WO2022233692A1 - Transmission waveplate - Google Patents

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WO2022233692A1
WO2022233692A1 PCT/EP2022/061301 EP2022061301W WO2022233692A1 WO 2022233692 A1 WO2022233692 A1 WO 2022233692A1 EP 2022061301 W EP2022061301 W EP 2022061301W WO 2022233692 A1 WO2022233692 A1 WO 2022233692A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
patterns
electromagnetic radiation
wave plate
substrate
denoted
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/061301
Other languages
French (fr)
Inventor
Jérôme NEAUPORT
Nicolas Bonod
Pierre Brianceau
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite D'aix Marseille
Ecole Centrale De Marseille
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/30Polarising elements
    • G02B5/3083Birefringent or phase retarding elements
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1809Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B2005/1804Transmission gratings

Definitions

  • the invention relates to the technical field of waveplates, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength between 200 nm and 900 nm.
  • the invention finds application in particular in the field of power lasers.
  • a substrate transparent to electromagnetic radiation, and comprising first and second opposite surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence;
  • - patterns made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, strictly greater than 1.6 at the dominant wavelength, the patterns forming a diffraction grating in transmission at the first surface of the substrate, the patterns extending along a first longitudinal direction; the patterns being periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p ⁇ 1; the patterns having a height, denoted h, along the normal to the first surface; the height of the patterns being adjusted according to the spatial period of the patterns so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation to modify the state of polarization.
  • a so-called quarter-wave plate introducing a phase shift of p/2, makes it possible to transform a state of linear polarization into a state of circular polarization.
  • the patterns make it possible to induce anisotropy.
  • the transmission diffraction grating makes it possible to phase-shift two orthogonal components of a polarization state.
  • the first longitudinal direction (between patterns) is the fast axis, while the second longitudinal direction is the slow axis.
  • the dielectric material of the patterns is chosen in the state of the art to present a high optical contrast (n>1.6; preferentially n>2; more preferentially n>3) with the surrounding medium.
  • the surrounding environment is typically ambient air, or a medium under air vacuum, with a refractive index close to 1.
  • the phase shift results from an electromagnetic interaction between the incident electromagnetic radiation and the diffraction grating in transmission, and depends on the optical contrast and the geometry of the periodic patterns.
  • Such a wave plate of the state of the art is not entirely satisfactory insofar as the choice of the pattern material is restricted to dielectric materials having a high refractive index (n > 1.6). However, these materials generally have a very low damage threshold to withstand high power laser radiation (i.e. peak power greater than 100 mW), for example pulsed lasers.
  • the subject of the invention is a wave plate, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 900 nm; the wave plate comprising:
  • a substrate transparent to electromagnetic radiation, and comprising first and second opposite surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence; the second surface being planar;
  • - patterns made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns forming a diffraction grating in transmission at the first surface of the substrate, the patterns extending along a first longitudinal direction; the patterns being periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p ⁇ 1; the patterns having a height, denoted h, following the normal to the first surface verifying h>3 p; the height of the patterns being adjusted as a function of the spatial period of the patterns so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation to modify the state of polarization.
  • An object of the invention is a wave plate, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 400 nm; the wave plate comprising:
  • a substrate transparent to electromagnetic radiation, and comprising first and second opposite surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence; the second surface being planar;
  • - patterns made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns forming a diffraction grating in transmission at the first surface of the substrate, the patterns extending along a first longitudinal direction; the patterns being periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p ⁇ 1; the patterns having a height, denoted h, following the normal to the first surface verifying h>3 p; the height of the patterns being adjusted according to the spatial period of the patterns and verifies respectively 6 p £ h £ 12 p or 3 p £ h £ 6 p so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/ 2 to electromagnetic radiation to change the state of polarization.
  • substrate is meant a self-supporting physical medium.
  • transparent substrate we mean that the substrate has a transmission coefficient in intensity (or transmittance), averaged for the 2 polarizations TE (Transverse Electric) and TM (Transverse Magnetic), greater than 80%, preferably greater than 85 %, more preferably greater than 90%, even more preferably greater than 95% for the dominant wavelength of the electromagnetic radiation.
  • TE Transverse Electric
  • TM Transverse Magnetic
  • transparent dielectric material it is meant that the transmission diffraction grating, formed by the patterns produced in the dielectric material, has an intensity transmission coefficient (or transmittance) of the zero diffraction order (called specular order ), averaged for the 2 TE and TM polarizations, greater than 80%, preferably greater than 85%, more preferably greater than 90%, even more preferably greater than 95%, for the dominant wavelength of the electromagnetic radiation.
  • specular order intensity transmission coefficient of the zero diffraction order
  • such a wave plate according to the invention allows a high damage threshold to resist high power laser radiation (peak power greater than 100 mW), thanks to the dielectric material of the patterns which has a lower refractive index or equal to 1.6.
  • the inventors have found, surprisingly, that it is possible to carry out a correct etching of the patterns so as to obtain a high h/p ratio (33) according to techniques compatible with CMOS technology ("Complementary Metal Oxide S emiconductor in English).
  • the height of the patterns is adjusted according to the spatial period of the patterns and check:
  • the wave plate according to the invention may comprise one or more of the following characteristics.
  • the height of the patterns verifies:
  • the height of the patterns verifies:
  • the “8p£h£10p” relationship improves the manufacturing error tolerance of the waveplate, as well as achieving better electric field distribution for laser damage performance.
  • the spatial period of the patterns verifies p £ l/h.
  • an advantage obtained is to avoid the dispersion of the energy of the electromagnetic radiation in several orders of diffraction.
  • Such a spatial period makes it possible to structure the first surface of the substrate (when the substrate and the patterns are in one piece) without inducing the propagation of new diffraction orders.
  • the phase shift brought to the zero order of diffraction in transmission is then associated with high energy efficiency.
  • such a spatial period of the patterns achieves high transmission efficiency in the specular order for the waveplate, so as to obtain a high transmission waveplate.
  • the patterns have a width at mid-height, denoted c, in the second longitudinal direction verifying:
  • an advantage obtained is to authorize etching of the patterns according to techniques compatible with CMOS technology.
  • the patterns have a trapezoidal profile following the normal to the first surface.
  • trapezoidal profile is understood within the usual tolerances linked to the experimental conditions of the manufacture of the patterns, and not perfectly in the mathematical sense of the term “trapezoidal”. According to one characteristic of the invention, the trapezoidal profile of the patterns forms an isosceles trapezium having:
  • the large base and the side edges preferably form an angle greater than or equal to 87° and less than or equal to 90°.
  • the isosceles trapezoid is a rectangle and the patterns are lamellar in shape.
  • the substrate and the patterns are made of a material chosen from among a glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 .
  • such materials have a refractive index lower than 1.6 and are transparent in the spectral range [200 nm, 900 nm].
  • an advantage provided by Si0 2 is its high transparency in the spectral range [200 nm, 900 nm] and its extremely low optical losses in this spectral range.
  • Si0 2 has a very high damage threshold to withstand high peak power laser radiation (>100 mW).
  • the glass can be B 2 C>3, CaO, etc.
  • the electromagnetic radiation is laser radiation having a peak power greater than 100 mW
  • the substrate and the patterns are made of a material which has a damage threshold suitable for resisting laser radiation.
  • the dominant wavelength is chosen from:
  • a first spectral range comprised between 200 nm and 400 nm, preferably comprised between 315 nm and 400 nm;
  • a second spectral range comprised between 400 nm and 900 nm, preferably comprised between 400 nm and 800 nm.
  • the dominant wavelength is between 315 nm and 400 nm, and the spatial period of the patterns is greater than or equal to 200 nm.
  • the patterns have an entirely free surface.
  • the transmission diffraction grating formed by the patterns is the only diffraction grating of the waveplate.
  • the waveplate has a single diffraction grating.
  • the invention also relates to an optical device, comprising:
  • a laser source suitable for emitting electromagnetic radiation, of the laser type, having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 900 nm;
  • the first and second surfaces being arranged so as to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence.
  • the invention finally relates to a method for manufacturing a wave plate, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 900nm; the method comprising the steps: a) providing a substrate, transparent to electromagnetic radiation, and having first and second opposite flat surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence; b) forming a transmission diffraction grating on the first surface of the substrate, the transmission diffraction grating comprising patterns:
  • n a refractive index
  • the height of the patterns being adjusted according to the spatial period of the patterns so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to electromagnetic radiation to modify the state of polarization.
  • step b) comprises the steps: bi) forming a hard mask on the first surface of the substrate; b2) forming a photoresist on the hard mask; bs) patterning the photoresist by electron beam lithography; b4) etching the hard mask and the first surface of the substrate through the structured photoresist so as to structure the first surface of the substrate and form the transmission diffraction grating; bs) remove photoresist and hard mask.
  • an advantage obtained is to use engraving techniques compatible with CMOS technology.
  • the substrate and the transmission diffraction grating are in one piece.
  • the hard mask formed during the bi) state improves the control of the etching in order to obtain a quality etching with high h/p ratios (33).
  • step bi) is preceded by a step bo) consisting in opacifying the substrate by forming, on the second surface of the substrate, at least one opaque layer.
  • an advantage provided by the opaque layer is to allow the detection of the substrate by microelectronic equipment (e.g. entrance sensor and exit sensor of the etching chamber, detector of the alignment notch (“notch align”) in English language) of the substrate).
  • the opaque layer can make it possible to separate the substrate from an electrostatic holding plate (“electrostatic chuck” in English).
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a wave plate according to the invention.
  • the inset is an enlarged scale view of two consecutive designs. The cut is made along the normal to the first surface (and to the second surface) of the substrate.
  • Figure 2 is a schematic perspective view of a wave plate according to the invention.
  • the substrate and the transmission diffraction grating are in one piece.
  • Figure 3 includes schematic sectional views, illustrating a manufacturing method according to the invention. The cuts are made along the normal to the first surface (and to the second surface) of the substrate. It should be noted that the drawings described above are schematic, and are not to scale for the sake of readability and to simplify their understanding.
  • An object of the invention is a wave plate 1, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation E (illustrated in FIG. 2) having a dominant wavelength, denoted l, comprised between 200nm and 900nm; the wave plate 1 comprising:
  • a substrate 2 transparent to electromagnetic radiation E, and comprising first and second surfaces 20, 21 opposite each other, intended to be traversed successively by electromagnetic radiation E, preferably at normal incidence; the second surface 21 being planar;
  • the patterns 200 made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation E, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns 200 forming a diffraction grating in transmission to the first surface 20 of the substrate 2, the patterns 200 extending along a first longitudinal direction X; the patterns 200 being periodically spaced along a second longitudinal direction Y, perpendicular to the first longitudinal direction X, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p ⁇ 1; the patterns 200 having a height, denoted h, along the normal Z to the first surface 20 verifying h>3 p; the height of the patterns 200 being adjusted as a function of the spatial period of the patterns 200 so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization.
  • Waveplate 1 is shown in Figures 1 and 2.
  • the electromagnetic radiation E may be laser radiation having a peak power greater than 100 mW.
  • the electromagnetic radiation E is intended to propagate along a direction D (illustrated in FIG. 2) corresponding to normal incidence, or close to normal incidence ( ⁇ 10° relative to the normal Z to the first surface 20 of the substrate 2).
  • the material of the substrate 2 is advantageously a dielectric material.
  • the material of the substrate 2 is advantageously chosen from among a glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 .
  • the material of the substrate 2 advantageously has a damage threshold (LIDT for “Laser Induced Damage Threshold” in English) suitable for resisting laser radiation having a peak power greater than 100 mW.
  • LIDT Laser Induced Damage Threshold
  • Laser damage threshold test methods are defined in ISO 21254-1:2011 and ISO 21254-2:2011.
  • the material of the substrate 2 advantageously has a LIDT of between 10 J/cm 2 and 15 J/cm 2 , in particular at the dominant wavelength of 351 nm for laser pulses with a duration of 3 ns.
  • the substrate 2 may be a wafer, which may have a diameter of 200 mm.
  • Substrate 2 may have a thickness of the order of 725 ⁇ m.
  • the dielectric material, in which the patterns 200 are made, is advantageously chosen from among a glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 .
  • the dielectric material advantageously has a damage threshold (LIDT for “Laser Induced Damage Threshold” in English) suitable for resisting laser radiation having a peak power greater than 100 mW.
  • Laser damage threshold test methods are defined in ISO 21254-1:2011 and ISO 21254-2:2011.
  • the dielectric material advantageously has a LIDT of between 10 J/cm 2 and 15 J/cm 2 , in particular at the dominant wavelength of 351 nm for laser pulses with a duration of 3 ns.
  • the patterns 200, forming the transmission diffraction grating, and the substrate 2 are advantageously made in one piece. Patterns 200 and substrate 2 are then made from the same dielectric material, preferably silica.
  • the first surface 20 of the substrate 2 is structured and comprises the patterns 200 forming the transmission diffraction grating.
  • structured surface it is meant that the first surface 20 of the substrate 2 is non-flat (break in flatness), and delimits a set of patterns 200 (reliefs). Patterns 200, forming the transmission diffraction grating, and substrate 2 may not be in one piece.
  • the dielectric material of the patterns 200 may belong to a dielectric layer which is formed on the substrate 2. The dielectric layer is etched to obtain the patterns 200 forming the transmission diffraction grating.
  • the substrate 2 can be made of glass, and the dielectric layer can be made of silica.
  • the height of the patterns 200 verifies:
  • the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p/2 to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization.
  • the inventors found that it was both possible to introduce a phase shift of p/2 and to obtain a transparency of the patterns 200 of the substrate 2, defined by the intensity transmission coefficient (or transmittance) of the order diffraction zero, averaged for the 2 TE and TM polarizations, which was greater than 90% when the material of the patterns 200 is made of silica, in particular when the dominant wavelength is between 315 nm and 400 nm, for example 351 nm.
  • the height of the patterns 200 verifies:
  • the laser damage performance of an optical component can be related to the variation of the electric field.
  • TE bias areas of high electric field intensity are distributed within 200 patterns, and the peak electric field intensity is 10% lower at 3£h/p£6 ratios compared to h/p > 6 in the case of a quarter wave plate.
  • the zones of high intensity of the electric field are located at the base of the patterns 200 for h/p ratios > 6 in the case of a quarter-wave plate, which is unfavorable for the performance of laser damage.
  • the spatial period of the patterns 200 advantageously verifies p £ l/h.
  • the spatial period of the patterns 200 is advantageously greater than or equal to 200 nm.
  • the patterns 200 advantageously have a width at mid-height, denoted c, along the second longitudinal direction Y verifying:
  • the patterns 200 may have a trapezoidal profile along the normal Z to the first surface 20.
  • the trapezoidal profile of the patterns 200 may form an isosceles trapezoid having:
  • the patterns 200 advantageously have an entirely free surface, that is to say that no element is formed on the surface of the patterns 200.
  • the surface of the patterns 200 is devoid of additional patterns.
  • the transmission diffraction grating formed by the patterns 200 advantageously constitutes the single diffraction grating of the wave plate 1.
  • the wave plate 1 advantageously comprises a single and unique diffraction grating.
  • An object of the invention is an optical device, comprising:
  • a laser source (not shown), suitable for emitting electromagnetic radiation E, of the laser type, having a dominant wavelength, denoted l, of between 200 nm and 900 nm;
  • the first and second surfaces 20, 21 being arranged so as to be traversed successively by the electromagnetic radiation E, preferably at normal incidence.
  • the laser source can be continuous or pulsed.
  • the laser source may comprise a laser such as a continuous laser or a pulsed laser (e.g. nanosecond laser) whose power may be high.
  • the laser source may comprise high-power laser chains, such as the Megajoule Laser chains or the laser chains entitled “National Ignition Fadlity”.
  • the medium M surrounding the laser source and the wave plate 1 is preferably ambient air, or a medium M under vacuum. Manufacturing process
  • an object of the invention is a method of manufacturing a wave plate 1, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation E having a dominant wavelength , denoted l, between 200 nm and 900 nm; the method comprising the steps: a) providing a substrate 2, transparent to the electromagnetic radiation E, and having first and second opposite flat surfaces 20, 21, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation E, preferably at normal incidence; b) forming a transmission diffraction grating on the first surface 20 of the substrate 2, the transmission diffraction grating comprising patterns 200:
  • n a refractive index
  • the height of the patterns 200 being adjusted according to the spatial period of the patterns 200 so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization.
  • Step b) advantageously comprises the steps: bi) forming a hard mask 3 on the first surface 20 of the substrate 2; bz) forming a photoresist 4 on the hard mask 3; bs) structuring photoresist 4 by electron beam lithography; b ⁇ etching the hard mask 3 and the first surface 20 of the substrate 2 through the structured photoresist 4 so as to structure the first surface 20 of the substrate 2 and form the transmission diffraction grating.
  • the hard mask 3 formed during step bi) is advantageously made of titanium.
  • the titanium hard mask 3 advantageously has a thickness of between 40 nm and 60 nm.
  • the Titanium Hard Mask 3 formed during step bi) makes it possible to evacuate the electrons present on the first surface 20 of the substrate 2.
  • the hard titanium mask 3 formed during state bi) makes it possible to improve the control of the etching of the silica in order to obtain a quality etching with high h/p ratios (33), in particular for dominant wavelengths of the incident electromagnetic radiation E between 315 nm and 400 nm, which made it possible to overcome the prejudice of the state of the art.
  • the photosensitive resin 4 (eg NEB22TM marketed by the company Sumitomo) formed during step b 2) advantageously has a thickness of between 300 nm and 400 nm.
  • the minimum spatial period of the patterns 200 is a critical dimension, denoted DC, linked to the experimental conditions of step bs), that is to say the structuring of the photoresist, and is in particular linked to the optical resolution of electron beam lithography: Where :
  • - ki is a factor linking the Rayleigh criterion with the actual behavior of a given manufacturing process (aimed at printing the smallest possible patterns);
  • - NA is the numerical aperture of the focusing system used for electron beam lithography.
  • step bi) can comprise the steps: b4o) etching the hard mask 3 in titanium by plasma etching, for example an inductively coupled plasma; b «) etching the first surface 20 of the substrate 2 in silica by plasma etching, for example a capacitively coupled plasma.
  • the inductively coupled plasma executed during step b ⁇ ) can comprise as reactive gases BCI3 (to etch a possible superficial titanium oxide) and Cb/HBr to etch the hard titanium mask 3 with good selectivity (approximately 3) against S1O2 and photosensitive resin 4 (of the NEB22TM type).
  • the capacitively coupled plasma executed during step b 41) can comprise C4F8 as reactive gas to etch the silica with good selectivity (approximately 5) with respect to the photosensitive resin 4 (of the NEB22TM type).
  • Step bi) is advantageously preceded by a step bo) consisting in opacifying the substrate 2 by forming, on the second surface 21 of the substrate 2, at least one opaque layer 5.
  • an advantage procured by the opaque layer 5 is to authorize the detection of the substrate 2 by microelectronic equipment (eg entry sensor and exit sensor of the etching chamber, detector of the alignment notch (“notch align” in English language) of the substrate).
  • Opaque layer 5 is opaque to the electromagnetic radiation used by microelectronic equipment for detecting substrate 2.
  • step bo) may consist in successively forming a layer 6 of titanium (Ti) and a layer 5 of silicon nitride (SiN) on the second surface 21 of the substrate 2.
  • Layer 5 of silicon nitride formed during step bo) makes it possible to opacify substrate 2.
  • Layer 6 of titanium formed during step bo) makes it possible to separate substrate 2 from a holding plate electrostatic (not shown).
  • the titanium layer 6 formed during step bo) advantageously has a thickness of between 80 nm and 120 nm.
  • the silicon nitride layer 5 formed during step bo) advantageously has a thickness of between 450 nm and 550 nm.
  • the method includes steps bs) of cleaning the surfaces, in order to remove the photosensitive resin 4, the hard mask 3, and the opaque layers 5, for example using plasma treatments.
  • the invention is not limited to the disclosed embodiments. The person skilled in the art is able to consider their technically effective combinations, and to substitute them with equivalents.

Abstract

Waveplate (1), operating in transmission, for modifying a polarization state of electromagnetic radiation possessing a dominant wavelength, denoted λ, comprised between 200 nm and 400 nm; the waveplate (1) comprising: - a substrate (2) that is transparent to the electromagnetic radiation and that comprises first and second opposite surfaces (20, 21) that are intended to be successively passed through by the electromagnetic radiation, which is preferably incident at normal incidence, the second surface (21) being planar; - features (200) produced in a dielectric that is transparent to the electromagnetic radiation, the dielectric having a refractive index, denoted n, lower than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the features (200) forming a transmission grating in the first surface (20) of the substrate (2), the features (200) extending in a first longitudinal direction (X), the features (200) being spaced apart periodically in a second longitudinal direction (Y) perpendicular to the first longitudinal direction (X), and with a spatial period, denoted p, respecting p < λ, the features (200) having a height, denoted h, along the normal (Z) to the first surface (20) respecting h ≥ 3 p, the height of the features (200) being adjusted depending on the spatial period of the features (200) so that the transmission grating shifts the phase of the electromagnetic radiation by π or π/2 in order to modify the polarization state.

Description

LAME D’ONDE EN TRANSMISSION WAVE PLATE IN TRANSMISSION
Domaine technique Technical area
L’invention se rapporte au domaine technique des lames d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante comprise entre 200 nm et 900 nm. The invention relates to the technical field of waveplates, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength between 200 nm and 900 nm.
L’invention trouve notamment son application dans le domaine des lasers de puissance. The invention finds application in particular in the field of power lasers.
État de l’art State of the art
Une lame d’onde connue de l’état de la technique comporte : A wave plate known from the state of the art comprises:
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; - a substrate, transparent to electromagnetic radiation, and comprising first and second opposite surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, strictement supérieur à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation. - patterns, made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, strictly greater than 1.6 at the dominant wavelength, the patterns forming a diffraction grating in transmission at the first surface of the substrate, the patterns extending along a first longitudinal direction; the patterns being periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p<1; the patterns having a height, denoted h, along the normal to the first surface; the height of the patterns being adjusted according to the spatial period of the patterns so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation to modify the state of polarization.
Par exemple, une lame dite quart d’onde, introduisant un déphasage de p/ 2, permet de transformer un état de polarisation linéaire en un état de polarisation circulaire. For example, a so-called quarter-wave plate, introducing a phase shift of p/2, makes it possible to transform a state of linear polarization into a state of circular polarization.
Les motifs, formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, permettent d’induire de l’anisotropie. En d’autres termes, le réseau de diffraction en transmission permet de déphaser deux composantes orthogonales d’un état de polarisation. La première direction longitudinale (entre les motifs) est l’axe rapide, tandis que la deuxième direction longitudinale est l’axe lent. The patterns, forming a transmission diffraction grating on the first surface of the substrate, make it possible to induce anisotropy. In other words, the transmission diffraction grating makes it possible to phase-shift two orthogonal components of a polarization state. The first longitudinal direction (between patterns) is the fast axis, while the second longitudinal direction is the slow axis.
Le matériau diélectrique des motifs est choisi dans l’état de la technique pour présenter un contraste optique élevé (n > 1,6 ; préférentiellement n > 2 ; plus préférentiellement n > 3) avec le milieu environnant. Le milieu environnant est classiquement un air ambiant, ou un milieu sous vide d’air, avec un indice de réfraction proche de 1. Le déphasage résulte d’une interaction électromagnétique entre le rayonnement électromagnétique incident et le réseau de diffraction en transmission, et dépend du contraste optique et de la géométrie des motifs périodiques. The dielectric material of the patterns is chosen in the state of the art to present a high optical contrast (n>1.6; preferentially n>2; more preferentially n>3) with the surrounding medium. The surrounding environment is typically ambient air, or a medium under air vacuum, with a refractive index close to 1. The phase shift results from an electromagnetic interaction between the incident electromagnetic radiation and the diffraction grating in transmission, and depends on the optical contrast and the geometry of the periodic patterns.
Il existe un préjugé selon lequel le matériau diélectrique des motifs doit posséder un indice de réfraction élevé (n > 1,6 ; préférentiellement n > 2 ; plus préférentiellement n > 3) afin de réduire la hauteur h et donc le ratio h/p pour des raisons de commodité de gravure. Ce préjugé est manifeste notamment dans les documents D.C. Flanders, « Submicrometerperiodiâty gratings as artificial anisotropic dielectrics », Appl. Phys. Lett. 42, 492 (1983) ; T.Isano et al., « Fabrication of Hafl-Wave Plates with Subwavelength Structures », Jpn. J. Appl. Phys. 43, 5294 (2004) ; N. Passilly et al., « Polarisation conversion in conical diffraction bj metallic and dielectric subwavelength gratings», Appl. Opt. 46(20) 4258-4265 (2007) ; S. S. Stafeev et al., « Subwavelength gratings for polarisation conversion and focusing of laser light », Photonics Nanostructures : Fundam. Appl. 27, 32-41 (2017) ; T. Mori et al., « Periodic sub-wavelength structures with large phase retardation fabricated bj glass nanoimprint»,]. Ceram. Soc. Jpn. 117(1370), 1134-1137 (2009). There is a prejudice according to which the dielectric material of the patterns must have a high refractive index (n >1.6; preferably n >2; more preferably n > 3) in order to reduce the height h and therefore the ratio h/p for engraving convenience. This prejudice is manifest in particular in the documents DC Flanders, “Submicrometerperiodiâty gratings as artificial anisotropic dielectrics”, Appl. Phys. Lett. 42, 492 (1983); T.Isano et al., “Fabrication of Hafl-Wave Plates with Subwavelength Structures”, Jpn. J.Appl. Phys. 43, 5294 (2004); N. Passilly et al., “Polarization conversion in conical diffraction b j metallic and dielectric subwavelength gratings”, Appl. Opt. 46(20) 4258-4265 (2007); SS Stafeev et al., “Subwavelength gratings for polarization conversion and focusing of laser light”, Photonics Nanostructures: Fundam. appl. 27, 32-41 (2017); T. Mori et al., “Periodic sub-wavelength structures with large phase retardation fabricated b j glass nanoimprint”,]. Ceramic. Soc. Jpn. 117(1370), 1134-1137 (2009).
Une telle lame d’onde de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisante dans la mesure où le choix du matériau des motifs est restreint à des matériaux diélectriques possédant un indice de réfraction élevé (n > 1,6). Or, ces matériaux possèdent généralement un seuil d’endommagement très faible pour résister à un rayonnement laser de forte puissance (i.e. puissance crête supérieure à 100 mW), par exemple les lasers impulsionnels. Such a wave plate of the state of the art is not entirely satisfactory insofar as the choice of the pattern material is restricted to dielectric materials having a high refractive index (n > 1.6). However, these materials generally have a very low damage threshold to withstand high power laser radiation (i.e. peak power greater than 100 mW), for example pulsed lasers.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet une lame d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 900 nm ; la lame d’onde comportant : The invention aims to remedy all or part of the aforementioned drawbacks. To this end, the subject of the invention is a wave plate, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 900 nm; the wave plate comprising:
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface étant plane ; - a substrate, transparent to electromagnetic radiation, and comprising first and second opposite surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence; the second surface being planar;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h > 3 p ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation. - patterns, made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns forming a diffraction grating in transmission at the first surface of the substrate, the patterns extending along a first longitudinal direction; the patterns being periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p<1; the patterns having a height, denoted h, following the normal to the first surface verifying h>3 p; the height of the patterns being adjusted as a function of the spatial period of the patterns so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation to modify the state of polarization.
Un objet de l’invention est une lame d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 400 nm ; la lame d’onde comportant : An object of the invention is a wave plate, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 400 nm; the wave plate comprising:
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface étant plane ; - a substrate, transparent to electromagnetic radiation, and comprising first and second opposite surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence; the second surface being planar;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h > 3 p ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs et vérifie respectivement 6 p £ h £ 12 p ou 3 p £ h £ 6 p de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/ 2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation. - patterns, made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns forming a diffraction grating in transmission at the first surface of the substrate, the patterns extending along a first longitudinal direction; the patterns being periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p<1; the patterns having a height, denoted h, following the normal to the first surface verifying h>3 p; the height of the patterns being adjusted according to the spatial period of the patterns and verifies respectively 6 p £ h £ 12 p or 3 p £ h £ 6 p so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/ 2 to electromagnetic radiation to change the state of polarization.
Définitions Definitions
- Par « substrat », on entend un support physique autoporté. - By "substrate" is meant a self-supporting physical medium.
- Par « substrat transparent», on entend que le substrat possède un coefficient de transmission en intensité (ou transmittance), moyenné pour les 2 polarisations TE (Transverse Electrique) et TM (Transverse Magnétique), supérieur à 80 %, préférentiellement supérieur à 85 %, plus préférentiellement supérieur à 90 %, encore plus préférentiellement supérieur à 95 % pour la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique. - Par « matériau diélectrique transparent », on entend que le réseau de diffraction en transmission, formé par les motifs réalisés dans le matériau diélectrique, possède un coefficient de transmission en intensité (ou transmittance) de l’ordre zéro de diffraction (appelé ordre spéculaire), moyenné pour les 2 polarisations TE et TM , supérieur à 80 %, préférentiellement supérieur à 85 %, plus préférentiellement supérieur à 90 %, encore plus préférentiellement supérieur à 95 %, pour la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique. - By "transparent substrate", we mean that the substrate has a transmission coefficient in intensity (or transmittance), averaged for the 2 polarizations TE (Transverse Electric) and TM (Transverse Magnetic), greater than 80%, preferably greater than 85 %, more preferably greater than 90%, even more preferably greater than 95% for the dominant wavelength of the electromagnetic radiation. - By "transparent dielectric material", it is meant that the transmission diffraction grating, formed by the patterns produced in the dielectric material, has an intensity transmission coefficient (or transmittance) of the zero diffraction order (called specular order ), averaged for the 2 TE and TM polarizations, greater than 80%, preferably greater than 85%, more preferably greater than 90%, even more preferably greater than 95%, for the dominant wavelength of the electromagnetic radiation.
- Par « it ou i/2 », on entend le déphasage en radians. - “it or i/2” means the phase shift in radians.
Ainsi, une telle lame d’onde selon l’invention autorise un seuil d’endommagement élevé pour résister à un rayonnement laser de forte puissance (puissance crête supérieure à 100 mW), grâce au matériau diélectrique des motifs qui présente un indice de réfraction inférieur ou égal à 1,6. Les inventeurs ont constaté, de manière surprenante, qu’il était possible d’effectuer une gravure correcte des motifs de manière à obtenir un ratio h/p élevé (³3) selon des techniques compatibles avec la technologie CMOS (« Complementaiy Métal Oxide S emiconductor » en langue anglaise). Thus, such a wave plate according to the invention allows a high damage threshold to resist high power laser radiation (peak power greater than 100 mW), thanks to the dielectric material of the patterns which has a lower refractive index or equal to 1.6. The inventors have found, surprisingly, that it is possible to carry out a correct etching of the patterns so as to obtain a high h/p ratio (³3) according to techniques compatible with CMOS technology ("Complementary Metal Oxide S emiconductor in English).
Lorsque la longueur d’onde dominante est comprise entre 200 nm et 400 nm, avec un matériau diélectrique des motifs qui présente un indice de réfraction inférieur ou égal à 1,6, la hauteur des motifs est ajustée en fonction de la période spatiale des motifs et vérifie : When the dominant wavelength is between 200 nm and 400 nm, with a dielectric material of the patterns which has a refractive index less than or equal to 1.6, the height of the patterns is adjusted according to the spatial period of the patterns and check:
- 6 p £ h £ 12 p de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ; - 6 p £ h £ 12 p so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p;
- 3 p £ h £ 6 p de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p/ 2. - 3 p £ h £ 6 p so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p/ 2.
Lorsque h > 12 p (resp. h> 6p) pour un déphasage de p (resp. p/2), il a été constaté une forte dégradation de la tolérance aux erreurs de fabrication de la lame d’onde, notamment sur la largeur des motifs, ainsi qu’une répartition du champ électrique défavorable pour les performances d’endommagement laser. When h > 12 p (resp. h> 6p) for a phase shift of p (resp. p/2), a strong degradation of the tolerance to manufacturing errors of the waveplate was observed, in particular on the width patterns, as well as an unfavorable electric field distribution for laser damage performance.
La lame d’onde selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. The wave plate according to the invention may comprise one or more of the following characteristics.
Selon une caractéristique de l’invention, la hauteur des motifs vérifie : According to a characteristic of the invention, the height of the patterns verifies:
3 p £ h £ 6 p, de préférence 4 p £ h £ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation. La relation « 4 p £ h £ 5 p » permet d’améliorer la tolérance aux erreurs de fabrication de la lame d’onde, ainsi que d’obtenir une meilleure répartition du champ électrique pour les performances d’endommagement laser. 3 p £ h £ 6 p, preferably 4 p £ h £ 5 p, so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p/2 to the electromagnetic radiation to modify the state of polarization. The "4 p £ h £ 5 p" relationship allows for improved manufacturing error tolerance of the waveplate, as well as better electric field distribution for laser damage performance.
Selon une caractéristique de l’invention, la hauteur des motifs vérifie : According to a characteristic of the invention, the height of the patterns verifies:
6 p £ h £ 12 p, de préférence 8 p £ h £ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation. 6 p £ h £ 12 p, preferably 8 p £ h £ 10 p, so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p to the electromagnetic radiation to modify the state of polarization.
La relation « 8 p £ h £ 10 p » permet d’améliorer la tolérance aux erreurs de fabrication de la lame d’onde, ainsi que d’obtenir une meilleure répartition du champ électrique pour les performances d’endommagement laser. The “8p£h£10p” relationship improves the manufacturing error tolerance of the waveplate, as well as achieving better electric field distribution for laser damage performance.
Selon une caractéristique de l’invention, la période spatiale des motifs vérifie p £ l/h.According to a characteristic of the invention, the spatial period of the patterns verifies p £ l/h.
Ainsi, un avantage procuré est d’éviter la dispersion de l’énergie du rayonnement électromagnétique dans plusieurs ordres de diffraction. Une telle période spatiale permet de structurer la première surface du substrat (lorsque le substrat et les motifs sont monoblocs) sans induire la propagation de nouveaux ordres de diffraction. Le déphasage apporté à l'ordre zéro de diffraction en transmission est alors associé à une forte efficacité en énergie. En d’autres termes, une telle période spatiale des motifs permet d’obtenir une efficacité en transmission élevée dans l’ordre spéculaire pour la lame d’onde, afin d’obtenir une lame d’onde à transmission élevée. Thus, an advantage obtained is to avoid the dispersion of the energy of the electromagnetic radiation in several orders of diffraction. Such a spatial period makes it possible to structure the first surface of the substrate (when the substrate and the patterns are in one piece) without inducing the propagation of new diffraction orders. The phase shift brought to the zero order of diffraction in transmission is then associated with high energy efficiency. In other words, such a spatial period of the patterns achieves high transmission efficiency in the specular order for the waveplate, so as to obtain a high transmission waveplate.
Selon une caractéristique de l’invention, les motifs présentent une largeur à mi-hauteur, notée c, suivant la deuxième direction longitudinale vérifiant : According to one characteristic of the invention, the patterns have a width at mid-height, denoted c, in the second longitudinal direction verifying:
0,5 p £ c £ 0,7 p. £0.5p c£0.7p
Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser une gravure des motifs selon des techniques compatibles avec la technologie CMOS. Thus, an advantage obtained is to authorize etching of the patterns according to techniques compatible with CMOS technology.
Selon une caractéristique de l’invention, les motifs présentent un profil trapézoïdal suivant la normale à la première surface. According to one characteristic of the invention, the patterns have a trapezoidal profile following the normal to the first surface.
L’expression « profil trapézoïdal » s’entend dans les tolérances usuelles liées aux conditions expérimentales de la fabrication des motifs, et non parfaitement au sens mathématique du terme « trapézoïdal ». Selon une caractéristique de l’invention, le profil trapézoïdal des motifs forme un trapèze isocèle présentant : The expression “trapezoidal profile” is understood within the usual tolerances linked to the experimental conditions of the manufacture of the patterns, and not perfectly in the mathematical sense of the term “trapezoidal”. According to one characteristic of the invention, the trapezoidal profile of the patterns forms an isosceles trapezium having:
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface ; - small and large bases, the large base being oriented towards the second surface;
- des bords latéraux reliant les petite et grande bases ; la grande base et les bords latéraux formant un angle supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°. - side edges connecting the small and large bases; the large base and the side edges forming an angle greater than or equal to 80° and less than or equal to 90°, preferably greater than or equal to 85° and less than or equal to 90°.
La grande base et les bords latéraux forment préférentiellement un angle supérieur ou égal à 87° et inférieur ou égal à 90°. The large base and the side edges preferably form an angle greater than or equal to 87° and less than or equal to 90°.
Lorsque la grande base et les bords latéraux forment un angle égal à 90°, alors le trapèze isocèle est un rectangle et les motifs sont de forme lamellaire. When the large base and the side edges form an angle equal to 90°, then the isosceles trapezoid is a rectangle and the patterns are lamellar in shape.
Selon une caractéristique de l’invention, le substrat et les motifs sont réalisés dans un matériau choisi parmi un verre, Si02, CaF2, MgF2. According to one characteristic of the invention, the substrate and the patterns are made of a material chosen from among a glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 .
Ainsi, de tels matériaux présentent un indice de réfraction inférieur à 1,6 et sont transparents dans la gamme spectrale [200 nm, 900 nm]. En particulier, un avantage procuré par Si02 est sa forte transparence dans la gamme spectrale [200 nm, 900 nm] et ses pertes optiques extrêmement faibles dans cette gamme spectrale. En outre, Si02 présente un seuil d’endommagement très élevé pour résister à un rayonnement laser de forte puissance crête (>100 mW). A titre d'exemples non limitatifs, le verre peut être B2C>3, CaO etc. Thus, such materials have a refractive index lower than 1.6 and are transparent in the spectral range [200 nm, 900 nm]. In particular, an advantage provided by Si0 2 is its high transparency in the spectral range [200 nm, 900 nm] and its extremely low optical losses in this spectral range. In addition, Si0 2 has a very high damage threshold to withstand high peak power laser radiation (>100 mW). By way of non-limiting examples, the glass can be B 2 C>3, CaO, etc.
Selon une caractéristique de l’invention, le rayonnement électromagnétique est un rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW, le substrat et les motifs sont réalisés dans un matériau qui présente un seuil d’endommagement adapté pour résister au rayonnement laser. According to one characteristic of the invention, the electromagnetic radiation is laser radiation having a peak power greater than 100 mW, the substrate and the patterns are made of a material which has a damage threshold suitable for resisting laser radiation.
Selon une caractéristique de l’invention, la longueur d’onde dominante est choisie dans :According to a feature of the invention, the dominant wavelength is chosen from:
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm ; - a first spectral range comprised between 200 nm and 400 nm, preferably comprised between 315 nm and 400 nm;
- un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm. - a second spectral range comprised between 400 nm and 900 nm, preferably comprised between 400 nm and 800 nm.
Selon une caractéristique de l’invention, la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, et la période spatiale des motifs est supérieure ou égale à 200 nm. Selon une caractéristique de l’invention, les motifs présentent une surface entièrement libre. According to one characteristic of the invention, the dominant wavelength is between 315 nm and 400 nm, and the spatial period of the patterns is greater than or equal to 200 nm. According to one characteristic of the invention, the patterns have an entirely free surface.
Selon une caractéristique de l’invention, le réseau de diffraction en transmission formé par les motifs est l’unique réseau de diffraction de la lame d’onde. En d’autres termes, la lame d’onde comporte un seul et unique réseau de diffraction. According to one characteristic of the invention, the transmission diffraction grating formed by the patterns is the only diffraction grating of the waveplate. In other words, the waveplate has a single diffraction grating.
L’invention a également pour objet un dispositif optique, comportant : The invention also relates to an optical device, comprising:
- une source laser, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique, de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 900 nm ; - a laser source, suitable for emitting electromagnetic radiation, of the laser type, having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 900 nm;
- une lame d’onde conforme à l’invention, les première et deuxième surfaces étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale. - a wave plate according to the invention, the first and second surfaces being arranged so as to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence.
L’invention a enfin pour objet un procédé de fabrication d’une lame d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 900 nm ; le procédé comportant les étapes : a) prévoir un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et présentant des première et deuxième surfaces planes opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs : The invention finally relates to a method for manufacturing a wave plate, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 900nm; the method comprising the steps: a) providing a substrate, transparent to electromagnetic radiation, and having first and second opposite flat surfaces, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation, preferably at normal incidence; b) forming a transmission diffraction grating on the first surface of the substrate, the transmission diffraction grating comprising patterns:
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ; - made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale ; - extending in a first longitudinal direction;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; - periodically spaced along a second longitudinal direction, perpendicular to the first longitudinal direction, and according to a spatial period, denoted p, verifying p < l;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h > 3 p, la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation. Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b) comporte les étapes : bi) former un masque dur sur la première surface du substrat ; b2) former une résine photosensible sur le masque dur ; bs) structurer la résine photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ; b4) graver le masque dur et la première surface du substrat à travers la résine photosensible structurée de manière à structurer la première surface du substrat et former le réseau de diffraction en transmission ; bs) retirer la résine photosensible et le masque dur. - having a height, denoted h, along the normal to the first surface verifying h > 3 p, the height of the patterns being adjusted according to the spatial period of the patterns so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to electromagnetic radiation to modify the state of polarization. According to one characteristic of the invention, step b) comprises the steps: bi) forming a hard mask on the first surface of the substrate; b2) forming a photoresist on the hard mask; bs) patterning the photoresist by electron beam lithography; b4) etching the hard mask and the first surface of the substrate through the structured photoresist so as to structure the first surface of the substrate and form the transmission diffraction grating; bs) remove photoresist and hard mask.
Ainsi, un avantage procuré est d’utiliser des techniques de gravure compatibles avec la technologie CMOS. Le substrat et le réseau de diffraction en transmission sont monoblocs. Le masque dur formé lors de l’état bi) permet d’améliorer le contrôle de la gravure afin d’obtenir une gravure de qualité présentant des ratios h/p élevés (³3). Thus, an advantage obtained is to use engraving techniques compatible with CMOS technology. The substrate and the transmission diffraction grating are in one piece. The hard mask formed during the bi) state improves the control of the etching in order to obtain a quality etching with high h/p ratios (³3).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape bi) est précédée d’une étape bo) consistant à opacifier le substrat en formant, à la deuxième surface du substrat, au moins une couche opaque. According to one characteristic of the invention, step bi) is preceded by a step bo) consisting in opacifying the substrate by forming, on the second surface of the substrate, at least one opaque layer.
Ainsi, un avantage procuré par la couche opaque est d’autoriser la détection du substrat par des équipements microélectroniques (e.g. capteur d’entrée et capteur de sortie de la chambre de gravure, détecteur de l’encoche d’alignement (« notch aligner » en langue anglaise) du substrat). De plus, la couche opaque peut permettre de séparer le substrat d’un plateau de maintien électrostatique (« electrostatic chuck » en langue anglaise). Thus, an advantage provided by the opaque layer is to allow the detection of the substrate by microelectronic equipment (e.g. entrance sensor and exit sensor of the etching chamber, detector of the alignment notch (“notch align”) in English language) of the substrate). In addition, the opaque layer can make it possible to separate the substrate from an electrostatic holding plate (“electrostatic chuck” in English).
Brève description des dessins Brief description of the drawings
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints. Other characteristics and advantages will appear in the detailed description of various embodiments of the invention, the description being accompanied by examples and references to the attached drawings.
Figure 1 est une vue schématique en coupe d’une lame d’onde selon l’invention. L’encart est une vue à l’échelle agrandie de deux motifs consécutifs. La coupe est effectuée suivant la normale à la première surface (et à la deuxième surface) du substrat. Figure 1 is a schematic sectional view of a wave plate according to the invention. The inset is an enlarged scale view of two consecutive designs. The cut is made along the normal to the first surface (and to the second surface) of the substrate.
Figure 2 est une vue schématique en perspective d’une lame d’onde selon l’invention. Le substrat et le réseau de diffraction en transmission sont monoblocs. Figure 2 is a schematic perspective view of a wave plate according to the invention. The substrate and the transmission diffraction grating are in one piece.
Figure 3 comporte des vues schématiques en coupe, illustrant un procédé de fabrication selon l’invention. Les coupes sont effectuées suivant la normale à la première surface (et à la deuxième surface) du substrat. Il est à noter que les dessins décrits ci-avant sont schématiques, et ne sont pas à l’échelle par souci de lisibilité et pour en simplifier leur compréhension. Figure 3 includes schematic sectional views, illustrating a manufacturing method according to the invention. The cuts are made along the normal to the first surface (and to the second surface) of the substrate. It should be noted that the drawings described above are schematic, and are not to scale for the sake of readability and to simplify their understanding.
Exposé détaillé des modes de réalisation Detailed description of embodiments
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification. Elements that are identical or provide the same function will bear the same references for the different embodiments, for the sake of simplification.
Un objet de l’invention est une lame d’onde 1, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique E (illustré à la figure 2) possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 900 nm ; la lame d’onde 1 comportant : An object of the invention is a wave plate 1, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation E (illustrated in FIG. 2) having a dominant wavelength, denoted l, comprised between 200nm and 900nm; the wave plate 1 comprising:
- un substrat 2, transparent au rayonnement électromagnétique E, et comprenant des première et deuxième surfaces 20, 21 opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface 21 étant plane ; - A substrate 2, transparent to electromagnetic radiation E, and comprising first and second surfaces 20, 21 opposite each other, intended to be traversed successively by electromagnetic radiation E, preferably at normal incidence; the second surface 21 being planar;
- des motifs 200, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique E, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs 200 formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface 20 du substrat 2, les motifs 200 s’étendant suivant une première direction longitudinale X ; les motifs 200 étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale Y, perpendiculaire à la première direction longitudinale X, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; les motifs 200 présentant une hauteur, notée h, suivant la normale Z à la première surface 20 vérifiant h > 3 p ; la hauteur des motifs 200 étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs 200 de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation. - patterns 200, made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation E, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns 200 forming a diffraction grating in transmission to the first surface 20 of the substrate 2, the patterns 200 extending along a first longitudinal direction X; the patterns 200 being periodically spaced along a second longitudinal direction Y, perpendicular to the first longitudinal direction X, and according to a spatial period, denoted p, satisfying p<1; the patterns 200 having a height, denoted h, along the normal Z to the first surface 20 verifying h>3 p; the height of the patterns 200 being adjusted as a function of the spatial period of the patterns 200 so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization.
La lame d’onde 1 est illustrée aux figures 1 et 2. Waveplate 1 is shown in Figures 1 and 2.
Rayonnement électromagnétique incident Incident electromagnetic radiation
Le rayonnement électromagnétique E peut être un rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW. The electromagnetic radiation E may be laser radiation having a peak power greater than 100 mW.
La longueur d’onde dominante est avantageusement choisie dans : The dominant wavelength is advantageously chosen from:
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm, plus préférentiellement compris entre 315 nm et 380 nm ; - un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm. - a first spectral range between 200 nm and 400 nm, preferably between 315 nm and 400 nm, more preferably between 315 nm and 380 nm; - a second spectral range comprised between 400 nm and 900 nm, preferably comprised between 400 nm and 800 nm.
Le rayonnement électromagnétique E est destiné à se propager suivant une direction D (illustrée à la figure 2) correspondant à une incidence normale, ou proche de l’incidence normale (± 10° par rapport à la normale Z à la première surface 20 du substrat 2). The electromagnetic radiation E is intended to propagate along a direction D (illustrated in FIG. 2) corresponding to normal incidence, or close to normal incidence (± 10° relative to the normal Z to the first surface 20 of the substrate 2).
Matériau du substrat Substrate material
Le matériau du substrat 2 est avantageusement un matériau diélectrique. The material of the substrate 2 is advantageously a dielectric material.
Le matériau du substrat 2 est avantageusement choisi parmi un verre, Si02, CaF2, MgF2.The material of the substrate 2 is advantageously chosen from among a glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 .
Le matériau du substrat 2 présente avantageusement un seuil d’endommagement (LIDT pour « Laser Induced Damage Threshold » en langue anglaise) adapté pour résister au rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW. Les méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser sont définies dans la norme ISO 21254- 1:2011 et dans la norme ISO 21254-2:2011. Le matériau du substrat 2 présente avantageusement un LIDT compris entre 10 J/cm2 et 15 J/cm2, en particulier à la longueur d’onde dominante de 351 nm pour des impulsions laser d’une durée de 3 ns. The material of the substrate 2 advantageously has a damage threshold (LIDT for “Laser Induced Damage Threshold” in English) suitable for resisting laser radiation having a peak power greater than 100 mW. Laser damage threshold test methods are defined in ISO 21254-1:2011 and ISO 21254-2:2011. The material of the substrate 2 advantageously has a LIDT of between 10 J/cm 2 and 15 J/cm 2 , in particular at the dominant wavelength of 351 nm for laser pulses with a duration of 3 ns.
A titre d’exemple non limitatif, le substrat 2 peut être une plaquette (« wafer » en langue anglaise), pouvant présenter un diamètre de 200 mm. Le substrat 2 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 725 pm. By way of non-limiting example, the substrate 2 may be a wafer, which may have a diameter of 200 mm. Substrate 2 may have a thickness of the order of 725 μm.
Motifs Grounds
Le matériau diélectrique, dans lequel sont réalisés les motifs 200, est avantageusement choisi parmi un verre, Si02, CaF2, MgF2. Le matériau diélectrique présente avantageusement un seuil d’endommagement (LIDT pour « Laser Induced Damage Threshold » en langue anglaise) adapté pour résister au rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW. Les méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser sont définies dans la norme ISO 21254-1:2011 et dans la norme ISO 21254-2:2011. Le matériau diélectrique présente avantageusement un LIDT compris entre 10 J/cm2 et 15 J/cm2, en particulier à la longueur d’onde dominante de 351 nm pour des impulsions laser d’une durée de 3 ns. The dielectric material, in which the patterns 200 are made, is advantageously chosen from among a glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 . The dielectric material advantageously has a damage threshold (LIDT for “Laser Induced Damage Threshold” in English) suitable for resisting laser radiation having a peak power greater than 100 mW. Laser damage threshold test methods are defined in ISO 21254-1:2011 and ISO 21254-2:2011. The dielectric material advantageously has a LIDT of between 10 J/cm 2 and 15 J/cm 2 , in particular at the dominant wavelength of 351 nm for laser pulses with a duration of 3 ns.
Les motifs 200, formant le réseau de diffraction en transmission, et le substrat 2 sont avantageusement monoblocs. Les motifs 200 et le substrat 2 sont alors réalisés dans le même matériau diélectrique, de préférence en silice. La première surface 20 du substrat 2 est structurée et comporte les motifs 200 formant le réseau de diffraction en transmission. Par « surface structurée », on entend que la première surface 20 du substrat 2 est non-plane (rupture de planéité), et délimite un ensemble de motifs 200 (reliefs). Les motifs 200, formant le réseau de diffraction en transmission, et le substrat 2 peuvent ne pas être monoblocs. Le matériau diélectrique des motifs 200 peut appartenir à une couche diélectrique qui est formée sur le substrat 2. La couche diélectrique est gravée pour obtenir les motifs 200 formant le réseau de diffraction en transmission. A titre d'exemple non limitatif, le substrat 2 peut être réalisé dans un verre, et la couche diélectrique peut être réalisée en silice. The patterns 200, forming the transmission diffraction grating, and the substrate 2 are advantageously made in one piece. Patterns 200 and substrate 2 are then made from the same dielectric material, preferably silica. The first surface 20 of the substrate 2 is structured and comprises the patterns 200 forming the transmission diffraction grating. By “structured surface”, it is meant that the first surface 20 of the substrate 2 is non-flat (break in flatness), and delimits a set of patterns 200 (reliefs). Patterns 200, forming the transmission diffraction grating, and substrate 2 may not be in one piece. The dielectric material of the patterns 200 may belong to a dielectric layer which is formed on the substrate 2. The dielectric layer is etched to obtain the patterns 200 forming the transmission diffraction grating. By way of non-limiting example, the substrate 2 can be made of glass, and the dielectric layer can be made of silica.
Selon un premier mode de réalisation, la hauteur des motifs 200 vérifie : According to a first embodiment, the height of the patterns 200 verifies:
3 p £ h £ 6 p, de préférence 4 p £ h £ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation. Les inventeurs ont constaté qu’il était à la fois possible d’introduire un déphasage de p/ 2 et d’obtenir une transparence des motifs 200 du substrat 2, définie par le coefficient de transmission en intensité (ou transmittance) de l’ordre zéro de diffraction, moyenné pour les 2 polarisations TE et TM, qui était supérieur à 90 % lorsque le matériau des motifs 200 est réalisé en silice, en particulier lorsque la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, par exemple 351 nm. 3 p £ h £ 6 p, preferably 4 p £ h £ 5 p, so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p/2 to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization. The inventors found that it was both possible to introduce a phase shift of p/2 and to obtain a transparency of the patterns 200 of the substrate 2, defined by the intensity transmission coefficient (or transmittance) of the order diffraction zero, averaged for the 2 TE and TM polarizations, which was greater than 90% when the material of the patterns 200 is made of silica, in particular when the dominant wavelength is between 315 nm and 400 nm, for example 351 nm.
Selon un deuxième mode de réalisation, la hauteur des motifs 200 vérifie : According to a second embodiment, the height of the patterns 200 verifies:
6 p £ h £ 12 p, de préférence 8 p £ h £ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation. 6 p £ h £ 12 p, preferably 8 p £ h £ 10 p, so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization.
Lorsque h > 12 p (resp. h> 6p) pour un déphasage de p (resp. p/2), il a été constaté une répartition du champ électrique défavorable pour les performances d’endommagement laser. Les performances d’endommagement laser d’un composant optique peuvent être reliées à la variation du champ électrique. En polarisation TE, les zones d’intensité élevée du champ électrique sont réparties à l’intérieur des motifs 200, et l’intensité maximale du champ électrique est 10% inférieure pour des ratios 3 £ h/p £ 6 par rapport à des ratios h/p > 6 dans le cas d’une lame quart d’onde. En polarisation TE, les zones d’intensité élevée du champ électrique sont localisées à la base des motifs 200 pour des ratios h/p > 6 dans le cas d’une lame quart d’onde, ce qui est défavorable pour les performances d’endommagement laser. When h > 12 p (resp. h> 6p) for a phase shift of p (resp. p/2), an unfavorable electric field distribution for laser damage performance was found. The laser damage performance of an optical component can be related to the variation of the electric field. In TE bias, areas of high electric field intensity are distributed within 200 patterns, and the peak electric field intensity is 10% lower at 3£h/p£6 ratios compared to h/p > 6 in the case of a quarter wave plate. In TE polarization, the zones of high intensity of the electric field are located at the base of the patterns 200 for h/p ratios > 6 in the case of a quarter-wave plate, which is unfavorable for the performance of laser damage.
La période spatiale des motifs 200 vérifie avantageusement p £ l/h. Lorsque la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, la période spatiale des motifs 200 est avantageusement supérieure ou égale à 200 nm. The spatial period of the patterns 200 advantageously verifies p £ l/h. When the dominant wavelength is between 315 nm and 400 nm, the spatial period of the patterns 200 is advantageously greater than or equal to 200 nm.
Les motifs 200 présentent avantageusement une largeur à mi-hauteur, notée c, suivant la deuxième direction longitudinale Y vérifiant : The patterns 200 advantageously have a width at mid-height, denoted c, along the second longitudinal direction Y verifying:
0,5 p £ c £ 0,7 p. Les motifs 200 peuvent présenter un profil trapézoïdal suivant la normale Z à la première surface 20. Le profil trapézoïdal des motifs 200 peut former un trapèze isocèle présentant : £0.5p c£0.7p The patterns 200 may have a trapezoidal profile along the normal Z to the first surface 20. The trapezoidal profile of the patterns 200 may form an isosceles trapezoid having:
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface 21 ;- small and large bases, the large base being oriented towards the second surface 21;
- des bords latéraux 201 reliant les petite et grande bases ; la grande base et les bords latéraux 201 formant un angle a (illustré à la figure 1) supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°. Lorsque la grande base et les bords latéraux 201 forment un angle a de 90°, les motifs 200 sont de forme lamellaire. - Side edges 201 connecting the small and large bases; the large base and the side edges 201 forming an angle a (illustrated in FIG. 1) greater than or equal to 80° and less than or equal to 90°, preferably greater than or equal to 85° and less than or equal to 90°. When the large base and the lateral edges 201 form an angle α of 90°, the patterns 200 are lamellar in shape.
Lorsque h > 12 p (resp. h> 6p) pour un déphasage de p (resp. p/2), il a été constaté une forte dégradation de la tolérance aux erreurs de fabrication de la lame d’onde. Plus précisément, la non-maîtrise de l’angle a formé entre la grande base et les bords latéraux 201 (tendant idéalement vers 90°) impacte fortement le rapport cyclique à mi-hauteur (1-c/p) et dégrade donc la fonction optique. When h > 12 p (resp. h> 6p) for a phase shift of p (resp. p/2), a strong degradation of the tolerance to manufacturing errors of the waveplate was observed. More specifically, failure to control the angle a formed between the large base and the lateral edges 201 (ideally tending towards 90°) has a strong impact on the duty cycle at mid-height (1-c/p) and therefore degrades the function optical.
Les motifs 200 présentent avantageusement une surface entièrement libre, c'est-à-dire qu’aucun élément n’est formé à la surface des motifs 200. En particulier, la surface des motifs 200 est dépourvue de motifs additionnels. Le réseau de diffraction en transmission formé par les motifs 200 constitue avantageusement l’unique réseau de diffraction de la lame d’onde 1. En d’autres termes, la lame d’onde 1 comporte avantageusement un seul et unique réseau de diffraction. The patterns 200 advantageously have an entirely free surface, that is to say that no element is formed on the surface of the patterns 200. In particular, the surface of the patterns 200 is devoid of additional patterns. The transmission diffraction grating formed by the patterns 200 advantageously constitutes the single diffraction grating of the wave plate 1. In other words, the wave plate 1 advantageously comprises a single and unique diffraction grating.
Dispositif optique Optical device
Un objet de l’invention est un dispositif optique, comportant : An object of the invention is an optical device, comprising:
- une source laser (non illustrée), adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique E, de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 900 nm ; - a laser source (not shown), suitable for emitting electromagnetic radiation E, of the laser type, having a dominant wavelength, denoted l, of between 200 nm and 900 nm;
- une lame d’onde 1, conforme à l’invention, les première et deuxième surfaces 20, 21 étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale. - a wave plate 1, in accordance with the invention, the first and second surfaces 20, 21 being arranged so as to be traversed successively by the electromagnetic radiation E, preferably at normal incidence.
La source laser peut être continue ou pulsée. La source laser peut comporter un laser tel qu’un laser continu ou un laser impulsionnel (e.g. laser nanoseconde) dont la puissance peut être élevée. La source laser peut comporter des chaînes laser de forte puissance, comme les chaînes du Laser Mégajoule ou les chaînes du laser intitulé « National Ignition Fadlity». The laser source can be continuous or pulsed. The laser source may comprise a laser such as a continuous laser or a pulsed laser (e.g. nanosecond laser) whose power may be high. The laser source may comprise high-power laser chains, such as the Megajoule Laser chains or the laser chains entitled “National Ignition Fadlity”.
Le milieu M environnant la source laser et la lame d’onde 1 est de préférence un air ambiant, ou un milieu M sous vide d’air. Procédé de fabrication The medium M surrounding the laser source and the wave plate 1 is preferably ambient air, or a medium M under vacuum. Manufacturing process
Comme illustré à la figure 3, un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une lame d’onde 1, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique E possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 900 nm ; le procédé comportant les étapes : a) prévoir un substrat 2, transparent au rayonnement électromagnétique E, et présentant des première et deuxième surfaces 20, 21 planes opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale ; b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface 20 du substrat 2, le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs 200 : As illustrated in Figure 3, an object of the invention is a method of manufacturing a wave plate 1, operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation E having a dominant wavelength , denoted l, between 200 nm and 900 nm; the method comprising the steps: a) providing a substrate 2, transparent to the electromagnetic radiation E, and having first and second opposite flat surfaces 20, 21, intended to be traversed successively by the electromagnetic radiation E, preferably at normal incidence; b) forming a transmission diffraction grating on the first surface 20 of the substrate 2, the transmission diffraction grating comprising patterns 200:
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique E, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ; - made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation E, the material having a refractive index, denoted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale X ; - extending along a first longitudinal direction X;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale Y, perpendiculaire à la première direction longitudinale X, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; - Periodically spaced along a second longitudinal direction Y, perpendicular to the first longitudinal direction X, and according to a spatial period, denoted p, verifying p < l;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale Z à la première surface 20 vérifiant h > 3 p, la hauteur des motifs 200 étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs 200 de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation. - having a height, denoted h, along the normal Z to the first surface 20 satisfying h>3 p, the height of the patterns 200 being adjusted according to the spatial period of the patterns 200 so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation E to modify the state of polarization.
Les caractéristiques techniques décrites ci-avant (rayonnement électromagnétique E incident, matériau du substrat 2, motifs 200 du substrat 2) s’appliquent pour le procédé de fabrication selon l’invention. The technical characteristics described above (incident electromagnetic radiation E, material of substrate 2, patterns 200 of substrate 2) apply for the manufacturing method according to the invention.
L’étape b) comporte avantageusement les étapes : bi) former un masque dur 3 sur la première surface 20 du substrat 2 ; bz) former une résine 4 photosensible sur le masque dur 3 ; bs) structurer la résine 4 photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ; b^ graver le masque dur 3 et la première surface 20 du substrat 2 à travers la résine 4 photosensible structurée de manière à structurer la première surface 20 du substrat 2 et former le réseau de diffraction en transmission. Step b) advantageously comprises the steps: bi) forming a hard mask 3 on the first surface 20 of the substrate 2; bz) forming a photoresist 4 on the hard mask 3; bs) structuring photoresist 4 by electron beam lithography; b^ etching the hard mask 3 and the first surface 20 of the substrate 2 through the structured photoresist 4 so as to structure the first surface 20 of the substrate 2 and form the transmission diffraction grating.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (S1O2), le masque dur 3 formé lors de l’étape bi) est avantageusement réalisé en titane. Le masque dur 3 en titane présente avantageusement une épaisseur comprise entre 40 nm et 60 nm. Le masque dur 3 en titane formé lors de l’étape bi) permet d’évacuer les électrons présents à la première surface 20 du substrat 2. Le masque dur 3 en titane formé lors de l’état bi) permet d’améliorer le contrôle de la gravure de la silice afin d’obtenir une gravure de qualité présentant des ratios h/ p élevés (³3), en particulier pour des longueurs d’onde dominantes du rayonnement électromagnétique E incident comprises entre 315 nm et 400 nm, ce qui a permis de vaincre le préjugé de l’état de la technique. When the material of the substrate 2 is made of silica (S1O2), the hard mask 3 formed during step bi) is advantageously made of titanium. The titanium hard mask 3 advantageously has a thickness of between 40 nm and 60 nm. The Titanium Hard Mask 3 formed during step bi) makes it possible to evacuate the electrons present on the first surface 20 of the substrate 2. The hard titanium mask 3 formed during state bi) makes it possible to improve the control of the etching of the silica in order to obtain a quality etching with high h/p ratios (³3), in particular for dominant wavelengths of the incident electromagnetic radiation E between 315 nm and 400 nm, which made it possible to overcome the prejudice of the state of the art.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (S1O2), la résine 4 photosensible (e.g. NEB22™ commercialisée par la société Sumitomo) formée lors de l’étape b 2) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm. La période spatiale minimale des motifs 200 est une dimension critique, notée DC, liée aux conditions expérimentales de l’étape bs), c’est-à-dire la structuration de la résine photosensible, et est en particulier liée à la résolution optique de la lithographie à faisceau d’électrons :
Figure imgf000016_0001
ou :
When the material of the substrate 2 is made of silica (S1O2), the photosensitive resin 4 (eg NEB22™ marketed by the company Sumitomo) formed during step b 2) advantageously has a thickness of between 300 nm and 400 nm. The minimum spatial period of the patterns 200 is a critical dimension, denoted DC, linked to the experimental conditions of step bs), that is to say the structuring of the photoresist, and is in particular linked to the optical resolution of electron beam lithography:
Figure imgf000016_0001
Where :
- ki est un facteur reliant le critère de Rayleigh avec le comportement réel d’un procédé de fabrication donné (visant une impression des plus petits motifs possibles) ; - ki is a factor linking the Rayleigh criterion with the actual behavior of a given manufacturing process (aimed at printing the smallest possible patterns);
- l est la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique E incident ;- l is the dominant wavelength of the incident electromagnetic radiation E;
- NA est l’ouverture numérique du système de focalisation utilisé pour la lithographie à faisceau d’électrons. - NA is the numerical aperture of the focusing system used for electron beam lithography.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (S1O2), l’étape bi) peut comporter les étapes : b4o) graver le masque dur 3 en titane par une gravure plasma, par exemple un plasma à couplage inductif ; b«) graver la première surface 20 du substrat 2 en silice par une gravure plasma, par exemple un plasma à couplage capacitif. When the material of the substrate 2 is made of silica (S1O 2 ), step bi) can comprise the steps: b4o) etching the hard mask 3 in titanium by plasma etching, for example an inductively coupled plasma; b«) etching the first surface 20 of the substrate 2 in silica by plasma etching, for example a capacitively coupled plasma.
Le plasma à couplage inductif exécuté lors de l’étape b^) peut comporter comme gaz réactifs BCI3 (pour graver un éventuel oxyde de titane superficiel) et Cb/HBr pour graver le masque dur 3 en titane avec une bonne sélectivité (environ 3) vis-à-vis de S1O2 et de la résine 4 photosensible (de type NEB22™). The inductively coupled plasma executed during step b^) can comprise as reactive gases BCI3 (to etch a possible superficial titanium oxide) and Cb/HBr to etch the hard titanium mask 3 with good selectivity (approximately 3) against S1O2 and photosensitive resin 4 (of the NEB22™ type).
Le plasma à couplage capacitif exécuté lors de l’étape b 41) peut comporter comme gaz réactif C4F8 pour graver la silice avec une bonne sélectivité (environ 5) vis-à-vis de la résine 4 photosensible (de type NEB22™). L’étape bi) est avantageusement précédée d’une étape bo) consistant à opacifier le substrat 2 en formant, à la deuxième surface 21 du substrat 2, au moins une couche opaque 5. Ainsi, un avantage procuré par la couche opaque 5 est d’autoriser la détection du substrat 2 par des équipements microélectroniques (e.g. capteur d’entrée et capteur de sortie de la chambre de gravure, détecteur de l’encoche d’alignement (« notch aligner » en langue anglaise) du substrat). La couche opaque 5 est opaque au rayonnement électromagnétique utilisé par les équipements microélectroniques pour la détection du substrat 2. The capacitively coupled plasma executed during step b 41) can comprise C4F8 as reactive gas to etch the silica with good selectivity (approximately 5) with respect to the photosensitive resin 4 (of the NEB22™ type). Step bi) is advantageously preceded by a step bo) consisting in opacifying the substrate 2 by forming, on the second surface 21 of the substrate 2, at least one opaque layer 5. Thus, an advantage procured by the opaque layer 5 is to authorize the detection of the substrate 2 by microelectronic equipment (eg entry sensor and exit sensor of the etching chamber, detector of the alignment notch (“notch align” in English language) of the substrate). Opaque layer 5 is opaque to the electromagnetic radiation used by microelectronic equipment for detecting substrate 2.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (S1O2), l’étape bo) peut consister à former successivement une couche 6 en titane (Ti) et une couche 5 en nitrure de silicium (SiN) à la deuxième surface 21 du substrat 2. La couche 5 de nitrure de silicium formée lors de l’étape bo) permet d’opacifier le substrat 2. La couche 6 en titane formée lors de l’étape bo) permet de séparer le substrat 2 d’un plateau de maintien électrostatique (non illustré). La couche 6 en titane formée lors de l’étape bo) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 80 nm et 120 nm. La couche 5 en nitrure de silicium formée lors de l’étape bo) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 450 nm et 550 nm. When the material of the substrate 2 is made of silica (S1O2), step bo) may consist in successively forming a layer 6 of titanium (Ti) and a layer 5 of silicon nitride (SiN) on the second surface 21 of the substrate 2. Layer 5 of silicon nitride formed during step bo) makes it possible to opacify substrate 2. Layer 6 of titanium formed during step bo) makes it possible to separate substrate 2 from a holding plate electrostatic (not shown). The titanium layer 6 formed during step bo) advantageously has a thickness of between 80 nm and 120 nm. The silicon nitride layer 5 formed during step bo) advantageously has a thickness of between 450 nm and 550 nm.
Après l’étape b^, le procédé comporte des étapes bs) de nettoyage des surfaces, afin de supprimer la résine 4 photosensible, le masque dur 3, et les couches opaques 5, par exemple à l’aide de traitements plasma. L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents. After step b^, the method includes steps bs) of cleaning the surfaces, in order to remove the photosensitive resin 4, the hard mask 3, and the opaque layers 5, for example using plasma treatments. The invention is not limited to the disclosed embodiments. The person skilled in the art is able to consider their technically effective combinations, and to substitute them with equivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. Lame d’onde (1), fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique (E) possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 400 nm ; la lame d’onde (1) comportant : 1. Wave plate (1), operating in transmission, to modify a state of polarization of electromagnetic radiation (E) having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 400 nm; the wave plate (1) comprising:
- un substrat (2), transparent au rayonnement électromagnétique (E), et comprenant des première et deuxième surfaces (20, 21) opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique (E), de préférence en incidence normale ; la deuxième surface (21) étant plane ; - a substrate (2), transparent to electromagnetic radiation (E), and comprising first and second opposite surfaces (20, 21), intended to be traversed successively by electromagnetic radiation (E), preferably at normal incidence; the second surface (21) being planar;
- des motifs (200), réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique (E), le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs (200) formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface (20) du substrat (2), les motifs (200) s’étendant suivant une première direction longitudinale (X) ; les motifs (200) étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale (Y), perpendiculaire à la première direction longitudinale (X), et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < l ; les motifs (200) présentant une hauteur, notée h, suivant la normale (Z) à la première surface (20) vérifiant h > 3 p ; la hauteur des motifs (200) étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs (200) et vérifie respectivement 6 p £ h £ 12 p ou 3 p £ h £ 6 p de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p ou p/2 au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation. - patterns (200), made of a dielectric material transparent to electromagnetic radiation (E), the material having a refractive index, noted n, less than or equal to 1.6 at the dominant wavelength, the patterns (200 ) forming a transmission diffraction grating on the first surface (20) of the substrate (2), the patterns (200) extending along a first longitudinal direction (X); the patterns (200) being periodically spaced along a second longitudinal direction (Y), perpendicular to the first longitudinal direction (X), and according to a spatial period, denoted p, satisfying p<1; the patterns (200) having a height, denoted h, along the normal (Z) to the first surface (20) satisfying h>3 p; the height of the patterns (200) being adjusted according to the spatial period of the patterns (200) and verifies respectively 6 p £ h £ 12 p or 3 p £ h £ 6 p so that the diffraction grating in transmission introduces a phase shift of p or p/2 to the electromagnetic radiation (E) to modify the state of polarization.
2. Lame d’onde (1) selon la revendication 1, dans laquelle la hauteur des motifs (200) vérifie : 2. Wave plate (1) according to claim 1, in which the height of the patterns (200) verifies:
4 p £ h £ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p/ 2 au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation. 4 p £ h £ 5 p, so the transmission diffraction grating introduces a p/2 phase shift to the electromagnetic (E) radiation to change the polarization state.
3. Lame d’onde (1) selon la revendication 1, dans laquelle la hauteur des motifs (200) vérifie : 3. Wave plate (1) according to claim 1, in which the height of the patterns (200) verifies:
8 p £ h £ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de p au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation. 8 p £ h £ 10 p, so the transmission diffraction grating introduces a p phase shift to the electromagnetic (E) radiation to change the polarization state.
4. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle la période spatiale des motifs (200) vérifie p £ l/h. 4. Wave plate (1) according to one of claims 1 to 3, in which the spatial period of the patterns (200) verifies p £ l/h.
5. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle les motifs (200) présentent une largeur à mi -hauteur, notée c, suivant la deuxième direction longitudinale (Y) vérifiant : 0,5 p £ c £ 0,7 p. 5. wave plate (1) according to one of claims 1 to 4, wherein the patterns (200) have a width at mid-height, denoted c, in the second longitudinal direction (Y) verifying: 0.5 p £ c £ 0.7 p.
6. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle les motifs (200) présentent un profil trapézoïdal suivant la normale (Z) à la première surface (20). 7. Lame d’onde (1) selon la revendication 6, dans laquelle le profil trapézoïdal des motifs6. Wave plate (1) according to one of claims 1 to 5, in which the patterns (200) have a trapezoidal profile along the normal (Z) to the first surface (20). 7. Wave plate (1) according to claim 6, in which the trapezoidal profile of the patterns
(200) forme un trapèze isocèle présentant : (200) forms an isosceles trapezium with:
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface (21) ;- small and large bases, the large base being oriented towards the second surface (21);
- des bords latéraux (201) reliant les petite et grande bases ; la grande base et les bords latéraux (201) formant un angle (a) supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°. - side edges (201) connecting the small and large bases; the large base and the lateral edges (201) forming an angle (a) greater than or equal to 80° and less than or equal to 90°, preferably greater than or equal to 85° and less than or equal to 90°.
8. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle le substrat (2) et les motifs (200) sont réalisés dans un matériau choisi parmi un verre, Si02, CaF2, MgF2. 9. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle le rayonnement électromagnétique (E) est un rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW, le substrat (2) et les motifs (200) sont réalisés dans un matériau qui présente un seuil d’endommagement adapté pour résister au rayonnement laser. 10. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle la longueur d’onde dominante est choisie dans un premier domaine spectral compris entre 315 nm et 400 nm. 8. Waveplate (1) according to one of claims 1 to 7, wherein the substrate (2) and the patterns (200) are made of a material selected from glass, Si0 2 , CaF 2 , MgF 2 . 9. Wave plate (1) according to one of claims 1 to 8, in which the electromagnetic radiation (E) is laser radiation having a peak power greater than 100 mW, the substrate (2) and the patterns (200 ) are made of a material which has a damage threshold suitable for resisting laser radiation. 10. Waveplate (1) according to one of claims 1 to 9, in which the dominant wavelength is chosen in a first spectral range between 315 nm and 400 nm.
11. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, et la période spatiale des motifs (200) est supérieure ou égale à 200 nm. 11. Wave plate (1) according to one of claims 1 to 10, in which the dominant wavelength is between 315 nm and 400 nm, and the spatial period of the patterns (200) is greater than or equal to 200nm.
12. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 11, dans laquelle les motifs (200) présentent une surface entièrement libre. 12. Waveplate (1) according to one of claims 1 to 11, wherein the patterns (200) have an entirely free surface.
13. Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 12, dans laquelle le réseau de diffraction en transmission formé par les motifs (200) est l’unique réseau de diffraction de la lame d’onde (1). 14. Dispositif optique, comportant : 13. Wave plate (1) according to one of claims 1 to 12, in which the transmission diffraction grating formed by the patterns (200) is the only diffraction grating of the wave plate (1) . 14. Optical device, comprising:
- une source laser, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique (E), de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée l, comprise entre 200 nm et 400 nm ; - a laser source, suitable for emitting electromagnetic radiation (E), of the laser type, having a dominant wavelength, denoted l, between 200 nm and 400 nm;
- une lame d’onde (1), selon l’une des revendications 1 à 13, les première et deuxième surfaces (20, 21) étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique (E), de préférence en incidence normale. - a waveplate (1), according to one of claims 1 to 13, the first and second surfaces (20, 21) being arranged so as to be crossed successively by the electromagnetic radiation (E), preferably in incidence normal.
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