Случайная фазовая пластина
RANDOM PHASE PLATE

Изобретение относится к области оптотехники и может быть использовано для создания одинаковых условий высокоточной обработки различных материалов, основанной на применении пучков лазерного излучения.
1
2
3
4
1
4
1
4
2
2
2
Известны случайные фазовые пластины (СФП) с многоуровневой структурой, выполненные на плавленом кварце - оптически прозрачном материале в диапазоне длин волн 0.3÷2.2 мкм, обладающем высокой лучевой прочностью (Рымкевич B.C., Заколдаев Р.А., Сергеев М.М., Костюк Г.К. Использование лазерно-индуцированной микроплазмы для изготовления многоуровневых фазовых пластин // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2017. - Т. 60. - №5. - С. 431-439). Поверхность многоуровневой СФП, типичный размер которой составляет 10×10 мм, разделена на элементарные ячейки в форме квадрата с размером не менее 0.2 мм и не более 0.4 мм, каждая из которых расположена случайным образом на поверхности пластины. При этом глубина травления равного количества элементарных ячеек в СФП соответствует одному из дискретных значений:  где λ - длина волны излучения применения СФП, n - показатель преломления материала СФП. Дискретные значения изменения глубины травления элементарных ячеек от 0 до  обеспечивают сдвиг фазы проходящего через них излучения от 0 до π. При этом для элементарных ячеек, не подвергнутых травлению, сдвиг фазы равен 0, а для элементарных ячеек, вытравленных на глубину, соответствующую одному из дискретных значений h, h, h или h, сдвиг фазы соответственно равен π/4, π/2, 3π/4 и π. Различие в глубинах травления равного количества элементарных ячеек в СФП обеспечивает переналожение в фокальной плоскости коллективной линзы, размещаемой за СФП, пяти различных интерференционных картин, возникающих вследствие разделения падающего на СФП пучка лазерного излучения элементарными ячейками на элементарные пучки, сдвиг фаз в которых отвечает либо «нулевому» значению, либо одному из значений, задаваемых дискретными глубинами травления h÷h элементарных ячеек. Увеличение количества интерференционных картин, возникающих от переналожения элементарных пучков, отвечающих либо «нулевому» сдвигу фазы, либо одному из значений сдвигов фаз, задаваемых глубиной травления элементарных ячеек, в фокальной плоскости коллективной линзы, способствует сглаживанию модуляции интенсивности в фокальном пятне, то есть выравниванию распределения интенсивности. Работоспособность СФП, то есть проверку ее способности создавать равномерное распределение интенсивности в пределах фокального пятна коллективной линзы, устанавливаемой за СФП, принято проверять экспериментально путем тестирования. При этом качество создаваемого распределения интенсивности, то есть качество работы СФП, принято оценивать по отклонению профиля распределения интенсивности, создаваемого СФП, от равномерного в пределах фокального пятна в процентах. Тестирование работы СФП осуществляется в два этапа. Сначала регистрируется исходное распределение интенсивности лазерного пучка, затем в схему вводится СФП, и регистрация осуществляется вновь. Тестирование многоуровневой СФП с четырьмя уровнями глубины травления элементарных ячеек h÷h в СФП-аналоге в схеме с одномодовым Гауссовым пучком He-Ne лазера с λ=0.633 мкм, характеризующимся наивысшей степенью когерентностью γ(τ)=1 и соответственно качеством пучка М≤1.1, показало, что относительное отклонение профиля распределения интенсивности в пределах фокального пятна составляет ~50%. Результаты тестирования СФП-аналога с лазерными пучками, степень когерентности которых незначительно ниже степени когерентности одномодового Гауссова пучка, равной единице, и которым соответствует качество пучка М, незначительно большее по величине, чем качество одномодового Гауссова пучка М≤1.1 не приводится, но судя по результатам тестирования многоуровневой СФП с одновомодовым Гауссовым пучком ее применение не обеспечит отклонения профиля распределения интенсивности в единицы процентов в пределах фокального пятна, необходимого для обеспечения качества, требуемого в микро- и нанообработке для лазерных пучков с высокой степенью когерентности.
2
2
Наиболее близкой к заявляемому устройству является двухуровневая СФП (Kato Y., Mima K., Miyanaga N., Arinaga S., Kitagawa Y., Nakatsuka M., Yamanaka C. Random phasing of high-power lasers for uniform target acceleration and plasma-instability suppression // Physical Review Letters. - 1984. - T. 53. - №11. - C. 1057-1064), принятая в качестве прототипа. Ее поверхность разделена на элементарные ячейки в форме квадратов, прямоугольников или шестиугольников, 50% элементарных ячеек которой вытравлены на глубину  где λ - длина волны лазерного излучения, проходящего через СФП, обеспечивающую выравнивание интенсивности в сечении лазерного пучка, n - показатель преломления материала СФП для данной длины волны. При этом в качестве материала для изготовления подобной СФП используется плавленый кварц, являющийся оптически прозрачным в диапазоне длин волн 0.3÷2.2 мкм и обладающий высокой лучевой прочностью. Размер СФП определяется сечением пучка, распределение интенсивности в котором подлежит выравниванию. Наиболее часто используемые размеры подобной СФП варьируются от 10×10 мм до 30×30 мм в зависимости от конкретного технологического лазера, а размер элементарных ячеек варьируется от 0.2 мкм до 0.4 мкм. Данная конструкция СФП использовалась неоднократно (Kato Y., Mima K., Miyanaga N., Arinaga S., Kitagawa Y., Nakatsuka M., Yamanaka C. Random phasing of high-power lasers for uniform target acceleration and plasma-instability suppression // Physical Review Letters. - 1984. - T. 53. - №11. - C. 1057-1064; Dixit S., Thomas I., Woods В., Morgan A., Henesian M., Wegner P., Powell H. Random phase plates for beam smoothing on the Nova laser // Applied optics. - 1993. - T. 32. - №14. - C. 2543-2554; Lewis C., Weaver I., Doyle L., Martin G., Morrow Т., Pepler D., Danson C., Ross I. Use of a random phase plate as a KrF laser beam homogenizer for thin film deposition applications // Review of Scientific Instruments. - 1999. - T. 70. - №4. - C. 2116-2121) и показала хорошие результаты с пучками, характеризующимися низкой степенью когерентности γ(τ)≤0.3 и соответственно низким качеством пучка М≥40. Принцип работы данной СФП основан на многолучевой интерференции элементарных пучков, дифрагировавших на каждой элементарной ячейке СФП. Случайное расположение элементарных ячеек, вытравленных на глубину h, обеспечивает разрушение симметричности и периодичности в интерференционной картине, уровень случайной модуляции интенсивности в которой из-за низкой степени когерентности относительно невысок. Повышение степени когерентности лазерного пучка до значений γ(τ)≥0.5, распределение интенсивности в сечении которого подлежит выравниванию, приводит к более яркому проявлению интерференционных эффектов, то есть к увеличению уровня модуляции интенсивности в пределах фокального пятна. Недостатком прототипа является невозможность его применения для выравнивания распределения интенсивности лазерных пучков со степенью когерентности, незначительно меньшей степени когерентности одномодовых Гауссовых пучков, которым соответствует качество пучка, отвечающее значению М≥2.0.
2
Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение области применения СФП для выравнивания распределения интенсивности в сечении лазерных пучков со степенью когерентности, незначительно меньшей степени когерентности одномодовых Гауссовых пучков, которым соответствует качество пучка, отвечающее значениям М≥2.0.
0
е
0
е
Сущность изобретения заключается в том, что СФП содержит подложку, выполненную из кристаллического материала, поверхности которой ориентированы параллельно оптической оси этого материала, а поверхность подложки разделена на одинаковые по форме элементарные ячейки в виде многоугольников, при этом 50% элементарных ячеек вытравлены на глубину, определяемую из соотношения  где λ - длина волны излучения применения пластины, n и n - показатели преломления кристаллического материала для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно, отклонение по глубине травления элементарных ячеек не должно превышать 5% от значения h. В качестве кристаллического материала используется исландский шпат, значение двулучепреломления которого Δn=n-n в области применения пластины - области прозрачности исландского шпата 0.24÷1.80 мкм располагается в диапазоне 0.24÷0.16.
0
е
0
е
Решение технической задачи достигается тем, что глубина травления элементарных ячеек в подложке, выполненной на кристаллическом материале, поверхности которой ориентированы параллельно оптической оси этого материала, определяется из соотношения  где λ - длина волны излучения применения пластины, n и n - показатели преломления кристаллического материала для обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно, отклонение по глубине травления элементарных ячеек не должно превышать 5% от значения h, а в качестве кристаллического материала использован исландский шпат, значение двулучепреломления которого Δn=n-n в области применения пластины - области прозрачности исландского шпата (0.24÷1.80 мкм) располагается в диапазоне 0.24÷0.16. Глубина травления, определяемая из соотношения, обеспечивает поворот вектора поляризации падающего на элементарные ячейки СФП линейно-поляризованного излучения на 90°, тем самым, создавая условия, при которых интерференция элементарных пучков от элементарных ячеек, неподвергнутных травлению, сохраняющих направление вектора поляризации падающего на них линейно-поляризованного излучения, и от элементарных ячеек, вытравленных на заданную глубину, обеспечивающую поворот вектора поляризации падающего на эти ячейки СФП линейно-поляризованного излучения на 90°, невозможна. Невозможность интерференции ортогонально линейно-поляризованных пучков была установлена еще в классических работах об интерференции двух линейно-поляризованных пучков (Ландсберг Г.С. Оптика: Учебное пособие. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, - 2006 - 848 с.; Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 856 с.). Невозможность многолучевой интерференции ортогонально линейно-поляризованных элементарных пучков, создаваемых в конструкции заявляемой СФП, 50% случайно выбранных элементарных ячеек, которой вытравлены на глубину, обеспечивающую поворот вектора поляризации падающего на эти ячейки линейно-поляризованного излучения на 90°, до сих пор не была экспериментально установлена. Указанное в формуле изобретения ограничение на глубину травления было найдено для кристаллической пластины из исландского шпата, вырезанной параллельно оптической оси кристалла из условия поворота вектора поляризации падающего на нее линейно-поляризованного излучения на 90°. Отклонение по глубине травления, приводящее к незначительному выравниванию профиля распределения интенсивности в пределах фокального пятна, было определено экспериментальным путем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведено схематическое изображение СФП, на фиг. 2 представлена схема тестирования СФП, на фиг. 3 представлены результаты тестирования, на фиг. 4 - схема промышленного изготовления СФП.
2
2
Схематическое изображение СФП размером 10×10 мм, 50% элементарных ячеек которой размером 250×250 мкм вытравлены на глубину h~0.85 мкм, найденную из соотношения  для длины волны третьей гармоники пикосекундного лазера «Ekspla PL 2143» (λ=355 нм), степень когерентности излучения которого незначительно меньше степени когерентности одномодового Гауссова пучка с качеством пучка М≤1.1, а качество пучка М~5.0 представлено на фиг. 1 (1 - вытравленные области, 2 - не вытравленные области). СФП была подвергнута тестированию по коррекции распределения интенсивности. Тестирование СФП осуществлялось в соответствии с общепринятой процедурой: сначала по отпечатку пакета импульсов на оксидной пленке ZnO толщиной 2 мкм фиксировалось распределение интенсивности в фокальном пятне системы, фокусирующей исходный пучок излучения третьей гармоники пикосекундного лазера «Ekspla PL 2143», далее по отпечатку пакета импульсов на той же пленке фиксировалось распределение интенсивности в фокальном пятне при размещении СФП перед фокусирующей системой.
A
Для регистрации отпечатков использовалась экспериментальная установка, представленная на фиг. 2 и содержащая источник излучения 3, зеркало 4, делительную пластину 5, ПЗС-камеру 6, тестируемую СФП 7, объектив с числовой апертурой N=0.3 8, стекло с нанесенной оксидной пленкой ZnO 9, координатный стол 10, осуществляющий передвижение по осям х, у, z.
х
На фиг. 3 приведены микрофотографии зон обработки излучением пикосекундного лазера «Ekspla PL 2143» на оксидной пленке ZnO с увеличением 10. Видно, что результаты обработки оксидной пленки с применением СФП (фиг. 3 «б») показывают более высокое качество обработки по сравнению с качеством обработки без применения СФП (фиг. 3 «а»). Микрофотография зоны обработки с применением СФП свидетельствует о том, что интерференционная картина (картина спеклов) практически подавлена. Также тестированию была подвергнута СФП (фиг. 3 «в»), глубина травления элементарных ячеек, которой отличалась от рассчитанной по выражению  более, чем на 5% (h~0.92 мкм). Видно, что эффект снижения уровня модуляции интенсивности незначителен.
Для промышленного изготовления СФП можно воспользоваться серийно выпускаемой установкой «Минимаркер-2» (фиг. 4), содержащей в себе следующие ключевые элементы: волоконный иттербиевый лазер 11, гальванометрическое сканирующее устройство на базе приводов G325DT «GSI Lumonics» 12, объектив 13, неподвижный столик 14, углеродосодержащая пластина 15, пластина исландского шпата 16, персональный компьютер 17.
0
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение волоконного иттербиевого лазера 11 с длиной волны λ=1.064 мкм, мощностью Р=2 Вт, длительностью импульсов τ=50 не, частотой их следования v=70 кГц позиционировалось в плоскости обработки с помощью гальванометрического сканирующего устройства 12, обеспечивающего перемещение лазерного пучка по координатам х и у со скоростью сканирования U=1000 мм/с. С помощью объектива 13 с фокусным расстоянием ƒ=210 мм и полем обработки 100×100 мм, создающего перетяжку лазерного пучка размером d=50 мкм, производилась фокусировка излучения в плоскости контакта пластины прессованного графита 15 и пластины исландского шпата 16, расположенных на неподвижном столике 14. Управление сканирующим устройством, параметрами лазерного излучения, а также положением перетяжки пучка осуществлялось с помощью специального программного обеспечения на компьютере 17. Очистка поверхности пластины исландского шпата от частиц графита, осевших на нее в процессе формирования элементарных ячеек, производилась на том же макете установки. Фиг. 4 «б» иллюстрирует расположение элементов устройства, задействованных в процессе очистки: дистиллированная вода 18, пластина исландского шпата 19, частицы графита 20, записанные ячейки 21. Нанесение на загрязненную поверхность исландского шпата 19 тонкого слоя дистиллированной воды 20 используется для уменьшения возможных повреждений материала пластины.
Для изготовления СФП на пластине исландского шпата использовался метод обработки лазерно-индуцированной микроплазмой (ЛИМП) (Kostyuk G., Zakoldaev R., Sergeev M., Veiko V. Laser-induced glass surface structuring by LIBBH technology // Optical and Quantum Electronics. - 2016. - T. 48. - №. 4. - C. 1-8), в котором в качестве поглощающей мишени используется пластина прессованного графита, коэффициент поглощения которой близок к 1.0 для диапазона длин волн 0.2÷2.5 мкм. При этом лазерное излучение, сфокусированное на поверхность мишени, контактирующей с пластиной обрабатываемого материала, прозрачной для проходящего сквозь нее излучения, приводит к резкому нагреванию графита до температуры испарения, в результате чего происходит образование плазменного факела, формирующего микрорельеф.
2
2
2
2
На основании выше изложенного можно заключить, что тестирование СФП, выполненной на подложке из исландского шпата, поверхности которой ориентированы параллельно его кристаллической оси, 50% элементарных ячеек которой вытравлены на определенную глубину h, задаваемую соотношением, приведенным в формуле изобретения, показало способность СФП создавать равномерный профиль распределения интенсивности с отклонением, не превышающим единицы процентов в пределах фокального пятна для лазерного пучка со степенью когерентности, незначительно меньшей степени когерентности одномодового Гауссова пучка с качеством пучка М≤1.1, которая отвечает качеству пучка М=5.0. Таким образом, область применения СФП расширена для коррекции распределения интенсивности в лазерных пучках со степенью когерентности, незначительно меньшей степени когерентности одномодового Гауссова пучка с качеством пучка М≤1.1, качество пучка в которых отвечает значениям М≥2.0. Также показано, что подобная пластина может быть изготовлена с применением лазерной технологии, основанной на использовании метода обработки материала лазерно-индуцированной микроплазмой. Экспериментальным путем установлено, что при превышении глубины травления h, определяемой из соотношения, приведенного в формуле изобретения, более, чем на 5%, уровень снижения модуляции интенсивности незначителен.