(57)【要約】  本発明は、超短レーザパルスによる透明材料の体積変更に関する。透明度の高い空間的に変化する波長板の製造方法は、レーザ波長に対して透明な材料の内部にパルス幅５００ｆｓ〜２０００ｆｓのガウスレーザビームを集束させて、ナノ平面の自己組織化構造を構築することを含む。ワークピースは、３つの座標で、所望のラインに沿ってビーム焦点に対して相対的に移動される。焦点領域、パルス繰返し数、エネルギー及び移動速度の組み合わせを選択して、特定の遅延を有する複屈折光学素子として機能するように、ワークピースの内部に上記の構造を配置する。パルスのエネルギーは、−σ／２及びσ／２によって制限される焦点領域の一部においてナノ平面を構築する閾値を超える。ここでσはガウス関数の最大値からの標準偏差である。ナノ平面を生成するパルスのエネルギーは、合計で０．２μＪ〜０．３μＪを超えない１０００〜２０００パルスのシーケンスから上記の領域に蓄積される。
2021528253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間的に変化する波長板を製造するための方法であって、
ＵＳＰＬＲビームに対して透明であるワークピースの材料内に、ガウス強度分布を有する直線偏光の超短パルスレーザ放射（ＵＳＰＬＲ）ビームを集束させることと、
同時に、前記ワークピース内での前記ＵＳＰＬＲビームの焦点の座標に応じて前記ワークピースの材料内でのＵＳＰＬＲの偏光方向を変更しながら、予め定めた規則に従って前記ＵＳＰＬＲビームの合焦点に対して透明材料の前記ワークピースの制御された移動を実行することであって、
集束された前記ＵＳＰＬＲビームの影響を受ける前記ワークピースの材料のスポット内でのナノ平面の形成と、ＵＳＰＬＲの波長よりも短い周期を有する周期構造への前記ナノ平面の自己組織化が行われ、
形成された前記周期構造は、前記ＵＳＰＬＲの偏光に対して垂直に配向され、前記ＵＳＰＬＲの伝搬方向に沿った前記ワークピースの材料内の領域を覆い、前記ＵＳＰＬＲの前記波長よりも１００倍以上長い、ことと、
形成されたナノ平面構造が前記ワークピースの材料の空間内に配置され、特徴的な位相遅れを有する複屈折光学素子として機能するように、集束された前記ＵＳＰＬＲビームの焦点領域、パルス繰り返し周波数、前記ＵＳＰＬＲビームのエネルギー、及び前記ワークピースの移動速度を選択することと、
を含み、
前記ワークピース（５）の材料に集束されるＵＳＰＬＲビームの直線偏光パルスは、次のパラメータで形成されることを特徴とし、
前記ワークピース（５）の材料内に集束されるＵＳＰＬＲパルスのパルス幅が５００ｆｓから２０００ｆｓまでであり、前記ＵＳＰＬＲパルスの繰返し周期が１μｍから５０μｍまでであり、
集束される前記ＵＳＰＬＲパルスのエネルギー密度が、−σ／２からσ／２までの範囲の最大位置からの強度分布の偏差によって定義される前記焦点領域の一部のみで、閾値レベルの１５％以内で閾値（１０）を超え、
前記パラメータで形成されたＵＳＰＬＲビームの直線偏光パルスは、シーケンスで前記ワークピースに送出され、
シーケンス（１６）の選択された数のパルスが、前記材料内に生成された欠陥が前記シーケンスのパルス毎に蓄積されるという事実により生じる影響により、前記ワークピースの材料内に前記ナノ平面構造（６）が確実に形成されるように選択される、
方法。
【請求項２】
周期的な前記ナノ平面構造（６）が形成される前記焦点領域の一部に蓄積される、ＵＳＰＬＲビームパルスを含む前記シーケンスのエネルギーが、０．２μＪ〜０．３μＪであることを特徴とする、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ナノ平面構造（６）を形成するための前記シーケンス（１６）における直線偏光のＵＳＰＬＲパルスの数が、１０００〜２０００の範囲で選択されることを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短レーザパルスを使用することによる透明材料特性の体積変化の方法に関する。より具体的には、空間変調波長板（spatially-modulated waveplates）のレーザ製造に関連している。
【背景技術】
【０００２】
溶融石英と一部のガラスが、パルス幅とそのエネルギーの適切な組み合わせで、超短パルス（８０ｆｓ（フェムト秒）〜５００ｆｓの幅）の影響を受けると、それらは、影響を及ぼす光の波長の数分の１の小さな寸法と、２倍の光屈折の発生によって特徴づけられる、屈折率変化の周期的構造を生成することが知られている。
【０００３】
例えば、Sudrie L, et al.,"Study Of Damage In Fused Silica By Ultra- Short IR Laser Pulses," Optics Communications, t.191 , pp.333-339, 2001.や、Hirao, K., Miura, K., "Writing Waveguides And Gratings in Silica And Related Materials by a Femtosecond Laser," J. Non-Crystalline Solids, t.239, pp.91-95, 1998.や、 Davis, K. M., et al., "Writing Waveguides in Glass With a Femtosecond Laser," Opt. Lett., t.21, pp.1729-1731, 1996.や、Hnatovsky c., et al., "Pulse duration dependence of femtosecond-laser- fabricated nanogratings in fused silica," Appl. Phys. Lett., t.87, No.014104, pp.1-3, 2005.を参照されたい。
【０００４】
通常の光線と異常光線に対する屈折率の大きさの差は、通常１０−２オーダである。これらの構造は、光の伝搬方向に拡張され、周期的な格子の形をしており、影響する光の偏光ベクトルに垂直であり、複屈折のファースト軸は、そのベクトルに平行である。
【０００５】
例えば、Shimotsuma, Y., et al., "Self-Organized Nanogratings in Glass Irradiated by Ultrashort Light Pulses," Phys. Rev. Lett., t.91, No.24, pp.1-4, 2003.や、Bhardwaj, V.R., et al, "Optically Produced Arrays of Planar Nanostructures inside Fused Silica," Phys. Rev. Lett., t.96, No.10 February, pp.1-4, 2006.や、Bricchi, E., et al., "Form Birefringence andNegative Index Change Created by Femtosecond Direct Writing in Transparent Materials," Opt. Lett., t.29, pp.119-121, 2004.や、Champion, A., et al., "Stress Distribution Around Femtosecond Laser Affected Zones: Effect of Nanogratings Orientation," Opt. Express, t.21, pp.24942-24951, 2013.を参照されたい。
【０００６】
構造の形成は、物質に影響を及ぼす光の強度が材料に特徴的な値を超えることを必要とする閾値プロセスである。
【０００７】
例えば、R. e. a. Taylor, "Fabrication of Long Range Periodic Nanostructures in Transparent or Semitransparent Dielectrics". US patent 7438824B2, 21 Oct 2008.や、Shimotsuma, Y., et al., "Self-Organized Nanogratings in Glass Irradiated by Ultrashort Light Pulses," Phys. Rev. Lett., t.91, No.24, pp.1-4, 2003.や、Bhardwaj, V.R., et al., "Femtosecond Laser-induced Refractive Index Modification in Multicomponent Glasses," J. Appl. Phys., t.97, No.083102, pp.1-12, 2005.や、M. Li, "Method of Precise Laser Nanomachining With UV Ultrafast Laser Pulses". US patent 7057135B2, 6 Jun 2006.を参照されたい。
【０００８】
また、生成された影響は、連続したレーザパルスでその領域に繰り返し影響を及ぼすことによって増幅される、即ち、蓄積された影響が観察される。
【０００９】
例えば、Bonse, J., Krueger, J., "Pulse Number Dependence of Laser-Induced Periodic Surface Structures for Femtosecond Laser Irradiation of Silicon," J. Appl. Phys., t.108, No.034903, pp.1-5, 2010.や、Zimmermann, F., et al., "Ultrashort laser pulse induced nanogratings in borosilicate glass," Applied Physics Letters, t.104, No.211107, pp.1-5, 2014.や、Richter S., et al., "Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications," J. Laser Appl., t.24, No.4, pp.042008-1-8, 2012.を参照されたい。
【００１０】
ナノ構造の形成は、影響を及ぼす光と誘導プラズマの波との相互作用によって説明され、その持続時間は約１００ｆｓ〜１５０ｆｓである。
【００１１】
例えば、Petite G., et al., "Conduction electrons in wide-bandgap oxides: A subpicosecond time-resolved optical study," Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, t.107, pp.97-101, 1996.や、Martin, P., et al., "Subpicosecond study of carrier trapping dynamics in wide-band- gap crystals," Phys. Rev. B, t.55, pp.5799-5810, 1997. を参照されたい。
【００１２】
その相互作用によって、ランダムに分布したプラズマナノスフェアが形成され、それは、それらの縁部での磁場の増幅により、偏光面に垂直に配向したプレートに結合され、これらは、短期的には金属特性を示し、光の伝播に影響を及ぼすと言われている。
【００１３】
例えば、Taylor, R., Hnatovsky, C, Simova, E., "Applications of femtosecond laser induced self-organized planar nanocracks inside fused silica glass," Laser Photonics Rev., t.2, pp.26-46, 2008.や、Lancry, M., et al., "Compact Birefringent Waveplates Photo-Induced in Silica by Femtosecond Laser," Micromachines, t.5, pp.825-838, 2014.を参照されたい。
【００１４】
照明材料と相互作用することにより、それらのプラズマスフィアはナノメートルオーダーの開口部を作り出し、そこでは、材料格子の欠陥の影響を受けた屈折率の変化と、複屈折の出現とが観察される。光によって生成された影響が材料格子に蓄積されるにつれて変化が形成される。この変化は、生成された影響の大きさの増大と、原子間の距離（格子周期）の減少の両方によって顕在化する。
【００１５】
例えば、Lancry, M., et al., "Compact Birefringent Waveplates Photo-Induced in Silica by Femtosecond Laser," Micromachines, t.5, pp.825-838, 2014.や、Richter S., et al., "Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications," J. Laser Appl., t.24, No.4, pp.042008-1-8, 2012.を参照されたい。
【００１６】
サンプルに落下した光エネルギーが蓄積される、即ち、同じプロセス閾値又は誘発された欠陥中心の数を達成するために、必要なパルスエネルギー量と影響生成インパルスはほぼ一定である。
【００１７】
例えば、Rajeev, P.P, et al., "Memory in nonlinear ionization of transparent solids," Phys. Rev. Lett., t.97, p.253001, 2006.や、Richter, S. et al., "The role of self-trapped excitons and defects in the formation of nanogratings in fused silica," Opt. Lett., t.37, pp.482-484, 2012.や、Richter S., et al., "Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications," J. Laser Appl., t.24, No.4, pp.042008-1-8, 2012. を参照されたい。
【００１８】
入力される連続パルス間のギャップは、蓄積にとって重要である。周期構造の形成効率は、パルスが特定の閾値を超えて分離されると著しく低下することに留意されたい。これはパルスエネルギーに依存し、例えば、１１５ｎＪのパルスでは約２０ｐｓ（ピコ秒）のギャップであり、４５２ｎＪのパルスでは約１００ｐｓのギャップである。但し、周期構造の形成は、パルス繰返し周波数Ｒ〜＝０．１Ｈｚ、即ちパルス間の約１０ｓのギャップが観察される。
【００１９】
例えば、Richter S., et al., "Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications," J. Laser Appl., t.24, No.4, pp.042008-1-8, 2012.を参照されたい。
【００２０】
このことは、影響の蓄積が、明らかに異なる特徴的な期間を有するいくつかの物理的プロセスに関連していることを示唆している。まず、光パルスの電場は自由電子を発生させる。このようにして形成された電子正孔対（励起子）は、材料格子（フォノン）のゆらぎと結合し、格子の不規則性や励起子自体（自己束縛励起子、ＳＴＥ）が作り出す場の変形によって捕らえられる。
【００２１】
例えば、Williams, R., Song, K., "The self trapped exciton," J. Phys. Chem. Solids, t.51, pp.679-716, 1990.を参照されたい。
【００２２】
これらのプロセスは、非常に速く、１５０ｆｓよりも速く進行するため、明らかに、影響の蓄積には影響を及ぼさない。  
【００２３】
例えば、Petite G., et al., "Conduction electrons in wide-bandgap oxides: A subpicosecond time-resolved optical study," Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, t.107, pp.97-101, 1996.や、Martin, P., et al., "Subpicosecond study of carrier trapping dynamics in wide-band- gap crystals," Phys. Rev. B, t.55, pp.5799-5810, 1997.を参照されたい。
【００２４】
室温及びそれより高い温度では、ＳＴＥは非放射的に緩和し、Ｅ´中心及び非架橋酸素ホール中心（ＮＢＯＨＣ）などの永続的又は長期的な欠陥を生成する。
【００２５】
例えば、Stathis, S., Kastner, M., "Time-resolved photoluminescence in amorphous silicon dioxide," Phys. Rev. B, t.39, pp.11183-11186, 1989.や、Petite G., et al., "Conduction electrons in wide-bandgap oxides: A subpicosecond time-resolved optical study," Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, t.107, pp.97-101, 1996.や、Stathis, S., Kastner, M., "Time-resolved photoluminescence in amorphous silicon dioxide," Phys. Rev. B, t.39, pp.11183-11186, 1989. を参照されたい。
【００２６】
これらの緩和チャネルの特徴的な持続時間は、約４００ｐｓであり、これは観察された蓄積時間に対応する。Ｅ´中心は、緩和されたケイ素結合（≡Ｓｉ・）であり、ＮＢＯＨＣは、緩和された酸素結合（≡Ｓｉ−Ｏ・）である。両方のタイプの欠陥は、互いに再結合するか、又は他のタイプの欠陥に変わる可能性がある。例えば、酸素原子の導入により、ＮＢＯＨＣは過酸化物ラジカル（≡Ｓｉ−Ｏ−Ｏ・）に変わる可能性がある。
【００２７】
例えば、Wortmann, D., Ramme, M., Gottmann, J., "Refractive index modification using fs-laser double pulses," Opt. Express, t.15, pp.10149-10153, 2007.や、Nishikawa, H., et al., "Decay kinetics of the 4,4-eV photoluminescence associated with the two states of oxygen-deficient-type defect in amorphous Si02," Phys. Rev. Lett., t.72, pp.2101-2104, 1994.や、Skuja, L, et al., "Defects in oxide glasses," Physica Status Solidi C, t.2, pp.15-24, 2005.を参照されたい。
【００２８】
いずれにせよ、このような欠陥の存在は、それらの周囲の材料の密度を変化させると同時に、等方性及び異方性の屈折率のような材料の光学特性も変化する、即ち、複屈折が発生する。ナノ平面が最も効果的に生成される材料である溶融石英は、ｎ個のメンバーを有する（Ｓｉ−Ｏ）ｎの酸化物リングで構成されている。溶融石英の大部分がｎ＝約６−７のリングで構成されている場合、緩和された結合の欠陥の出現は、平均リングサイズをｎ＝約３−４まで減少させる可能性がある。これは、結合間の角度の減少を伴い、フェムト秒パルスによる影響後に観察される材料密度の増加につながる。
【００２９】
例えば、Chan, J.W., et al., "Modification of the fused silica glass network associated with waveguide fabrication using femtosecond laser pulses," Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., t.76, pp.367-372, 2003.を参照されたい。
【００３０】
前述の欠陥を有するゾーンでは、イオン化エネルギーはソース材料よりも低く、従って、後続の各パルスは、ますます多くの欠陥を生成する。他方、周期構造の形成効率のパルス強度に対する依存性は、ＳＴＥ形成のパルスパワー密度に対する依存性によって部分的に説明できる。
【００３１】
例えば、Tsai, T.E., et al., "Experimental evidence for excitonic mechanism of defect generation in high-purity silica," Phys. Rev. Lett., t.67, pp.2517-2520, 1991.を参照されたい。
【００３２】
ナノ平面から周期構造を記録する方法は、米国特許７，４３８，８２４号明細書に詳述されている。それは、５ｆｓ〜２００ｆｓ（５×１０−１５ｓ÷２００×１０−１５ｓ）の幅を持つパルスの影響により周期的なナノ平面構造が形成されることを規定している。また、構造の安定な記録のためには、短い焦点距離（ＮＡ＝０．６５）の光学素子でビームを集束させることによって、この効果のためにパルスエネルギーが閾値エネルギー（Ｅｓｌ）を少なくとも４×Ｅｓｌから大幅に超える必要があることが規定されている。これにより、直径が約２μｍ-５μｍのスポットにエネルギーを集中させることを可能にする。ワークピースは、約２５０ｋＨｚの周波数でレーザパルスを繰り返しながら、レーザビーム焦点に対して１００μｍ／ｓを超えない速度で移動される。これは、直径５μｍの領域に、１２．５００パルスのエネルギーが蓄積されることを意味する。単一パルスのエネルギーは７５ｎＪ〜３００ｎＪである必要がある、即ち、０．９４ｍＪ〜３．７５ｍＪのレーザパルスエネルギーが前述の領域に蓄積されなければならない。
【００３３】
米国特許７，４３８，８２４号明細書に記載されているパラメータのセットが、光学素子の製造中に使用される場合、製造される光学素子の帯域幅のレーザ放射波長に対する顕著な依存性が観察され、大部分のレーザによって生成される基本波（１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ）での帯域幅は、８０％を超えず、第２高調波（５００ｎｍ〜５５０ｎｍ）の波長では、約５０％にしか達しない。したがって、上述の方法で製造された光学素子は、材料の効率的な処理に必要な十分な帯域幅を有していない。このような要素を使用することは、所望の効果を達成するために必要とされるよりも少なくとも２倍強力なレーザを必要とし、これが装置のコストを大幅に増加させる。更に、吸収及び拡散による要素内での大きな光損失は、その寿命を短くし、作業プロセス中に要素の特性を変化させる。これにより、要素の経年劣化によって発生するビームの形成の変化のために、機器の再調整が必要となる。
【００３４】
米国特許出願公開２０１４／１５３０９７号明細書は、誘導複屈折による偏光変換器の製造を目的として、溶融シリカ内のサブ波長回折格子を暗号化する一般的な原理を説明している。米国特許７，４３８，８２４号明細書の１つと等価なこの原理は、偏光状態の定義された空間分布を有する出射光ビームを生成することを可能にする。但し、この変換器では、レーザ放射のエネルギーの空間分布を操作することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
本発明の目的は、光ビームの修正を目的とした空間変調波長板の帯域幅を増加させることである。その目的のために、３２０ｎｍから２０００ｎｍまでの波長で７５％以上の光透過率を備え、ナノ平面から形成された空間変調波長板の製造が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
提案された発明によれば、タスクソリューションの本質は、空間変調波長板の製造方法であり、ＵＳＰＬＲビームに対して透明であるワークピースの材料内に、ガウス強度分布を持つ直線偏光の超短パルスレーザ放射（ＵＳＰＬＲ）ビームを集束させること、予め定めた規則に従ってＵＳＰＬＲビームの合焦点に対して前記透明材料のワークピースを制御しながら移動させること、同時にワークピース内でのＵＳＰＬＲビーム焦点の座標に応じて、ワークピース材料内でのＵＳＰＬＲの偏光方向を変更すること、集束ＵＳＰＬＲビームによって影響を受けるワークピース材料のスポット内でナノ平面を形成し、ＵＳＰＬＲ波長よりも短い周期の周期構造にナノ平面を自己組織化すること、及び、形成されたナノ平面構造がワークピースの材料空間に配置され、特徴的な位相遅れを備えた複屈折光学素子として機能するように、集束されたＵＳＰＬＲビームの焦点領域、パルス繰り返し周波数、そのエネルギー、及びワークピースの移動速度を選択すること、を含む。
【００３７】
ナノ平面の自己組織化では、形成された周期構造は、ＵＳＰＬＲ偏光に対して垂直に配向され、ＵＳＰＬＲの伝搬方向に沿ってワークピース材料中のスポットを仮定する。それは、ＵＳＰＬＲの前述の波長より１００倍以上長い。
【００３８】
ここで、ワークピース材料内に集束されるＵＳＰＬＲパルスのパルス幅は５００ｆｓから２０００ｆｓまでであり、それらの繰返し周期は１μｓから５０μｓである。集束されたＵＳＰＬＲパルスのエネルギーの密度は、焦点領域の一部のみにおいて、影響を受ける材料の特性によって決定された閾値を超え、ＵＳＰＬＲビームの前記直線偏光パルスを、シーケンスでワークピース内に送出する。ここで、前記シーケンスにおける選択されたパルス数は、ワークピース材料内のナノ平面構造の形成を確実にするような数とする。
【００３９】
ＵＳＰＬＲビームパルスエネルギー密度が、影響を受ける材料の特性によって決定される閾値を超える焦点領域の一部は、ピーク位置からの強度分布の偏差によって定義され、前記偏差は、-σ／２〜σ／２の範囲内である。
【００４０】
ＵＳＰＬＲビームパルスを含むシーケンスのエネルギーは、周期的なナノ平面構造が形成される焦点領域の前記一部に蓄積され、０．２μＪ〜０．３μＪである。
【００４１】
ナノ平面構造を形成するためのシーケンスにおける直線偏光のＵＳＰＬＲパルスの数は、１０００〜２０００の範囲で選択される。
【００４２】
本発明に従って提案された空間変調波長板の製造方法は、それらの光帯域幅を増加させ、３２０ｎｍから２０００ｎｍまでの波長範囲において７５％以上の光透過性を達成することを可能にする。空間変調波長板の光損失が低減されるので、それを用いて少なくとも２倍の強度のビームを形成することができる。光透過性が広い波長範囲で７５％以上に達するという事実により、同じ要素を使用して、その主周波数、ならびにその第２高調波及び第３高調波のレーザ光ビームを形成することができる。このように、レーザ放射の異なる高調波において同じ効果を達成するために、複数の空間変調波長板を製造する必要がない。さらに、ナノ平面構造を安定して形成するために、ＵＳＰＬＲパルスのエネルギー密度は、閾値エネルギー(Ｅｓｌ)を１５％以内で超えている。これは、その光透過性が、それが作製される材料の透明度とわずかに異なる光学素子をフォーマットすることを可能にする。ワークピースの体積内に組み込まれたナノ構造は、ガウス分布を有する入射光ビームを、偏光状態と光強度の両方について定義された空間分布を有する出射光ビームに変換する光学素子の作成を可能にする（図７）。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明は、図面を通じてより詳細に説明されている。
【００４４】
【図１】図１は、空間変調波長板の製造の提案された手法を実施するために使用される装置の主要なブロック図を示す。
【図２】図２は、ビーム軸からの偏差に応じた集束ＵＳＰＬＲビームの強度分布を示しており、座標が軸から０．５σだけずれている場合（ここで、σは平均偏差である）、強度は軸の極大値の０．８８倍である。
【図３】図３は、ナノ平面から周期構造を形成するために必要とされる集束ＵＳＰＬＲビームの強度分布の一部を示す。
【図４】図４は、欠陥におけるＵＳＰＬＲインパルスエネルギー蓄積の影響を示す。
【図５】図５は、周期構造を形成するための閾値を１０％超え、１０００パルスのエネルギーを蓄積することによって、本出願で提案された方法で記述された光学素子のスペクトル帯域幅と、測定要素のワークピースを構成する紫外ガラスＵＶＦＳの帯域幅とを示す。
【図６】図６は、本出願で提案された方法で製造された光学素子を示し、そのスペクトル帯域幅は図５に示す。
【図７】図７は、ガウス入射ビームから得られる出射ビームの空間分布の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
空間変調波長板を製造するために提案された方法は、以下の一連の動作を含む。超短パルスレーザの放射モードＴＥＭ００（ＵＳＰＬＲ）の放射ビームを、ガウス分布（Gauss law）と直線偏光とに従った強度分布で、この放射ビームに対して透明な材料のワークピースに集束させる。
【００４６】
追加要素は偏光ベクトルの方向を設定する。ワークピースの材料に焦点を合わせるＵＳＰＬＲのパルス幅は５００ｆｓから２０００ｆｓまでの範囲内で選択され、それらの繰り返し周期は１μｓから５０μｓまでの範囲内で選択される。
【００４７】
単一パルスのエネルギー及び焦点ウエストの領域は、焦点領域のごく一部のみがナノ平面からの構造形成の閾値を超えるように選択される。これらのパルスのエネルギー密度は、−σ／２〜σ／２の範囲の最大位置からの強度分布の偏差によって定義される、焦点領域の前記一部における影響を受けた材料の特性によって決定される閾値を１５％以内で上回る。
【００４８】
ワークピースは、設定された軌道に従って、焦点に対して移動され、その軌道の各点において、集束ＵＳＰＬＲの偏光の必要な方向と、ナノ平面構造の配向とを設定する。集束ＵＳＰＬＲビームの焦点領域、パルスの繰り返しの周波数、それらのエネルギーとワークピースの移動速度は、得られたナノ平面構造が、ワークピース材料の空間に配置され、それらに特徴的な位相遅れを有する複屈折光学素子として機能するように選択される。
【００４９】
このようにして、ナノ平面の１つ又は複数の層が記録される。周期的なナノ平面構造が形成される焦点領域の前記一部に蓄積されるインパルスエネルギーは、０．２μＪから０．３μＪまでの範囲である。ナノ平面構造の形成には、パルス数が１０００〜２０００の範囲内にある直線偏光のＵＳＰＬＲパルスシーケンスが必要である。
【００５０】
図１は、空間変調波長板の製造の提案された方法を実施するために使用される装置の主要なブロック図を示す。この装置は、ガウス強度分布の超短パルスレーザ放射ビーム２を生成するレーザ源１を含み、その光路内には、ＵＳＰＬＲビームの偏光ベクトルの方向を設定するための半波（λ／２）位相板３が配置されている。集光光学系４は、位相板３の後方に配置されており、レーザ放射ビーム２をＵＳＰＬＲビームに対して透明な材料のワークピース５の方に向ける。ワークピース５内では、ナノ平面６の自己組織化による周期構造が作成され、それらは設定された軌道７に配置されている。また、ワークピース５を３つの空間方向８に移動させる位置決め装置も設けられている。
【００５１】
本発明により提案される空間変調波長板の製造方法では、材料内で生成された欠陥は、集束ビームの焦点における強度がガウス（正規）分布９に従って分布し、エネルギーがナノ平面形成及び自己組織化の閾値１０をわずかに（１５％以下）超えるパルスでそれらを作り出すことによって、蓄積される。
【００５２】
このような強度のパルスは、影響を及ぼす光波に対して透明な材料のワークピースに向けられ、必要な光学活性のナノ平面構造が形成されるまで周期的に繰り返される。繰り返し周期は、パルス間の時間の間に、欠陥の形成に関係するすべてのプロセス、即ち、電子の放出−励起子の形成−励起子の自己束縛（ＳＴＥの形成）、格子へのエネルギー移動（熱プロセス）、及びシリコン−酸素結合の緩和が、終了するように選択される。これらのプロセスの全てが終了するためには、少なくとも１μｓ、即ち、レーザパルスの繰返し周波数が１ＭＨｚを超えてはならない。
【００５３】
光学素子の動作は、空間内のナノ平面構造のレイアウトに基づいている。ここで、素子の各点において、ナノ平面は、レーザビームのレーザ放射エネルギー及び位相分布の要件によって設定される法則に従って配向される。ナノ平面構造形成の閾値の下に位置するエネルギー部分１１は、中心の形成のような記述された影響の蓄積に影響を及ぼすが、光の複屈折は、その面積がガウス分布部分を超えず、平均偏差σ／２の半分に限定されるパルスピーク１２によってのみ発生する。
【００５４】
最も効果的な方法でそのビームに影響を与えるナノ平面構造を配向させるためには、まず、構造１３が形成されているスポットに材料欠陥を蓄積する必要があり、次に、閾値１０を超えるエネルギー１１をそのスポットに向けることにより、ターゲット内でナノ平面構造が形成され、自己組織化が実現される。その配向は、上述した閾値を超えるパルスの偏光に対して垂直である。これは、ビームの焦点に対してワークピースを移動させることによって実現される。
【００５５】
次に、ガウス分布１４に対応する凸状エネルギーを有する連続的に続くインパルスの開始時に、昇順で、構造形成及び自己組織化の閾値１０を超えるパルスが目標領域１５内に移動するまで、必要な欠陥が材料内に蓄積され、このようなパルスのシーケンス１６は、所望の方向及び効率のナノ平面構造を生成する。後続のレーザパルスは、降順で欠陥を蓄積し続け、これらが構造の光学効率を増加させる。これらの残留効果は、望ましくない光吸収及び拡散中心をもたらすので、あまり蓄積しないことが重要である。
【００５６】
構造形成パルスの数が１０００〜２０００の間にある場合、それらにおける損失を増加させることなく適切な構造性能が達成される。光の集束領域、パルスの繰り返し周波数、そのエネルギー、及びワークピースの移動速度の適切な組み合わせを選択することによって、作成されたナノ平面構造が複屈折素子として最大効率で機能し、光の拡散及び吸収を最小限にすることを実現可能である。このような記録の有効性は、本出願で提案された方法で説明され、周期構造の形成のための閾値を１０％超え、１０００パルスのエネルギーを蓄積することによって得られた曲線の光学素子のスペクトル透過性１７、測定要素のワークピースを構成する紫外線ガラスＵＶＦＳの透過性１８、及び本出願で提案されたように製造された光学素子の画像１９によって示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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