Способ получения конвертера поляризации Российский патент 2024 года по МПК G02B5/30 C03C3/87 

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к записи конвертеров поляризации лазерного излучения и фазовых пластинок под действием фемтосекундных лазерных импульсов в объеме пористого стекла. Изобретение позволяет эффективно изготавливать конвертеры поляризации и фазовые пластины для преобразования или управления поляризацией излучения лазеров.

В последнее десятилетие значительный прогресс в области лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы, способствовал росту внимания к методу локальной лазерной модификации прозрачных материалов, который основан на чрезвычайно высокой интенсивности лазерного излучения, допускающего нелинейный механизм поглощения энергии. Гибкое управление параметрами лазерного излучения расширяет возможности применения лазеров в таких технологиях, как прецизионная лазерная резка, сверление и сварка, микроскопия и др. В частности, лазерные пучки с азимутальной или радиальной поляризацией или оптическими вихрями представляют большой интерес и оказались наиболее подходящими для прецизионной лазерной резки и сварки, технологии оптического пинцета.

Перспективной методикой изготовления преобразователей поляризации, которая сейчас активно развивается в коммерческом производстве, является прямая лазерная запись двулучепреломления формы в кварцевом стекле и некоторых других многокомпонентных стеклах [Сигаев В. Н. и др. Способ получения конвертера поляризации. Патент РФ 2640603 от 10.01.2018]. Фемтосекундные импульсы открыли возможность создавать в стекле анизотропные структуры, ориентация которых зависит от ориентации поляризации записывающего лазерного пучка. Это позволяет манипулировать пространственно-вариационными поляризационными состояниями и изготавливать поляризационные преобразователи в стабильной стеклянной матрице.

На сегодняшний день открыто несколько типов лазерно-индуцированных двулучепреломляющих модификаций в кварцевом стекле. Это структуры типа II - нанорешетки, структуры типа X, содержащие вытянутые нанопоры и структуры типа S, представляющие собой отдельные наноплоскости. Однако для формирования нанорешеток требуются десятки лазерных импульсов, причем нанорешетки имеют высокие потери на рассеяние. Структуры типа X [Lei Y. et al. Ultrafast laser nanostructuring in transparent materials for beam shaping and data storage //Optical Materials Express. - 2022. - Т. 12. - №. 9. - С. 3327-3355.] более прозрачны, но также требуют большого количества импульсов при невысоком значении максимально достижимого уровня фазового сдвига двулучепреломления. Структуры типа S [Lei Y. et al. High speed ultrafast laser anisotropic nanostructuring by energy deposition control via near-field enhancement //Optica. - 2021. - Т. 8. - №. 11. - С. 1365-1371.] имеют самую высокую скорость лазерной записи в кварцевом стекле, однако также как и структуры типа X, структуры типа S демонстрируют низкое максимальное значение фазового сдвига двулучепреломления.

Известно несколько методов получения пространственно-модулируемого света, включая контроль двулучепреломления с помощью жидких кристаллов [Zhizhong, Zhuang, et al. "Polarization controller using nematic liquid crystals" Optics Letters v. 24, 694, 1999] и селекцию поляризации внутри резонатора лазера [Ram Oron "The formation of laser beams with pure azimuthal or radial polarization" Applied Physics Letters v. 77, 3322, 2000], однако жидкие кристаллы имеют низкий порог разрушения, что существенно ограничивает область их применения.

Известен конвертер поляризации на базе матрицы полуволновых пластин [патент ЕР 0764858], который преобразует падающий свет с линейной поляризацией в свет с радиальной поляризацией. Конвертер поляризации представляет собой матрицу полуволновых пластин, расположенных таким образом, что каждая пластина поворачивает поляризацию падающего пучка так, что на выходе получается радиально поляризованный свет. Однако изготовление такого типа конвертера трудоемко и дорого из-за необходимости использования множества фазовых пластин.

Известен конвертер поляризации, основанный на использовании механического или термического воздействия на оптический элемент конвертера [US 2007115551]. Данное устройство позволяет преобразовывать однородно поляризованный свет в пространственно неоднородно поляризованный свет, ориентация быстрой оси которого плавно и непрерывно меняется в плоскости, перпендикулярной распространению света. Действие конвертера основано на двулучепреломлении, возникающем из-за напряжений в результате механического или термического воздействия. Конвертер представляет собой оптически прозрачное окно, заключенное в оправу. Таким образом, механически сжимая оправу, можно навести двулучепреломление, величина которого будет зависеть от силы, прикладываемой к оправе. С другой стороны, термическое воздействие на оправу, например нагревание, также приводит к двулучепреломлению стекла за счет расширения материала оправы и, как следствие, давления на стекло. Применение подобной системы позволяет получать радиально и азимутально поляризованные световые волны из линейно поляризованного света, проходящего через конвертер поляризации, однако в данном случае требуется стабильное поддержание уровня фазового сдвига и его стабильное распределение.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения конвертера поляризации на основе нанорешеток [US 20140153097 05.06.2014 G02B 5/30], который может преобразовать падающий световой пучок с линейной или циркулярной поляризацией в выходной пучок с радиальной или азимутальной поляризацией. Способ получения конвертера состоит в модифицировании кварцевого стекла сфокусированным пучком фемтосекундного лазера, которое приводит к образованию периодических наноструктур - нанорешеток или случайно распределенных вытянутых нанопор. Нанорешетки или области с вытянутыми нанопорами обладают анизотропными свойствами, их двулучепреломление зависит от параметров лазерного пучка. При прохождении через такую структуру луч света разделяется на две взаимно ортогонально-поляризованные компоненты - обыкновенную и необыкновенную, между которыми возникает фазовый сдвиг, выражаемый в нм. Анизотропные структуры имеют медленную ось двулучепреломления, т.е. направление, вдоль которого показатель преломления для необыкновенного луча максимален. В работах [Shimotsuma, Yasuhio, et al. "Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses." Physical review letters 91.24 (2003): 247405, Beresna, Martynas, et al. "Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses." Applied Physics Letters 101.5 (2012): 053120.] отмечено, что ориентация медленной оси структуры перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера, т.е. двулучепреломление является поляризационно-контролируемым. Также установлено, что фазовый сдвиг записанной лазерным пучком структуры можно повысить путем увеличения количества или энергии лазерных импульсов. За счет возникновения фазового сдвига между "обыкновенной" и "необыкновенной" волнами, поляризация прошедшего через анизотропную структуру света меняется. Таким образом, контролируя величину фазового сдвига, можно управлять поляризацией света. Однако, для формирования структур типа II (нанорешеток) требуется несколько десятков лазерных импульсов и фазовый сдвиг двулучепреломления одного слоя из нанорешеток, как правило, ограничен значением в ~250 нм, что делает необходимой запись конвертера поляризации или фазовой пластины в несколько слоев. Увеличение числа двулучепреломляющих слоев приводит к увеличению потерь на рассеяние света у создаваемого оптического элемента. Структуры типа Х обладают сниженным светорассеянием, однако, в то же время и более низким уровнем фазового сдвига двулучепреломления. С другой стороны, для записи структур из вытянутых нанопор требуется более 100 импульсов на пятно, поэтому запись конвертера поляризации диаметром несколько мм для, например, лазера, излучающего в ближнем ИК диапазоне, требует длительного времени - от нескольких часов до более суток. Это в свою очередь приводит к высокой стоимости конечного продукта.

Задачей настоящего изобретения является ускорение в несколько раз прямой лазерной записи в стекле областей с поляризационно-контролируемым двулучепреломлением, способных преобразовывать поляризацию лазерного излучения, и, следовательно, повышение эффективности технологии получения фазовых пластин или конвертеров поляризации лазерного излучения.

Указанный технический результат достигается способом получения конвертера поляризации, основанном на прямой лазерной записи анизотропных структур в стекле, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем стекла и движение сфокусированного пучка относительно диэлектрика по заданной траектории, синхронизированное с управлением поляризацией записывающего лазерного пучка для формирования необходимой геометрии и пространственной ориентации медленной оси двулучепреломелния конвертера. В качестве прозрачного диэлектрика используют пористое стекло, получаемое из стекла состава, мас. %: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ посредством наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С, а фемтосекундный лазер генерирует импульсы с длиной волны ближнего ИК диапазона, длительностью 180÷300 фс, с частотой следования 1÷200 кГц, энергией 400÷2500 нДж при перемещении лазерного пучка, сфокусированного линзой с числовой апертурой 0,1÷0,3, со скоростью 0,1÷100 мм/с, с шагом между треками записи, формирующими конвертер поляризации, 1 мкм.

Для прямой лазерной записи использовалась установка на основе фемтосекундного лазера Pharos SP (Light Conversion Ltd), генерирующего импульсы 1030 нм, длительностью 180÷300 фс, с частотой следования 1÷200 кГц, энергией 400÷2500 нДж, пучок которого фокусируют с помощью линзы с числовой апертурой 0,1÷0,3 в объем стекла и перемещают относительно со скоростью 0,1÷100 мм/с по заданной траектории. Расстояние между треками в записываемой траектории составляло 1 мкм для получения однородного распределения фазового сдвига двулучепреломления. Перемещение стекла относительно сфокусированного лазерного пучка происходило на прецизионном трехкоординатном трансляционном столе Aerotech и было синхронизировано с вращением поляризации. Стоит отметить, что вращение поляризации может осуществляться как механическим образом путем вращения полуволновой пластины, так и оптическим путем использования электрооптического модулятора. В последнем случае возможно достигать более высоких скоростей перемещения.

В качестве стекла используют нанопористое стекло, полученное путем кислотного травления промышленного натриевоборосиликатного стекла марки ДВ-1 с наведенной ликвационной структурой. Ликвационная структура в стекле марки ДВ-1 наводилась при температуре 520°С в течение 72 часов, а последующее травление производится в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С в течение не менее 3-х суток. Распределение пор по размерам, измеренное методом адсорбции-десорбции азота, приведено на Фиг. 1, где ось х соответствует диаметру пор, а другая ось соответствует дифференциальному измерению объема пор. Спектр пропускания пластины пористого стекла приведен на Фиг. 2, где ось х соответствует длине волны света, а другая ось соответствует коэффициенту поглощения в см^-1.

Для измерения и калибровки фазового сдвига двулучепреломления записываются на выбранном режиме фазовые пластины в виде квадратов размеров 300х300 мкм. Методика измерения по двум снятым спектрам пропускания записанных пластин в скрещенных и параллельных поляризаторах при ориентации медленной оси фазовых пластин под 45° к осям поляризаторов [Messaadi A. et al. Optical system for measuring the spectral retardance function in an extended range J. Eur. Opt. Soc.-Rapid Publ. 12. pp. 1-9. (2016)]. Измерения проводились с помощью поляризационного микроскопа Olympus BX61 с приставкой микроанализа двулучепреломления, а также поляризационного микроскопа Olympus BX51, соединенного со спектрометрами видимого Ocean Optics USB2000 и ближнего ИК диапазона Yokogawa AQ6370D. Величина фазового сдвига двулучепреломления может быть подстроена под заданное значение, т.к. зависит от числа импульсов на пятно, определяемое скоростью перемещения образца и частотой следования лазерных импульсов, и энергии лазерных импульсов. Карта зависимости фазового сдвига от скорости записи и энергии импульса показана на Фиг. 3.

Пример 1:

Получено пористое стекло из промышленного стекла марки ДВ-1 состава, мас. %: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ по средствам наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С. Далее в полученном стекле при помощи фемтосекундного лазерного пучка производили запись однослойной фазовой пластины путем штриховки с шагом 1 мкм со следующими параметрами записи: длительность импульса - 180 фс, частота повторения - 1 кГц, энергия импульса - 2500 нДж, скорость сканирования - 0,1 мм/с. Лазерный пучок фокусировали в объем пористого стекла линзой с числовой апертурой 0,3 на глубину 200 мкм. Средний фазовый сдвиг двулучепреломления записанной пластины составил 250 нм на длине волны 1030 нм. Видно, что получаемая фазовая пластинка дает уровень среднего фазового сдвига двулучепреломления сопоставимого с аналогами, соответственно скорость записи увеличивается в два раза за счет уменьшения требуемых слоев до одного.

Пример 2:

Получено пористое стекло из промышленного стекла марки ДВ-1 состава, мас. %: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ по средствам наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С. Далее в полученном стекле при помощи фемтосекундного лазерного пучка производили запись однослойной фазовой пластины путем штриховки с шагом 1 мкм со следующими параметрами записи: длительность импульса - 300 фс, частота повторения - 200 кГц, энергия импульса - 400 нДж, скорость сканирования - 100 мм/с. Лазерный пучок фокусировали в объем пористого стекла линзой с числовой апертурой 0,1 на глубину 200 мкм. Средний фазовый сдвиг двулучепреломления записанной пластины составил 456 нм на длине волны 1030 нм. Видно, что получаемая фазовая пластинка дает уровень среднего фазового сдвига двулучепреломления сопоставимого с аналогами, соответственно скорость записи увеличивается в два раза за счет уменьшения требуемых слоев до одного.

Пример 3:

Получено пористое стекло из промышленного стекла марки ДВ-1 состава, мас. %: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ по средствам наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С. Далее в полученном стекле при помощи фемтосекундного лазерного пучка производили запись однослойной фазовой пластины путем штриховки с шагом 1 мкм со следующими параметрами записи: длительность импульса - 180 фс, частота повторения - 100 кГц, энергия импульса - 1800 нДж, скорость сканирования - 100 мм/с. Лазерный пучок фокусировали в объем пористого стекла линзой с числовой апертурой 0,16 на глубину 200 мкм. Средний фазовый сдвиг двулучепреломления записанной пластины составил 856 нм на длине волны 1030 нм. Видно, что получаемая фазовая пластинка дает уровень среднего фазового сдвига двулучепреломления сопоставимого с аналогами, соответственно скорость записи увеличивается в два раза за счет уменьшения требуемых слоев до одного.

Пример 4:

Получено пористое стекло из промышленного стекла марки ДВ-1 состава, мас. %: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ по средствам наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С. Далее в полученном стекле при помощи фемтосекундного лазерного пучка производили запись однослойного конвертера поляризации диаметром 4 мм путем перемещения пластины стекла по спиралевидной траектории с шагом между витками спирали 1 мкм и синхронизированным вращением поляризации лазерного излучения (при полном обороте образца, поляризация вращается на 180°). Параметры записи были настроены следующим образом длительность импульса - 180 фс, частота повторения - 10 кГц, энергия импульса - 800 нДж, скорость сканирования - 4 мм/с. Лазерный пучок фокусировали в объем пористого стекла линзой с числовой апертурой 0,16 на глубину 200 мкм. Средний фазовый сдвиг двулучепреломления записанного конвертера поляризации составил 320 нм на длине волны 632 нм. Карта ориентации медленной оси двулучепреломления записанного конвертера из линейной поляризации в азимутальную или радиальную приведена на Фиг. 4.

Видно, что получаемый конвертер поляризации дает уровень среднего фазового сдвига двулучепреломления сопоставимого с аналогами, соответственно скорость записи увеличивается в два раза за счет уменьшения требуемых слоев до одного.

Пример 5:

Получено пористое стекло из промышленного стекла марки ДВ-1 состава, мас. %: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ по средствам наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3 молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С. Далее в полученном стекле при помощи фемтосекундного лазерного пучка производили запись однослойного конвертера поляризации диаметром 6 мм путем перемещения пластины стекла по спиралевидной траектории с шагом между витками спирали 1 мкм и синхронизированным вращением поляризации лазерного излучения (при полном обороте образца, поляризация вращается на 180°). Параметры записи были настроены следующим образом длительность импульса - 180 фс, частота повторения - 100 кГц, энергия импульса - 690 нДж, скорость сканирования - 6 мм/с. Лазерный пучок фокусировали в объем пористого стекла линзой с числовой апертурой 0,16 на глубину 200 мкм. Средний фазовый сдвиг двулучепреломления записанного конвертера поляризации составил 520 нм на длине волны 1030 нм. Время Профиль интенсивности лазерного пучка с длиной волны 1030 нм до и после прохождения записанного конвертера поляризации приведен на Фиг. 5 и демонстрирует успешное преобразование линейной поляризации пучка в радиальную. Видно, что получаемый конвертер поляризации дает уровень среднего фазового сдвига двулучепреломления сопоставимого с аналогами, соответственно скорость записи увеличивается в два раза за счет уменьшения требуемых слоев до одного.

Выводы

Таким образом, заявляемые параметры записи при использовании пористого стекла в качестве матрицы оптического элемента позволяет в два и более раз ускорить процесс изготовления конвертера поляризации или фазовой пластины для излучения видимого или ближнего ИК диапазона. Это достигается за счет уникальной пористой структуры стекла, которая наиболее благоприятным образом подготовлена для лазерной записи и позволяет в сравнении со случаем использования кварцевого или многокомпонентного стекла увеличить скорость записи - либо её непосредственную величину, либо за счет реализации высокого фазового сдвига двулучепреломления, т.е. уменьшения количества двулучепреломляющих слоев, необходимых для достижения заданной силы двулучепреломления фазового элемента.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, к конвертерам поляризации и фазовым пластинкам. Способ получения конвертера поляризации заключается в прямой лазерной записи анизотропных структур в стекле, включает фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем стекла и движение сфокусированного пучка относительно диэлектрика по заданной траектории, синхронизированное с управлением поляризацией записывающего лазерного пучка для формирования необходимой геометрии и пространственной ориентации медленной оси двулучепреломелния конвертера. В качестве прозрачного диэлектрика используют пористое стекло, получаемое из стекла состава, мас.%: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ посредством наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3-молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С, а лазер генерирует импульсы с длиной волны ближнего ИК диапазона длительностью 180÷300 фс, с частотой следования 1-200 кГц, энергией 400-2500 нДж при перемещении лазерного пучка, сфокусированного линзой с числовой апертурой 0,1-0,3, со скоростью 0,1-100 мм/с, с шагом между треками записи, формирующими конвертер поляризации, 1 мкм. Технический результат – повышение скорости записи фазовых пластин или конвертеров поляризации. 5 ил.

Способ получения конвертера поляризации, основанный на прямой лазерной записи анизотропных структур в стекле, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем стекла и движение сфокусированного пучка относительно диэлектрика по заданной траектории, синхронизированное с управлением поляризацией записывающего лазерного пучка для формирования необходимой геометрии и пространственной ориентации медленной оси двулучепреломелния конвертера, отличающийся тем, что в качестве прозрачного диэлектрика используют пористое стекло, получаемое из стекла состава, мас.%: 66 SiO₂; 26,7 B₂O₃; 6,8 Na₂O; 0,5 As₂O₃ посредством наведения метастабильной ликвационной структуры при температуре 520°С в течение 72 часов с последующим травлением в 3-молярном растворе соляной кислоты при температуре 50°С, а фемтосекундный лазер генерирует импульсы с длиной волны ближнего ИК диапазона длительностью 180-300 фс, с частотой следования 1-200 кГц, энергией 400-2500 нДж при перемещении лазерного пучка, сфокусированного линзой с числовой апертурой 0,1-0,3, со скоростью сканирования 0,1-100 мм/с, с шагом между треками записи, формирующими конвертер поляризации, 1 мкм.