WO2009083631A1 - Procedimiento de obtención de redes de difracción de fase en un sustrato mediante ablación láser de un blanco - Google Patents

Procedimiento de obtención de redes de difracción de fase en un sustrato mediante ablación láser de un blanco Download PDF

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M. Teresa Flores Arias
Antonio Castelo Porta
Carlos GÓMEZ-REINO CARNOTA
German De La Fuente Leis
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    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation

Definitions

  • the present invention belongs to the field of the methods used for the manufacture of phase diffraction networks. More specifically, the present invention employs laser ablation of a target to create said phase diffraction network on a substrate.
  • phase diffraction networks At present there are different methods for manufacturing phase diffraction networks.
  • the documents E. G. Loewen and E. Popov, Diffraction Gratings and Applications (Marcel Dekker, New York, 1997) and C. Palmer, Diffraction Grating Handbook, 5th ed. describe the basics of phase diffraction networks and the main manufacturing methods.
  • Electron beam lithography disclosed in R. Waldhulal, B. Schnabel, P. Dannberg, E.-B.Kley, A. Baruer and W. Carthe, "Efficient coupling into polymer waveguides by gratings", Appl.Opt. 36, 9383-9390 (1997), can also be used for the same purpose.
  • K. Arshak, M. Mihov, A. Arshak, D. McDonagh and D. Sutton "Novel dry-developed focused ion beam lithography scheme for nanostructure applications", Microelectron. Eng.
  • the invention relates to a process for obtaining phase diffraction networks in a substrate by laser ablation of a target.
  • the pattern of the phase diffraction network is defined using computer means, such as, for example, a computer-aided design program such as CAD.
  • said method comprises the steps of first focusing a beam of a laser on a target in a work area for ablation of said target.
  • Said target may be formed by ceramic or metallic materials, such as brass or steel.
  • the ablation pen will cause white material to be incorporated into the substrate forming the phase diffraction network.
  • Said substrate should be transparent to the wavelength used by the laser, which may be a glass, preferably sodo-calcium or borosilicate glasses.
  • the procedure may be carried out in uncontrolled atmospheres, that is, in air, either in vacuum chambers or with a controlled atmosphere.
  • the substrate and the target must be in contact or be located at a distance not exceeding one millimeter, since the scope of the ablation pen does not exceed said distance.
  • the ablation pen is more intense and wider, so that the distance between substrate and white can be greater than the previously set limit of one millimeter.
  • the laser is located in a fixed position, so in order to perform the pattern defined by the computer means, said means must transfer to the orientation team the movement that the beam must make to draw the phase diffraction network pattern on the White. This can be done, for example, by using a set of galvanometers or mirrors that will deflect the beam making it impact on the substrate according to the defined pattern.
  • the laser at the time it is emitted has a homogeneous power distribution in any section perpendicular to said beam.
  • the configuration in the blank space and the substrate, in relation to the laser beam can be, for example, vertical.
  • the three elements may be arranged so that the target is located below the substrate, and in turn, the substrate below the laser beam.
  • This configuration is optimal since gravity will not adversely affect the ablation pen.
  • situations in which the three elements have a horizontal arrangement are also admissible.
  • the described procedure has the following advantages over the prior art procedures. First, it is a single stage process. Once the pattern is defined, the phase diffraction network can be performed without the need to carry out any additional tasks before or after the one described. Similarly, the presence of external elements such as masks or resins is not necessary. This minimizes technique errors.
  • the experimental setup is simple and accurate and the manufacturing process very fast.
  • Figure 1. Shows a general view of a device that carries out the process of the invention.
  • Figure 2. Shows a detailed view of the target and the substrate together with the flat-field lens that homogenizes the laser energy.
  • Figure 1 schematically shows the elements that carry out the process of the invention, not only the computer means in which the patterns of phase diffraction networks are defined are represented. In them, and with a tool such as CAD, you define the different patterns that must be performed.
  • the procedure is based on the laser ablation of a target (1).
  • Figure 1 shows said laser (4) that emits a beam (3) with a certain diameter, repetition frequency, pulse width and power density.
  • Said laser (4) is fixed, so that to record the phase diffraction network on the substrate (2) a set of galvanometers (5) is used. Said galvanometers (5) are moved or controlled by the computer means, so that in their movement they will move the beam (3) of the laser (4) to create the pattern defined in the substrate (2).
  • the speed of the galvanometers (5), together with the aforementioned parameters for the laser (4) in diameter, repetition frequency, pulse width and density of power are the working conditions that must be defined to carry out the phase diffraction network on a substrate (2). These working conditions will be different for each substrate pair (2) -white (1). Since the beam (3) of the laser (4) is manipulated, it may be the case that the power density of the beam (3) is not uniform. Given the requirement of such uniformity, a flat-field lens (6) is used after the galvanometer set (5) to homogenize the beam (3), guaranteeing a homogeneous power density on the surface of the target (1) where the do (3). Said power density must be capable of causing the ablation of the target (1) without negatively affecting the substrate (2).
  • the substrate (2) used in the present invention can be commercial glass. This substrate (2) must be transparent to the wavelength at which the laser emits
  • the target (1) in this case will be a metal, for example brass or steel.
  • ions of the target (1) happen to be incorporated to the substrate (2), glass in this case. These ions will modify the composition of the desired areas of the substrate (2), and consequently their refractive index in said zones, forming the phase diffraction network.
  • the blank (1) and the substrate (2) must be placed close to each other, never exceeding a distance of one millimeter. In the present embodiment, the substrate (2) and the blank (1) are in contact. If the process is carried out in a vacuum or controlled atmosphere chamber, the substrate (2) and the blank (1) may be a distance greater than the limit set. previous one millimeter.
  • the substrate (2) After the phase diffraction network has been recorded, the substrate (2) must be cleaned in order to eliminate any remaining ablation deposited on its surface.

Abstract

La invención se refiere a un procedimiento de obtención de redes de difracción de fase en un sustrato (2) mediante ablación láser de un blanco (1), siendo definido un patrón de red de difracción de fase mediante medios informáticos. El procedimiento propuesto consta de las etapas de focalizar un haz (3) de un láser (4) en un blanco (1) en un área de trabajo para la ablación de dicho blanco (1), orientar mediante un conjunto de galvanómetros (5) el haz (3) para realizar el patrón de red de difracción de fase sobre el blanco (1), homogeneizar el haz (3) con la ayuda de una lente de campo plano (6) para lograr una densidad de potencia homogénea en el área de trabajo. Con este procedimiento, la red de difracción de fase se puede realizar en una única fase, sin la presencia de elementos externos, siendo un procedimiento no contaminante, sencillo, rápido y preciso.

Description

PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE REDES DE DIFRACCIÓN DE FASE EN
UN SUSTRATO MEDIANTE ABLACIÓN LÁSER DE UN BLANCO
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención pertenece al campo de los métodos empleados para la fabricación de redes de difracción de fase. Más concretamente, la presente invención emplea la ablación láser de un blanco para crear dicha red de difracción de fase sobre un sustrato.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad existen diferentes métodos para la fabricación de redes de difracción de fase. En términos generales, los documentos E. G. Loewen and E. Popov, Diffraction Gratings and Applications (Marcel Dekker, New York, 1997) y C. Palmer, Diffraction Grating Handbook, 5th ed. describen los conceptos básicos de las redes de difracción de fase y los principales métodos de fabricación.
Uno de estos métodos es la holografía. Dicha técnica está descrita en T. J. Suleski, B. Bagget, W. F. Delaney, C.
Koehler and E. G. Johnson, "Fabrication of high-spatial- frequency gratings through computer-generated near-field holography", Opt . Lett . 24, 602-604 (1999). Esta técnica presenta una serie de desventajas, entre las que se pueden citar el hecho de que se necesita una configuración altamente estable para la realización con éxito del proceso como mesas sin vibración, estabilidad del láser, material de registro de buena calidad. Por otro lado, es un método poco flexible a la hora de grabar distintos tipos de redes ya que hay que cambiar toda la configuración experimental para grabar una red de otras características. La técnica de la fotolitografía puede también ser empleada para la elaboración de redes de difracción de fase. Dicha técnica se describe en M. Kufner and S. Kufner, "Micro-Optics and Lithography", VUB Press, ed. (Brussels, Belgium, 1997) . Esta técnica se caracteriza porque es un proceso de múltiples etapas, lo que aumenta el tiempo de fabricación. Adicionalmente es necesario utilizar máscaras, resinas, productos químicos, etc. para la obtención del producto final, lo que encarece el proceso. Además, los errores de fabricación de la máscara afectan la calidad del producto final. Asimismo, las máscaras utilizadas se suelen ver dañadas después del contacto con la resina.
La litografía por haz de electrones, divulgada en R.Waldháusl, B.Schnabel, P.Dannberg, E.-B.Kley, A.Bráuer and W.Karthe, "Efficient coupling into polymer waveguides by gratings", Appl.Opt. 36, 9383-9390 (1997), puede ser empleada también con el mismo fin. Sin embargo, como se dice en K. Arshak, M. Mihov, A. Arshak, D. McDonagh and D. Sutton, "Novel dry-developed focused ion beam lithography scheme for nanostructure applications", Microelectron . Eng. 73-74, 144-151 (2004), presenta algunos problemas como baja sensibilidad de la resina a los electrones, retrodispersión del haz de electrones, efectos de proximidad, errores de stitching (punteado) , así como un área pequeña de trabajo, de unos pocos milímetros, Immx2mm.
Por último, la irradiación láser de vidrios fotosensibles, descrita en K. O. HiIl, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson and J. Albert, "Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask", Appl . Phys . Lett . 62, 1035-1037 (1993), se emplea también para la elaboración de redes de difracción de fase. Esta técnica necesita vidrios de composición especial, lo cual encarece sensiblemente el producto final. Requiere también la presencia de una máscara de fase para transferir el patrón al sustrato. Puede, finalmente, involucrar complejos procesos de deposición de capas o intercambio iónico, si se utilizan sustratos sin composición especial, de modo que el sustrato se vuelva sensible a la luz.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere a un procedimiento de obtención de redes de difracción de fase en un sustrato mediante ablación láser de un blanco. El patrón de la red de difracción de fase se define usando medios informáticos, como puede ser, por ejemplo, un programa de diseño asistido por ordenador como CAD. De acuerdo con la invención, dicho procedimiento comprende las etapas de, en primer lugar, focalizar un haz de un láser en un blanco en un área de trabajo para la ablación de dicho blanco. Dicho blanco podrá estar formado por materiales cerámicos o metálicos, como por ejemplo el latón o el acero. Al producirse la ablación, la pluma de ablación hará que se incorpore material del blanco al sustrato formando la red de difracción de fase. Dicho sustrato deberá ser transparente a la longitud de onda empleada por el láser, pudiendo ser un vidrio, preferentemente vidrios sodo-cálcicos o borosilicatados .
El procedimiento podrá llevarse a cabo en atmósferas no controladas, es decir, en aire, o bien en cámaras de vacio o con una atmósfera controlada. En el primer caso el sustrato y el blanco deberán estar en contacto o situarse a una distancia no superior a un milímetro, dado que el alcance de la pluma de ablación no supera dicha distancia. En el caso -A- de cámaras de vacío o con atmósfera controlada, la pluma de ablación es más intensa y de mayor alcance, por lo que la distancia entre sustrato y blanco puede ser mayor al límite fijado anteriormente de un milímetro. El láser está situado en una posición fija, por lo que para realizar el patrón definido por los medios informáticos, dichos medios deberán transferir a un equipo de orientación el movimiento que deberá realizar el haz para dibujar el patrón de red de difracción de fase sobre el blanco. Esto se podrá realizar, por ejemplo, empleando un juego de galvanómetros o espejos que desviarán el haz haciéndolo incidir sobre el sustrato según el patrón definido .
El láser en el momento que es emitido tiene una distribución de potencia homogénea en cualquier sección perpendicular a dicho haz. Al ser orientado, puede suceder que la distribución de potencia se vea afectada, lo cual no es deseable. Por este motivo, será necesario homogeneizar el haz para lograr una densidad de potencia homogénea en el área de trabajo. Esto podrá ser realizado, por ejemplo, empleando una lente de campo plano tras el juego de galvanómetros o espejos.
La configuración en el espacio del blanco y el sustrato, con relación al haz láser puede ser, por ejemplo, vertical. En este caso, se podrán disponer los tres elementos de modo que el blanco esté situado por debajo del sustrato, y a su vez, el sustrato por debajo del haz del láser. Esta configuración es óptima dado que de este modo la gravedad no afectará negativamente sobre la pluma de ablación. Sin embargo, situaciones en las cuales los tres elementos tengan una disposición horizontal son también admisibles . El procedimiento descrito tiene las siguientes ventajas respecto a los procedimientos del estado de la técnica. En primer lugar, es un proceso de una sola etapa. Una vez que el patrón está definido, la red de difracción de fase puede ser realizada sin necesidad de llevar a cabo ninguna tarea adicional anterior o posterior a la descrita. Del mismo modo, no hace falta la presencia de elementos externos como máscaras o resinas. Esto minimiza los errores de la técnica. La configuración experimental es sencilla y precisa y el proceso de fabricación muy rápido. Adicionalmente, es posible obtener redes de difracción de diferentes características de forma sencilla, reajustando los parámetros de trabajo, y con un área de trabajo de hasta 120x120 mi2. Frente a otros métodos, en este caso se desplaza el haz y no la muestra. Por último, se utilizan vidrios comerciales de bajo coste, por lo que se obtienen un producto de buena calidad y barato. La calidad de estas redes de difracción de fase es sensiblemente superior a otras redes obtenidas por procedimientos del estado de la técnica ya que estos métodos posibilitan una variación del índice de refracción del sustrato del orden de 10~4, mientras que el procedimiento descrito en la presente invención obtiene variaciones en dicho parámetro del orden de 10~2.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1.- Muestra una vista general de un dispositivo que lleva a cabo el procedimiento de la invención.
Figura 2.- Muestra una vista de detalle del blanco y el sustrato junto con la lente de campo plano que homogeneiza la energía del láser.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación, con referencia a las figuras, se describe un modo de realización preferente del procedimiento de obtención de redes de difracción de fase en un sustrato
(2) mediante ablación láser de un blanco (1) que constituye el objeto de esta invención.
La figura 1 muestra esquemáticamente los elementos que llevan a cabo el procedimiento de la invención, no estando representados únicamente los medios informáticos en los que se definen los patrones de redes de difracción de fase. En ellos, y con una herramienta como por ejemplo CAD, se definen los distintos patrones que deben realizarse.
El procedimiento se basa en la ablación láser de un blanco (1) . En la figura 1 está representado dicho láser (4) que emite un haz (3) con un determinado diámetro, frecuencia de repetición, anchura de pulso y densidad de potencia.
Dicho láser (4) está situado fijo, por lo que para grabar la red de difracción de fase sobre el sustrato (2) se emplea un juego de galvanómetros (5). Dichos galvanómetros (5) son movidos o controlados por los medios informáticos, de tal modo que en su movimiento irán desplazando el haz (3) del láser (4) para crear el patrón definido en el sustrato (2) .
La velocidad de los galvanómetros (5), junto con los parámetros antes mencionados para el láser (4) de diámetro, frecuencia de repetición, anchura de pulso y densidad de potencia son las condiciones de trabajo que se deben definir para llevar a cabo la red de difracción de fase sobre un sustrato (2). Dichas condiciones de trabajo serán diferentes para cada par sustrato (2) -blanco (1). Al ser el haz (3) del láser (4) manipulado, puede darse la circunstancia de que la densidad de potencia del haz (3) no sea uniforme. Dada la exigencia de dicha uniformidad, se emplea una lente de campo plano (6) tras el juego de galvanómetros (5) para homogeneizar el haz (3), garantizando una densidad de potencia homogénea en la superficie del blanco (1) donde actuará el haz (3) . Dicha densidad de potencia ha de ser capaz de provocar la ablación del blanco (1) sin afectar negativamente sobre el sustrato (2).
El sustrato (2) empleado en la presente invención puede ser vidrio comercial. Este sustrato (2) deberá ser transparente a la longitud de onda en la cual emite el láser
(4), dado que el haz (3) atravesará el sustrato (2) para después producir la ablación sobre el blanco (1) .
El blanco (1) en este caso será un metal, por ejemplo latón o acero. Mediante la ablación se provoca que, a través de la pluma de ablación, iones del blanco (1) pasen a incorporarse al sustrato (2), vidrio en este caso. Estos iones modificarán la composición de las zonas deseadas del sustrato (2), y en consecuencia su índice de refracción en dichas zonas, formándose la red de difracción de fase. Para que esta transferencia de iones se produzca, el blanco (1) y el sustrato (2) han de situarse próximos entre sí, nunca superando una distancia de un milímetro. En la presente realización, el sustrato (2) y el blanco (1) están en contacto. Si el proceso se realizara en cámara de vacío o de atmósfera controlada, el sustrato (2) y el blanco (1) podrán estar alejados una distancia superior al límite fijado anterior de un milímetro. Tras haber grabado la red de difracción de fase deberá procederse a una limpieza del sustrato (2) con el fin de eliminar cualquier resto de la ablación depositado sobre su superficie. A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según una realización preferente de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dicha realización preferente, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1.- Procedimiento de obtención de redes de difracción de fase en un sustrato (2) mediante ablación láser de un blanco (1), siendo definido un patrón de red de difracción de fase mediante medios informáticos, caracterizado por que comprende las etapas de:
— focalizar un haz (3) de un láser (4) en un blanco (1) en un área de trabajo para la ablación de dicho blanco (1),
— orientar el haz (3) para dibujar el patrón de red de difracción de fase sobre el sustrato (2),
— homogeneizar el haz (3) para lograr una densidad de potencia homogénea en el área de trabajo.
2.- Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que en la etapa de orientar el haz (3) se emplea al menos un galvanómetro (5) .
3.- Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que en etapa de orientar el haz (3) se emplea al menos un espejo.
4.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por que en la etapa de homogeneizar el haz (3) se emplea una lente de campo plano (6) .
5.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que el haz (3) del láser (4) incide sobre el sustrato (2) en dirección vertical .
6.- Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que el blanco (1) se sitúa por debajo del sustrato (2) y el sustrato (2) por debajo del haz (3) del láser (4) .
7. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado por que el haz (3) del láser (4) incide sobre sustrato (2) en dirección horizontal.
8.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que dicho procedimiento se realiza en aire.
9.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que dicho procedimiento se realiza en el interior de una cámara de vacio .
10.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado por que dicho procedimiento se realiza en el interior de una cámara con una atmósfera controlada.
11.- Procedimiento según la reivindicación caracterizado por que el sustrato (2) y el blanco (1) se sitúan en contacto.
12.- Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado por que el sustrato (2) y el blanco (1) están alejados una distancia inferior a un milímetro.
13-. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 9-10, caracterizado porque el sustrato (2) y el blanco (1) están alejados una distancia superior a un milímetro e inferior al alcance de la pluma.
14.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-13, caracterizado por que el sustrato (2) es un vidrio transparente a la longitud de onda del láser (4) .
15.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, caracterizado por que el blanco (1) se selecciona entre materiales cerámicos y materiales metálicos .
16.- Procedimiento según la reivindicación 15, caracterizado por que los materiales metálicos se seleccionan entre latón y acero.
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