizado (puede tratarse por ejemplo de un láser o de una lámpara combinada con un polarizador lineal) , a continuación el conjunto elemento compensador-celda ADTN que constituye el conversor de la invención, y que convierte el haz linealmente polarizado en un haz polarizado radialmente y en fase, y seguidamente sistema focalizador que consigue el mínimo tamaño de focalización en el plano imagen. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra esquemáticamente el conversor de la invención en sus dos configuraciones posibles, con el elemento compensador colocado antes o después de la celda ADTN. La figura 2 muestra una celda ADTN esquemáticamente, donde se representan las direcciones de frotamiento de sus poliimidas en ambos platos planoparalelos y la orientación de las moléculas en el espesor de la celda.
La figura 3 muestra en detalle el cambio de orientación de las moléculas y el giro del plano de polarización de la luz viajando según el eje ordinario en condición de Mauguin.
La figura 4 muestra una vista de la figura 2 donde también se representa el vector campo eléctrico para apreciar la contrafase a ambos lados de la disclinación.
La figura 5 muestra una vista espacial de la celda ADTN.
Las figuras 6 y 7 muestran el funcionamiento de una variante de realización del elemento compensador colocado antes y después de la celda ADTN.
Las figuras 8 y 9 muestran otras variantes de realización del elemento compensador.
La figura 10 muestra esquemáticamente el dispositivo de focalización de la invención.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PRACTICA DE LA INVENCIÓN
El conversor 1 de la invención comprende una celda 2 de cristal liquido de efecto nemático torsionado (Twisted Nematic) distribuida azimutalmente (celda ADTN) , asociada a un elemento compensador 3 de media onda estructurado en dos mitades. El elemento compensador puede estar delante o detrás de la celda ADTN dependiendo de la realización especifica tal y como se detalla en cada caso, como se ve en la figura 1.
La celda 2 ADTN es un elemento óptico que consta de dos substratos 4, 5 de vidrio transparentes (platos planoparalelos) cuyas caras se enfrentan y pegan utilizando un adhesivo que contiene espaciadores (e.g.: esferas o cilindros de SiO2) de un tamaño fijo, que no se representan en las figuras. De esta manera se deja entre los vidrios un espacio vacio 6 de espesor controlado, por ejemplo 10 μm. La parte de los vidrios que queda en el interior está recubierta con una capa delgada, no representada, de poliimida planar. El espacio 6 entre los vidrios se rellena con un cristal liquido similar al empleado en LCDs (Liquid cristal displays) . Este conjunto se conoce típicamente como celda cristal liquido. En el caso de la celda ADTN, previo al pegado de los vidrios, una de las superficies de poliimida planar se frota con un terciopelo unidireccionalmente de manera que en esa cara las moléculas de cristal liquido están paralelas al plano del vidrio y apuntando todas en la misma dirección.
En la figura 2 se representa con el n° 7 la dirección de frotamiento y que determina el eje de la celda ADTN. La otra superficie se frota aplicando una rotación del vidrio respecto al terciopelo de modo que la orientación de las moléculas es también en el plano pero siguiendo la dirección azimutal 8, es decir, las direcciones de orientación preferente forman circuios concéntricos. La orientación de las moléculas 9 del cristal liquido en el espesor de la celda cambia de manera continua de manera que se satisfacen las condiciones de orientación
(condiciones de contorno) impuestas por el frotamiento de las poliimidas tal y como aparece en las figuras 2 y 3. Aparte del frotamiento, pueden emplearse otros métodos para obtener la orientación azimutal de las moléculas tales como la técnica de micro-frotamiento (micro- rubbing) con bola (e.g.: S. Varghese et al.
Appl . Phys . Lett . 85, 230, 2004), o el uso de linearly photopolimerisahle polymers (LPPs) con el patrón de iluminación adecuado (M.Schadt et al. Jpn. J. Appl . Phys .
31, 2155, 1992). Además los materiales cristal liquido empleados en la constitución de la celda ADTN pueden ser no reactivos o reactivos. Por reactivos se entienden aquellas formulaciones que pueden polimerizar dando lugar a películas poliméricas sólidas mucho más robustas mecánicamente y estables térmicamente.
Con el fin de minimizar la energía elástica del cristal liquido, los ejes largos de las moléculas rotan en el espesor de la película con la helicidad que minimiza el giro en cada caso, y por tanto la energía asociada a ese giro, quedando definidas dos regiones o mitades 10, 11 en cuya frontera las helicidades son diferentes, desfasadas medio periodo. Esto da lugar a una discontinuidad del director, discontinuidad también llamada disclinación 12.
La propagación de luz linealmente polarizada en un medio cristal liquido con un giro del director puede describirse de manera sencilla si se satisfacen ciertas condiciones. Asi, si la propagación es según el eje de giro, con el campo eléctrico de la luz vibrando en uno de los ejes ópticos (paralelo o perpendicular al director) y satisfaciéndose la condición de Mauguin (producto del periodo de giro por la birrefringencia mucho mayor que la longitud de onda, siendo la birrefringencia la diferencia de los Índices extraordinario y ordinario) , dicha propagación es tal que el campo eléctrico de la luz rota solidariamente con el giro del director (i.e.: con los ejes ópticos) . Esto es, el haz polarizado linealmente que entra en la celda vibrando perpendicularmente al director, rota solidariamente con éste en el interior de la celda. Por tanto la luz incidiendo normal a la celda entrando por el plano 4 (el frotado unidireccionalmente) y con el campo eléctrico vibrando perpendicularmente a la dirección 7 de frotamiento de sus poliimidas (eje de la celda) sufre un cambio de dirección del campo eléctrico a lo largo del espesor de la celda, hasta convertirse a la salida de la misma en un haz polarizado en dirección radial. Dado que el giro del director se produce en diferentes sentidos a ambos lados de la disclinación, también el campo eléctrico estará desfasado medio periodo en ambas mitades a la salida de la celda. En la figura 4 se aprecia el desfase del vector campo eléctrico en diferentes espesores de la celda
El elemento compensador propuesto consigue eliminar el desfase. Una materialización del mismo se aprecia en la figura 6, y puede consistir en una lámina 13 de un material sólido isótropo de índice de refracción nr y espesor d' , tal que:
(n'-l) . d'= λ/2, aplicada sobre una de las mitades, mientras que la otra mitad queda con aire (Índice de refracción del aire = 1) . Es obvio que también seria válido cualquier espesor que cumpliese la siguiente condición:
(n'-l) . d'= λ/2 + m λ, con m un número entero.
De manera análoga seria posible utilizar en lugar de aire, otro material sólido de Índice de refracción n' ' y espesor dr " tal que: n' .d'-n" .d" = λ/2 + m λ Este tipo de elemento compensador puede incluirse antes de la celda ADTN. Si se hace incidir sobre este elemento compensador luz linealmente polarizada con el campo eléctrico perpendicular a la línea de separación de las dos mitades (que definimos como eje del elemento compensador) esta mantendrá su polarización lineal en la misma dirección pero las dos mitades estarán desfasadas medio periodo (figura 6) . Si tras pasar por este elemento la luz pasa por la celda ADTN haciendo coincidir el eje del elemento compensador con el eje de la celda ADTN (es decir, haciendo coincidir el límite de las dos mitades del elemento compensador con la disclinación de la celda
ADTN) se obtiene a la salida del conversor un haz radial con ambas mitades en fase.
También puede incluirse este elemento compensador tras la celda ADTN. El elemento compensador introduce un desfase de media onda entre sus dos partes de manera la polarización radial con las dos mitades desfasadas medio periodo pasa, tras pasar por el elemento compensador, a ser radial y en fase tal y como se ve en la figura 7. Esta realización se puede llevar a la práctica por ejemplo mediante un depósito de material transparente aplicado mediante evaporación o cualquier otra técnica de deposición sobre un vidrio. El elemento compensador puede también integrarse en la celda ADTN aplicando el depósito anterior en las caras exteriores de los vidrios que conforman la celda ADTN haciendo el dispositivo más compacto y robusto mecánicamente. Por ejemplo un depósito de óxido de silicio con .n '=1.515 y espesor d'=614.4 nm resultarla un desfase de media onda para luz de 632.8 nm (con aire en la otra mitad) .
Es obvio que es posible igualmente implementar el elemento compensador de la figura 6 empleando una lámina 13 de material sólido anisótropo de espesor da r aplicada sobre una de las mitades, mientras que la otra mitad queda con aire (Índice de refracción del aire = 1) . En este caso ha de cumplirse que uno de los ejes ópticos, no representados, de la lámina anisótropa 13 esté contenido en el plano del elemento compensador y perpendicular al eje del mismo. El espesor de la lámina da' y el Índice de refracción na r correspondiente a este eje óptico han de ser tales que:
(-V-D • da '=λ/2+mλ con m un número entero.
De manera análoga sería posible utilizar en lugar de aire, otro material sólido isótropo de índice de refracción n' ' ' y espesor dr ' ' tal que: na' . da'-nr ' ' . d" ' = λ/2 + m λ De manera análoga sería posible utilizar en lugar de aire u otro material sólido isótropo, otra lámina de material sólido anisótropo de espesor da ' ' . De nuevo ha de cumplirse que uno de los ejes ópticos de esta lámina anisótropa esté contenido en el plano del elemento compensador y perpendicular al eje del mismo. El espesor de la lámina da'' ' y el índice de refracción na' ' correspondiente a este eje óptico han de ser tales que: na ' . da ' -na " . da ' '=λ/2+mλ. En el caso en que se utilicen láminas anisótropas en la construcción del elemento compensador, este ha de colocarse a la entrada de la celda ADTN. Si se hace incidir sobre este elemento compensador luz linealmente polarizada con el campo eléctrico perpendicular a la linea de separación de las dos mitades (eje del elemento) esta mantendrá su polarización lineal en la misma dirección pero las dos mitades estarán desfasadas medio periodo. Si tras pasar por este elemento la luz pasa por la celda ADTN haciendo coincidir el eje del elemento compensador con el eje de la celda ADTN (es decir, haciendo coincidir el limite de las dos mitades del elemento compensador con la disclinación de la celda ADTN) se obtiene a la salida del conversor un haz radial con ambas mitades en fase.
Otra manera prevista para implementar el elemento compensador se representa en la figura 8. Esta consiste en la inserción de dos láminas 14, 15 de media onda idénticas aunque con diferente orientación de los ejes rápidos a la entrada de la celda ADTN, una en cada mitad del haz. En la figura 8 se representan esquemáticamente las orientaciones de los ejes rápidos 16, 17 de las láminas de media onda. Si se hace incidir sobre este elemento compensador luz linealmente polarizada con el campo eléctrico perpendicular a la linea de separación de las dos mitades (que definimos como eje del elemento compensador) esta mantendrá su polarización lineal en la misma dirección pero las dos mitades estarán desfasadas medio periodo (figura 8). Si tras pasar por este elemento la luz pasa por la celda ADTN haciendo coincidir el eje del elemento compensador con el eje de la celda ADTN (es decir, haciendo coincidir el limite de las dos mitades del elemento compensador con la disclinación de la celda ADTN) se obtiene a la salida del conversor un haz radial con ambas mitades en fase.
Otra configuración posible se representa en la figura 9, y consiste en usar a la entrada de la celda ADTN el mismo tipo de láminas 18, 19 de media onda con sus ejes 20, 21 a ± 45°. Si el haz incidente llega con polarización lineal paralela al eje del elemento compensador el resultado es equivalente al del ' caso inmediatamente anterior. En cuanto a una de las maneras previstas para el dispositivo de focalización de la invención, que se representa en la figura 10, comprende un sistema de iluminación 35 que produce un haz colimado y linealmente polarizado (puede tratarse por ejemplo de un láser o de una lámpara combinada con un polarizador lineal) . El haz colimado resultante se hace pasar por el conjunto elemento compensador-celda ADTN, de manera que la luz pasa a tener polarización radial en fase. Tras esto el haz se focaliza en la muestra 38 con un sistema focalizador tal como una lente focalizadora (e.g.: objetivo de microscopio) 37 de gran apertura numérica. Adicionalmente puede incluirse una apertura anular 36 que selecciona la parte exterior del haz. El sistema puede adicionalmente estar provisto de un filtro espacial 30 consistente en dos lentes 31 y 32 y un diafragma 33 para mejorar la calidad del haz luminoso. La primera lente focaliza el haz de luz en un punto en el que se coloca el diafragma, la segunda lente se utiliza para obtener de nuevo un haz colimado. El conversor de la invención según las caracteristicas descritas, puede aplicarse por ejemplo a sistemas fotolitográficos o microscopios.
También es posible con la invención conseguir haces 007/000726
14
polarizados azimutalmente . Para ello basta con cambiar la polarización lineal de entrada en el sistema por una polarización ortogonal (girar 90° el plano de polarización de la luz de entrada) en las realizaciones anteriores. Estos haces polarizados azimutalmente no producen reducción del tamaño de haz focalizado, no obstante estos haces se propagan de manera óptima (absorción mínima) en fibras metálicas huecas circulares (circular hollow metallic waveguides) . Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de realizarse en la práctica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren el principio fundamental.

Claims

REIVINDICACIONES
l.-Conversor de polarización y dispositivo de focalización basado en dicho conversor; del tipo de conversores que cambian la polarización lineal de un haz luminoso a polarización radial en fase, y que comprenden una celda ADTN que cambia la polarización lineal del haz entrante que cumple la condición de Mauguin a radial con dos mitades desfasadas media onda según una discontinuidad o disclinación, asociada a un elemento compensador de media onda que actúa de manera diferente sobre ambas mitades del haz definidas por la disclinación en orden a conseguir un haz polarizado radialmente y en fase; caracterizado porque el elemento compensador está constituido por uno o dos cuerpos sólidos y susceptibles de ser atravesados por la luz, a su vez aplicados sobre una o ambas mitades del haz luminoso definidas por la disclinación, y que introducen un desfase relativo de media onda entre los campos eléctricos de las dos mitades con respecto a su entrada.
2. -Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento compensador se aplica a la entrada o a la salida de la celda ADTN y está constituido por un cuerpo aplicado sobre una mitad del haz, y que comprende una lámina de material sólido isótropo de Índice de refracción n" y espesor d' tal que (n'-l ) . d/=λ/2+mλ, siendo λ la longitud de onda del haz luminoso incidente y m un número entero; mientras que la otra mitad queda expuesta al aire o se materializa mediante otra lámina de material sólido isótropo cuyo índice de refracción n' ' y espesor d' ' sean tales que n' . ár -nr f . dr '=λ/2+mλ.
3. -Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento compensador se aplica a la entrada de la celda ADTN y está constituido por un cuerpo aplicado sobre una mitad del haz, y que comprende una lámina de material sólido anisótropo de espesor da' con uno de los ejes ópticos de este contenido en el plano del elemento y perpendicular al eje del mismo, siendo el Índice de refracción correspondiente a este eje na r tal que (n/- 1) . da /=λ/2+mλ, siendo λ la longitud de onda del haz luminoso incidente y m un número entero; mientras que la otra mitad queda expuesta al aire o se materializa mediante otra lámina de material sólido isótropo cuyo índice de refracción n' ' ' y espesor d' r ' sean tales que
Figure imgf000017_0001
4.-Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento compensador se aplica a la entrada de la celda ADTN y está constituido por un cuerpo aplicado sobre una mitad del haz, y que comprende una lámina de material sólido anisótropo de espesor da' con uno de los ejes ópticos de este contenido en el plano del elemento y perpendicular al eje del mismo, siendo el índice de refracción correspondiente a este eje na r ; mientras que la otra mitad se materializa mediante otra lámina de material sólido anisótropo de espesor da r ' con uno de los ejes ópticos de este contenido en el plano del elemento y perpendicular al eje del mismo, siendo el índice de refracción correspondiente a este eje na' r tal que na' . da' -na' f .da f '=λ/2+mλ. siendo λ la longitud de onda del haz luminoso incidente y m un número entero.
5.-Conversor de polarización según reivindicaciones 2, 3 y 4 caracterizado porque dicho elemento compensador se materializa por uno o varios depósitos de material transparente aplicado sobre un vidrio externo a la celda ADTN, o directamente sobre una o las dos las mitades de la misma.
6.-Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque ambos cuerpos sólidos se materializan mediante dos láminas de media onda idénticas y ejes rápidos perpendiculares aplicadas a la entrada de la celda ADTN.
7.-Conversor según reivindicación 6 caracterizado porque el eje rápido de una de las láminas se posiciona paralelo a la dirección de separación de las dos láminas de media onda y el eje rápido de la otra perpendicular a dicha dirección de separación.
8.-Conversor según reivindicación 6 caracterizado porque los ejes rápidos de ambas láminas forman respectivamente un ángulo de + 45° y de -45° con la dirección de separación de ambas láminas .
9. -Dispositivo según reivindicación 1 para un haz incidente linealmente polarizado caracterizado porque comprende el dispositivo conversor de la invención, a cuya salida se acopla un sistema de focalización.
10. -Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado porque opcionalmente a la salida del conversor de polarización se acopla una apertura anular previa al sistema de focalización.
11. -Dispositivo según la reivindicación 9 caracterizado porque opcionalmente incluye un filtro espacial a base de dos lentes y un diafragma.
12. -Dispositivo según reivindicación 9 caracterizado porque el sistema de focalización consiste en un objetivo de un microscopio.
13. -Sistema fotolitográfico incluyendo el conversor de acuerdo con la reivindicacines anteriores.
14. -Microscopio incluyendo el conversor de acuerdo con la reivindicaciones anteriores.
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