WO2008071823A2 - Conversor de polarización acromático y dispositivo de focalizacion basado en dicho conversor - Google Patents

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WO2008071823A2
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Rafael ALCALÁ ARANDA
Carlos SÁNCHEZ SOMOLINOS
Cornelis Wilhelmus M. Bastiaansen
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Universidad De Zaragoza
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Definitions

  • the present invention relates to a polarization converter applicable to a light beam of any linearly polarized wavelength, in order to achieve its radial or azimuthal polarization, and to a focusing device based on said converter.
  • focused light beams is key in different applications such as photolithography, microscopes, optical storage of information, ...
  • Obtaining smaller and smaller sizes of focused beams allows to improve: the resolution in lithographic systems, the resolution power in microscopes and the capacity of optical storage devices.
  • 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 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. Also with this type of focused beams 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. Macklin et al., Science, 272, 255, 1996). It is also known that the efficiency of metal cutting using radial polarized beams it is up to 2 times larger than using linear or circularly polarized beams (VG Niziev et al., J.Phys.D: Appl. Phys. 32, 1455, 1999).
  • 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.
  • polarization converters consisting of a twisted nematic liquid crystal cell with azimuthal distribution (ADTN cell) (M. Stalder et al. Opt. Lett. 21, 1948, 1996), which transforms a beam linearly polarized in one direction in a radially polarized beam with two half wave offset halves. Without However, this polarized beam with contraphase halves cannot be used in focusing devices.
  • ADTN cell 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 temperature sensitive since the refractive indices of the liquid crystal depend on it.
  • This element allows to obtain radial and azimuthal polarized beams in phase.
  • the electric field must be adjusted for the wavelength used in the polarization converter and for each temperature.
  • the device also operates only at a single wavelength once the electric field has been adjusted.
  • the electric field applied to the compensating element must be stabilized by an electronic system which complicates and makes the system more expensive.
  • a previous calibration in temperatures and wavelengths is necessary.
  • the converter of the invention has a simple and mechanically robust constitution that, with cost savings, achieves the conversion of a linearly polarized beam according to a direction in a radially polarized beam and in phase, capable of being used in the device of the invention for achieve focusing with minimum beam sizes in the image plane. It is also usable with light of any wavelength (it is achromatic), does not require the application of external fields, and has variants of embodiment that have great stability against changes in temperature and therefore a wide thermal range of operation in temperatures.
  • the converter is of the type comprising an azimuthally distributed twisted nematic liquid crystal cell (ADTN cell) and constituted with liquid crystalline materials, associated with a half wave compensating element structured in two halves to prevent offset by halves that the ADTN cell produces when transforming a linearly polarized beam to radially polarized.
  • ADTN cell azimuthally distributed twisted nematic liquid crystal cell
  • half wave compensating element structured in two halves to prevent offset by halves that the ADTN cell produces when transforming a linearly polarized beam to radially polarized.
  • the improvement proposed by the invention consists in materializing the compensating element by means of at least one liquid crystal cell configured by flat plates parallel with polyimides or other materials capable of orienting the liquid crystal molecules, with the particularity that said materials have been treated (for example by rubbing in the case of polyimides) so that the directions imposed on the liquid crystal, in cooperation with the formulation of the liquid crystals used and without the need for any electrical polarization, produce turns of the director in two halves of the compensating element that differ in half a helix.
  • This cell is therefore passive, and does not require an electronic system to apply external fields, being achromatic for light beams that meet Mauguin's condition.
  • An improvement of the invention consists in using reactive liquid crystals that polymerize.
  • the polymeric character of the device gives it great operating stability against changes in temperature.
  • the invention also proposes to integrate both the ADTN cell and the compensating element in a single cell, although there are other materializations that are explained in detail in the description of the example of practical embodiment of the invention.
  • the focusing 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 element assembly ADTN-cell compensator 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 lens 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 element assembly ADTN-cell compensator 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 lens that achieves the minimum focusing size in the image plane.
  • FIG 1 schematically shows the converter of the invention.
  • 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 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.
  • FIGS. 6a, 6b and 7 show different embodiments of the achromatic compensating element according to the invention.
  • Figure 8 shows a view of the converter of the invention in a variant that integrates the compensating element and ADTN cell in a single cell.
  • Figure 9 schematically shows the focusing device of the invention. DESCRIPTION OF A PRACTICAL EMBODIMENT 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.
  • ADTN cell azimuthally distributed Twisted Nematic liquid crystal cell
  • 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, S ⁇ O 2 spheres or 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 molecules 9 of the liquid crystal in the thickness of the cell changes continuously so that the orientation conditions are satisfied
  • 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 compensating element has the task of preventing the offset if it is placed before the ADTN cell or integrated into it.
  • An intended way to implement the compensating element is by manufacturing a liquid crystal cell 20, structured in two halves 20a and 20b and with two different compositions, such as that shown in Figures 6a and 6b.
  • the polyimides of both flat plates have been rubbed unidirectionally and have faced each other in such a way that the rubbing directions 21 are parallel.
  • glue not shown, can be applied to the sides of the faces.
  • This adhesive contains spacers (eg: S ⁇ O 2 spheres or cylinders) of a fixed size similar to those used in the construction of the ADTN cell. In this way an empty space of controlled thickness is left between the glasses.
  • a glue line 23 is applied in the central part that will act as a cell divider in two halves.
  • the two halves 20a and 20b are then filled by capillarity with two different liquid crystal formulations: - a first non-chiral liquid crystal (CL) formulation, so that the director is in a purely planar configuration, and is parallel to the direction of rubbing throughout the thickness of the cell.
  • CL non-chiral liquid crystal
  • the propagation of the light is along the axis of rotation of the director, 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, said propagation is such that the electric field of light rotates in solidarity with the director's turn in half with the chiral composition.
  • the compensating element is achromatic (valid for any wavelength), and therefore so is the polarization converter. If the compensating element element is linearly polarized with the electric field perpendicular to the line of separation of the two halves
  • the axis of the compensating element (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 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.
  • This compensating element can also be constructed with rubbing directions parallel to the line defined by the glue barrier that separates the two liquid crystal formulations. If the incident beam arrives linear polarized and oriented perpendicular to the axis of the compensating element, the result is equivalent to that of the immediately preceding case. In any case, this compensating element must be placed in front of the ADTN cell. Also in general the invention contemplates the implementation of the achromatic compensating element with the cell divided into halves 20b and 20b by a line of adhesive 23 and with different compositions in each cell, in all its variations provided that the condition that the two compositions is fulfilled are chiral and that the difference of the propellers formed is always an odd multiple of half a helix.
  • FIG. 7 Another materialization of the compensating element is shown in Figure 7, and comprises two cells 24 and 25 where each cell consists of a glass 26 with unidirectionally rubbed polyimide, but in perpendicular directions in both cells, and another glass 27 with the structured polyimide in two halves: one is rubbed unidirectionally at + 45 ° and the other at -45 °, so that the line that defines the separation between these two halves is parallel or perpendicular to the orientation direction imposed by the input glass.
  • the director is oriented so that he rotates + 45 ° in the thickness of the cell.
  • the light passes to horizontal polarized light however both halves are in counterphase.
  • the liquid crystals used may be non-reactive, however the use of polymerizable liquid crystal materials results in more mechanically robust optical elements and little sensitive to temperature changes and therefore a device with a wide operating range in temperature.
  • the compensating elements described are placed before the ADTN cell by matching the disclination 23b of cells 24 and 25, with the ADLN cell disclination so that the input light in each half of the ADTN cell is out of date half a period with respect to that of the other half.
  • the exit light behind the ADTN cell is radial (the two halves in phase).
  • the present invention as a preferred embodiment to materialize the polarization converter by integrating the achromatic compensating element and the ADTN cell into a single element, as shown in Figure 8.
  • the thin line of adhesive 23 is added in the middle of the cell. 2 ADTN, in a direction parallel to the direction of unidirectional orientation implemented in one of its glasses, defining two halves 2a and 2b, in which two different formulations are put into capillarity: one non-chiral in one half and another chiral in the other half with a composition that meets the chiral dopant induces half a helix passage in the thickness of the cell.
  • the director configuration is such that the linearly polarized light incident normal to the cell and with the electric field vibrating perpendicular to the axis of the ADTN cell is converted, at the cell's output, directly into radial and phase polarized light, also functioning achromatically
  • the converter within all the proposed variants, works for any wavelength (within the Mauguin regime and system transparency zone), so it is achromatic.
  • liquid crystals used They may be non-reactive.
  • polymerizable liquid crystal materials results in a mechanically robust optical element that is not sensitive to temperature changes and therefore a device with a wide operating range in temperature.
  • the focusing device of the invention 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.
  • the beam is focused on sample 38 with a focusing system 37 (e.g., microscope objective) of large numerical aperture.
  • a focusing system 37 e.g., microscope objective
  • 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 features can be applied, for example, to photolithographic systems or microscopes.

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Abstract

Conversor de polarización acromático y dispositivo de focalización basado en dicho conversor; del tipo de conversores que comprenden una celda ADTN que cambia la polarización lineal de un haz luminoso entrante que cumple la condición de Mauguin a radial con dos mitades desfasadas media onda según una 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, al menos, una celda pasiva de cristal liquido configurada por platos planoparalelos recubiertos por una capa de material orientador del cristal liquido en direcciones tales que, en cooperación con la formulación de los cristales líquidos, produce en ambas mitades del haz giros del director que se diferencian en media hélice previniendo el desfase de ambas mitades sin la aplicación de campos externos.

Description

CONVERSOR DE POLARIZACIÓN ACROMÁTICO 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 de cualquier longitud de onda 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 teoria 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 teoría 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).
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 líquidos 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 liquido 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 liquido que introduce el desfase, hace que el dispositivo sea sensible a la temperatura ya que los Índices de refracción del cristal liquido 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 dispositivo opera además sólo a única longitud de onda una vez se ha ajustado el campo eléctrico. 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 mínimos de haz en el plano imagen. Además es utilizable con luz de cualquier longitud de onda (es acromático) , no requiere la aplicación de campos externos, y tiene variantes de realización que presentan una gran estabilidad frente a cambios de temperatura y por ello un amplio rango térmico de operación en temperaturas .
De acuerdo con la invención, el conversor es del tipo que comprende una celda de cristal liquido nemático torsionado distribuida azimutalmente (celda ADTN) y constituida con materiales cristales líquidos, asociada a un elemento compensador de media onda estructurado en dos mitades para prevenir el desfase por mitades que produce la celda ADTN al transformar un haz polarizado linealmente a polarizado radialmente. La mejora que la invención propone consiste en materializar el elemento compensador mediante, al menos, una celda de cristal liquido configurada por platos planoparalelos recubiertos por poliimidas u otros materiales capaces de orientar las moléculas de cristal liquido, con la particularidad de que dichos materiales se han tratado (por ejemplo por frotamiento en el caso de poliimidas) para que las direcciones que impongan al cristal liquido, en cooperación con la formulación de los cristales líquidos empleados y sin necesidad de ninguna polarización eléctrica, produzcan giros del director en dos mitades del elemento compensador que se diferencian en media hélice. Esta celda por tanto es pasiva, y no precisa de un sistema electrónico para aplicar campos externos, siendo acromática para haces luminosos que cumplan la condición de Mauguin.
Por tanto, colocando el elemento compensador de forma que las mitades en las que produce los giros diferentes del director coincidan con las mitades de la celda ADTN en las que se produce el desfase del haz transformado a radial, se obtendrá un haz polarizado radialmente y en fase independientemente de la longitud de onda.
Una mejora de la invención, y aplicable a sus distintas variantes, consiste en utilizar cristales líquidos reactivos que polimerizan. En este caso el carácter polimérico del dispositivo le confiere una gran estabilidad de funcionamiento frente a los cambios de temperatura .
Como caso preferente o más completo de realización, la invención propone, además integrar ambas la celda ADTN y el elemento compensador en una única celda, si bien caben otras materializaciones 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 una lente focalizadora 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.
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 6a, 6b y 7 muestran sendas variantes de realización del elemento compensador acromático, según la invención.
La figura 8 muestra una vista del conversor de la invención en una variante que integra el elemento compensador y celda ADTN en una única celda. La figura 9 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.
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 SÍO2) 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 photopolimerisable 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 tiene como cometido prevenir el desfase si se coloca antes de la celda ADTN o se integra en la misma.
Una manera prevista para implementar el elemento compensador es mediante la fabricación de una celda cristal líquido 20, estructurada en dos mitades 20a y 20b y con dos composiciones diferentes, como la que aparece en las figuras 6a y 6b. En la misma las poliimidas de ambos platos planoparalelos han sido frotadas unidireccionalmente y se han enfrentado de tal modo que las direcciones de frotamiento 21 son paralelas. Para hacer la celda mecánicamente robusta puede aplicarse pegamento, no representado, en los laterales de las caras. Este adhesivo contiene espaciadores (e.g.: esferas o cilindros de SÍO2) de un tamaño fijo similares a los utilizados en la construcción de la celda ADTN. De esta manera se deja entre los vidrios un espacio vacio de espesor controlado. Perpendicular a la dirección de frotamiento se aplica una linea de pegamento 23 en la parte central que actuará como divisor de la celda en dos mitades. A continuación se llenan por capilaridad las dos mitades 20a y 20b con dos formulaciones cristal liquido diferentes : - una primera formulación cristal liquido (CL) no quiral, de manera que el director está en una configuración puramente planar, y es paralelo a la dirección de frotamiento en todo el espesor de la celda.
- una segunda quiral de manera que el director gira medio paso de hélice en el espesor de la celda.
Si, como en el caso de la celda ADTN, la propagación de la luz es según el eje de giro del director, 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, dicha propagación es tal que el campo eléctrico de la luz rota solidariamente con el giro del director en la mitad con la composición quiral. En la otra mitad (con composición aquiral) no se produce giro de la polarización de manera que se introduce en el espesor de la celda un desfase de media entre las dos mitades, independientemente de la longitud de onda de operación. Según esta constitución el elemento compensador es acromático (válido para cualquier longitud de onda), y por tanto también lo es el convesor de polarización. Si se hace incidir sobre el elemento 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. 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.
Este elemento compensador puede construirse también con direcciones de frotamiento paralelas a la linea definida por la barrera de pegamento que separa las dos formulaciones cristal liquido. Si el haz incidente llega polarizado lineal y con orientación perpendicular al eje del elemento compensador el resultado es equivalente al del caso inmediatamente anterior. En todo caso este elemento compensador ha de colocarse delante de la celda ADTN. También en general la invención contempla la implementación del elemento compensador acromático con la celda dividida en mitades 20b y 20b por una linea de adhesivo 23 y con composiciones diferentes en cada celda, en todas sus variaciones siempre que se cumpla la condición de que las dos composiciones sean quirales y que la diferencia de las hélices formadas sea siempre múltiplo impar de media hélice. Otra materialización del elemento compensador se muestra en la figura 7, y comprende dos celdas 24 y 25 donde cada celda consta de un vidrio 26 con poliimida frotada unidireccionalmente, pero en direcciones perpendiculares en ambas celdas, y de otro vidrio 27 con la poliimida estructurada en dos mitades: una está frotada unidireccionalmente a +45° y la otra a -45°, de modo que la linea que define la separación entre estas dos mitades es paralela o perpendicular a la dirección de orientación que impone el vidrio de entrada. Al llenarse las celdas con cristal liquido aquiral, el director se orienta de manera que gira + 45° en el espesor de la celda. Puesto que en ambas mitades el giro tiene diferente sentido, aparece una discontinuidad del director o disclinación 23b en la linea que delimita ambas mitades (eje del elemento) . Cuando la luz linealmente vertical polarizada (paralela al eje del elemento) llega a la celda primera (a la izquierda en la figura 7), en la que la poliimida está frotada unidireccionalmente y la de salida está frotada a ± 45°, la luz gira +45° en una mitad y -45° en la otra mitad (siempre en incidencia normal, según ejes ópticos y dentro del régimen de Mauguin) . En la segunda celda, en la que la poliimida del vidrio de entrada está frotada a + 45° y la del de salida unidireccionalmente, la luz pasa a luz polarizada horizontal no obstante ambas mitades están en contrafase. De nuevo los cristales líquidos empleados pueden ser no reactivos, no obstante el uso de materiales cristal liquido polimerizables da lugar a elementos ópticos más robustos mecánicamente y poco sensibles a cambios de temperatura y por ello a un dispositivo con un amplio rango de operación en temperatura.
Los elementos compensadores descritos se colocan antes de la celda ADTN haciendo coincidir la disclinación 23b de las celdas 24 y 25, con la disclinación de la celda ADTN de manera que la luz de entrada en cada mitad de la celda ADTN está desfasada medio periodo respecto a la de la otra mitad. La luz de salida tras la celda ADTN es radial (las dos mitades en fase) .
También propone la presente invención como realización preferente materializar el conversor de polarización integrando el elemento compensador acromático y la celda ADTN en un solo elemento, como se representa en la figura 8. Para ello se añade la linea delgada de adhesivo 23 en mitad de la celda 2 ADTN, en dirección paralela a la dirección de orientación unidireccional implementada en uno de sus vidrios, definiendo dos mitades 2a y 2b, en las que se meten por capilaridad dos formulaciones diferentes: una no quiral en una mitad y otra quiral en la otra mitad con una composición que cumple que el dopante quiral induce medio paso de hélice en el espesor de la celda. La configuración del director es tal que la luz linealmente polarizada incidente normal a la celda y con el campo eléctrico vibrando perpendicular al eje de la celda ADTN se convierte, a la salida de la celda, directamente en luz polarizada radial y en fase, funcionando también acromáticamente .
El conversor, dentro de todas las variantes propuestas, funciona para cualquier longitud de onda (dentro del régimen de Mauguin y zona de transparencia del sistema), por lo que es acromático.
Por su parte, los cristales liquidos empleados pueden ser no reactivos. No obstante el uso de materiales cristal liquido polimerizables da lugar a un elemento óptico robusto mecánicamente y poco sensible a cambios de temperatura y por ello a un dispositivo con un amplio rango de operación en temperatura
Es importante mencionar que para evitar la distorsión del frente de ondas es necesario emplear vidrios de alta calidad óptica, y que el espesor de la celda ha de ser uniforme en la apertura empleada. En cuanto a una de las maneras previstas para el dispositivo de focalización de la invención, que se representa en la figura 9, 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 se el haz se focaliza en la muestra 38 con un sistema focalizador 37 (e.g.: objetivo de microscopio) 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 características- descritas, puede aplicarse por ejemplo a sistemas fotolitográficos o microscopios .
También es posible con la invención conseguir haces 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 minima) en fibras metálicas huecas circulares
(circular hollow metallic waveguides). Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, asi 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 acromático 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, al menos, una celda pasiva de cristal liquido configurada por platos planoparalelos recubiertos por una capa de material orientador del cristal liquido en direcciones tales que, en cooperación con la formulación de los cristales líquidos, produce en ambas mitades del haz giros del director que se diferencian en media hélice en orden a prevenir el desfase de ambas mitades prescindiendo de la aplicación de campos externos .
2. -Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque en una variante preferente de la invención, el elemento compensador se constituye mediante una celda ADTN dividida en dos mitades por un elemento divisor interno paralelo a la dirección de orientación unidireccional de uno de los dos vidrios de la celda ADTN; estando rellena una de las mitades de un cristal liquido con formulación no quiral y la otra con otro cristal liquido de formulación quiral inductor de giro del director medio paso de hélice, quedando integrados el elemento compensador y la celda ADTN en un único elemento .
3.-Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento compensador se constituye mediante una celda cristal liquido planar dividida en dos mitades por un elemento divisor interno, y donde los materiales orientadores de ambos platos planoparalelos se han tratado para imponer al cristal liquido la misma dirección recta paralela o perpendicular a dicho elemento divisor; habiéndose llenado una de las mitades con un cristal liquido de formulación no quiral de manera que el director es paralelo a la dirección de frotamiento, y la otra mitad con un cristal liquido de formulación quiral que induce en el director el giro de medio paso de hélice en el espesor de la celda; colocando el elemento compensador a1 la entrada de la celda ADTN de manera que el elemento divisor interno coincida posicionalmente con la disclinación de ésta.
4.-Conversor según reivindicación 3 caracterizado porque alternativamente ambas mitades de la celda constitutiva del elemento compensador se llenan de un cristal liquido de formulación quiral cuyas diferencias en el número de hélices formadas sea un múltiplo impar de media hélice.
5.-Conversor según reivindicación 1 caracterizado porque el elemento compensador se constituye mediante la conjunción de dos celdas aplicadas a la entrada de la celda ADTN y estructuradas en mitades según la disclinación de dicha celda ADTN, y donde cada celda consta de dos vidrios, habiéndose tratado los materiales orientadores del vidrio de entrada de la primera celda y del de salida de la segunda de modo que impongan al cristal líquido direcciones rectas y perpendiculares entre sí; y habiéndose tratado los materiales orientadores del otro vidrio de cada celda de modo que impongan al - cristal líquido, según dos sectores o mitades, direcciones respectivamente a +45° y -45° con respecto a la dirección impuesta por el otro plato, siendo la línea de separación de dichos sectores o mitades paralela o perpendicular a la dirección de oirientación que impone el vidrio de entrada; teniendo el cristal líquido de ambas celdas del elemento compensador igual formulación aquiral.
6.-Conversor según reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque los cristales líquidos empleados son no polimerizables .
7.-Conversor según reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque los cristales líquidos empleados son polimerizables al objeto dar lugar tras el proceso de polimerización a una película sólida, robusta y estable térmicamente.
8. -Dispositivo según reivindicación 1 para un haz incidente linealmente polarizado y que cumple la condición de Mauguin caracterizado porque comprende el dispositivo conversor de la invención, a cuya salida se acopla un sistema de focalización.
9. -Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque opcionalmente, y antes del sistema de focalización se acopla una apertura anular.
10. -Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque opcionalmente incluye un filtro espacial a base de dos lentes y un diafragma dispuestos antes del conversor de polarización de la invención.
11. -Dispositivo según reivindicación 8 caracterizado porque el sistema de focalización consiste en el objetivo de un microscopio.
12. -Sistema fotolitográfico incluyendo el conversor de acuerdo con las reivindicaciones anteriores.
13. -Microscopio incluyendo el conversor de acuerdo con la reivindicaciones anteriores.
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