KR20220148321A - 연속 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법, 생성 방법을 수행하기 위한 장치, 및 연속 회절 광학 소자 - Google Patents

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라이니쉐 프리드리히-빌헬름스-유니베르지탯트 본
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Abstract

본 발명은 적어도 100㎚의 제1 파장(λ1)의 레이저 빔의 빔 성형을 위한 회절 광학 소자(10)를 생성하기 위한 방법에 관한 것이고, 방법은, - 레이저 미러(12)를 제공하는 단계로서, 레이저 미러(12)가 기판(14) 및 유전체 물질층(18) 및 임의로 흡수층(16)으로 이루어진 층 구조를 갖고, 유전체 물질층(18)이 기판(14)과 인접하거나 또는 흡수층(16)이 기판(14)과 유전체 물질층(18) 사이에 위치되는, 레이저 미러를 제공하는 단계, 및 - 제2 파장(λ2)의 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 레이저 미러(12)를 처리함으로써 유전체 물질층(18)에 복수의 돌출부(24)를 생성하는 단계로서, 복수의 돌출부(24)가 유전체 물질층(18)과 수직인 높이(32)를 갖고 적어도 하나의 돌출부가 제1 파장(λ1)의 적어도 절반의 높이(32)를 갖는, 복수의 돌출부를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

연속 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법, 생성 방법을 수행하기 위한 장치, 및 연속 회절 광학 소자
본 발명은 제1 파장을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위한 연속 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.
게다가, 본 발명은 위의 방법을 수행하기 위한 장치 및 연속 회절 광학 소자에 관한 것이다.
약칭 DOE인 회절 광학 소자는 레이저 빔의 빔 성형, 즉, 전파 방향에 수직인 레이저 빔 프로파일의 강도 분포의 표적 변화를 허용한다. 빔을 성형하기 위해, DOE가 레이저 빔에 도입되고, DOE에서 상이한 광경로 길이로 인해 레이저 빔의 위상 변조가 발생하여, 간섭 패턴을 발생시킨다. 레이저 빔의 강도는 건설적이고 파괴적인 중첩에 의해 공간적으로 조절된다. 이 방식으로, 레이저 빔의 일반적인 가우시안 강도 프로파일은 표적 방식으로 변경될 수 있고, 예를 들어, 도넛 형상의 강도 프로파일로 변환될 수 있다.
종래 기술에 알려진 DOE는 레이저 리소그래피 및/또는 포토리소그래피에 의해 그리고 다양한 습식 및 건식 화학적 에칭 공정에 의해 미세구조체가 적용되는 유리 또는 플라스틱 기판이다. 예를 들어, 블레이즈드 격자(blased grating)는 미세구조체, 즉, 개별적인 격자 라인이 삼각형 톱니 형상의 단면을 갖는 광학 격자(optical grating)로서 적용될 수 있고, 그 결과 특정한 회절 순서에 대한 회절 효율이 최대화된다.
그러나, 높은 회절 효율을 갖는 DOE의 생성은 매우 복잡하다. 높은 회절 효율을 위해, 미세구조체가 가능한 한 연속적인 높이 프로파일을 가질 필요가 있으며, 이는 결국 매우 높은 기술적 제작 노력을 필요로 한다. 리소그래피 에칭 공정을 사용하는 제작 방법으로 인해, 높이 프로파일이 일반적으로 이산적인 수의 단차를 갖는 단차 프로파일에 의해 근사되며, 단차 수가 리소그래피 에칭 공정을 반복함으로써 증가되고, 따라서 높이 프로파일이 더 잘 근사된다. 다수의 단차를 가진 이러한 DOE는 다층 DOE로서 지칭된다. 그러나, 상기 공정으로 인해, 에칭 공정의 약 4회 반복 후, 제작 관련 부정확도가 증가되고 더 높은 회절 효율이 달성되지 못하므로, 단차의 수가 약 16개로 제한된다. 따라서 다층 DOE는 물리적으로 회절 효율이 약 98%로 제한된다.
게다가, 2-광자 중합에 의한 마스크가 없는 리소그래피 방법에 의해 생성되는 준연속 DOE가 종래 기술로부터 알려져 있다. 이러한 목적을 위해 기판에 적용된 폴리머는 일반적으로 레이저 방사선에 의해 직접적으로 구조화된다. 준연속 DOE는 50개 초과의 단계에 해당하는 회절 효율을 갖는다. 그러나, 이러한 준연속 DOE의 사용은, 폴리머의 낮은 열손상 문턱값으로 인해 고출력 레이저에서 사용하는 데 적합하지 않기 때문에 제한된다.
공보 [Smjuk, A.Y., Lawandy, N.M.: Direct laser writing of diffractive optics in glass. Opt. Lett., 1997, Vol. 22, No. 13, pp. 1030-1032]는 저출력 레이저 및 열팽창 공정에 의해 반도체로 도핑된 유리로부터 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법을 설명한다.
공보 [Shore, B.W. et al.: Design of high-efficiency dielectric reflection gratings, J. Opt. Soc. Am. A, 1997, Vol. 14, No. 5, pp. 1124-1136]는 투과 격자와 반사 격자 간의 관계에 관해 논평하는, 순수한 유전체 반사 격자를 위한 설계의 예를 설명한다. 게다가, 하프늄 및 실리카 다층을 사용하여 생성되는 고효율(95%) 격자의 예가 설명된다.
문서 제US 2009/0 273 772 A1호는 기판 상에 제공된 반사층 및 반사광, 반사층 상에 제공된 흡수층 및 흡수광, 흡수층의 제1 구역에 형성된 장치 패턴, 및 흡수층의 제2 구역에 형성된 반사율 측정 패턴을 포함하는 광반사 마스크를 설명한다.
따라서, 본 발명의 목적은 DOE, 이러한 DOE를 생성하기 위한 방법, 및 생성 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이고, DOE는 높은 회절 효율을 갖고 고출력 레이저의 빔 성형의 사용에 적합하다.
이 목적은 특허 독립 청구항의 특징부에 의해 달성된다. 바람직한 개선예는 종속 청구항에서 발견된다.
본 발명은 적어도 100㎚의 제1 파장을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위한 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법에 관한 것이고, 방법은,
- 레이저 미러를 제공하는 단계로서, 레이저 미러가 기판, 유전체층 및 임의로 흡수층으로 이루어진 층 구조를 갖고, 유전체층이 기판 옆에 놓이거나 또는 흡수층이 기판과 유전체층 사이에 위치되는, 레이저 미러를 제공하는 단계,
- 제2 파장을 가진 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리함으로써 유전체층의 복수의 돌출부를 생성하는 단계로서, 복수의 돌출부가 유전체층과 수직인 높이를 갖고, 적어도 하나의 돌출부가 제1 파장의 적어도 절반의 높이를 갖는, 복수의 돌출부를 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 핵심은 연속 DOE가 표적 가열에 의해 레이저 미러에 돌출부를 생성함으로써 생성된다는 사실이다. 이 방법은 DOE가 2500 초과의 단계의 수에 대응할 수 있는, 준연속 DOE의 생성 정확도로 변환되는, 매우 높은 회절 효율로 생성되게 한다. 방법에 의해 생성되는 DOE 및 제공되는 레이저 미러가 기판, 임의의 흡수층 및 유전체층을 포함하고, 이들 전부가 바람직하게는 서로 평행하고, 유전체층이 기판 옆에 놓이거나 또는 흡수층의 존재 시, 흡수층이 기판과 유전체층 사이에 배열된다. 특히, 유전체층의 밑면 또는 흡수층의 밑면이 기판의 상부면과 인접한다는 것이 제공된다. 흡수층이 존재할 때, 흡수층의 상부면이 유전체층의 밑면과 인접한다는 것이 더 바람직하게 제공된다. 즉, 유전체층의 상부면은 DOE의 상부면 또는 레이저 미러의 상부면에 대응한다.
미세구조체가 물질을 추가함으로써 그리고/또는 물질을 제거함으로써 생성되고 DOE가 생성되는, 종래 기술에 알려진 방법과 대조적으로, 본 방법은 미세구조화가 레이저 미러의 유전체층의 복수의 돌출부를 생성함으로써 발생한다는 것을 제공한다. 따라서, 제2 파장을 가진 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리한 후, 매우 높은 회절 효율로 DOE를 생성하기 위해 부가적인 물질의 층을 적용하고/하거나 물질의 층을 제거하는 것이 필요하지 않다. 즉, DOE는 기판 및 유전체층을 자체 포함하는 레이저 미러를 제공함으로써 그리고 이어서 집중된 가열 레이저 빔으로 직접적으로 레이저 미러를 처리함으로써 그리고 따라서 물질을 추가하고/하거나 제거하는 일 없이 생성된다. 종래 기술의 방법과 대조적으로, 시간 소모적인 리소그래피 및/또는 코팅 공정이 본 발명에 따른 방법에서 방지된다.
방법에서, 돌출부가 유전체층에 생성되고, 이는 유전체층의 표면의 미세구조화를 발생시킨다. 이것은 특히 유전체층의 표면이 방법 후 평평해지지 않지만, 방법 전과는 상이한 높이를 가진 국부적 구역을 갖는다는 것을 의미한다. 돌출부의 높이는 국부적 구역 주위의 구역에 비해 유전체층과 수직인 돌출부의 정도를 나타낸다. 돌출부는 바람직하게는 회전 대칭이고, 돌출부의 회전축은 흡수층과 수직이다. 예를 들어, 돌출부는 흡수층과 평행한 평면 상에서 돌출될 때 원형이다. 회전 대칭인 돌출부에 대해, 회전 대칭인 돌출부의 절반 최대에서 전체 폭은 더 바람직하게는 6㎛ 초과가 아니다.
적어도 하나의 돌출부가 제1 파장의 적어도 절반의 높이를 가질 때 DOE에 의한 빔 성형만이 가능하기 때문에, 돌출부의 높이는 제1 파장을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위한 DOE의 사용에 영향을 준다. 방법은 적어도 100㎚의 제1 파장을 가진 레이저 빔을 성형하는 데 적합한 DOE를 생성하는 것을 가능하게 한다. 즉, 이것은 적어도 하나의 돌출부가 50㎚ 초과의 높이를 갖는다는 것을 의미한다.
방법은 돌출부가 가열 레이저 빔에 의한 처리에 의해 표적 방식으로 생성될 수 있고, 한편으로는, 돌출부의 높이 및 유전체층과 평행한 평면과 관련하여 돌출부의 위치가 제어될 수 있다는 이점을 갖는다. 방법은 상이한 높이를 가진 돌출부를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 높이 분해능은 적어도 0.5㎚이다. 특히, 높이 분해능은 적어도 0.1㎚이다. 즉, 방법은 구조화로서 매우 미세하게 등급화된 프로파일의 생성을 허용한다. 따라서 이 방법은 2500 초과의 단계의 수에 대응하는, 준연속 DOE의 생성 정확도로 변환되는, 매우 높은 회절 효율을 가진 연속 DOE의 생성을 가능하게 한다.
회전 대칭인 돌출부의 경우에 절반 최대에서 전체 폭 및 돌출부의 높이에 관하여, 유전체층의 지형학적 기록이 이 매개변수를 결정할 목적으로 미라우 간섭계(Mirau interferometer)에 의해 생성된다는 것이 바람직하게 제공된다: 미라우 간섭계는 짧은 간섭 길이를 가진 조명원, 바람직하게는 λ=530㎚의 중심 파장을 가진 녹색 LED, 이미지 획득(DCC1545M, Thorlabs)을 위한 카메라 및 미라우 현미경 대물렌즈(CF Plan 20× DI, Nikon)를 포함한다. 미라우 현미경 대물렌즈의 앞면은 바람직하게는 빔 스플리터의 역할을 하고, LED 광의 절반은 미라우 현미경 대물렌즈의 내부에서 기준 미러 상으로 다시 산란된다. 상기 LED 광의 절반은 우선적으로 간섭계의 기준 암을 통과한다. 앞면을 통해 투과되는 LED 광은 바람직하게는 DOE의 유전체층에 의해 다시 반사되고 기준 암의 LED 광과 오버레이된다. LED 광의 저간섭 길이에도 불구하고 간섭 패턴이 카메라에서 보이게 하기 위해, 간섭계 암 둘 다의 경로 길이는 바람직하게는 몇몇의 파동 트레인 외에 동일한 것으로 선택된다
Figure pct00001
. DOE의 유전체층의 지형은 압전 결정(시간 규모 ~ 초)을 사용하여 약 1㎛만큼 DOE를 천천히 변위시킴으로써 생성되고 반면에 간섭 이미지는 카메라를 사용하여 기록된다. 이어서, 바람직하게는 카메라의 각각의 픽셀(x = 1 내지 1000; y = 1 내지 1000)에 대해, 휘도 시퀀스가 저장된 기록(일반적으로 50개의 간섭 이미지)으로부터 생성된다. 함수(
Figure pct00002
)를 각 주파수(ω)로 조정함으로써, 위상(
Figure pct00003
)이 각각의 픽셀에 대해 결정될 수 있다. 이것이 바람직하게는 카메라의 모든 픽셀(x, y)에 대해 수행되어, 조정된 위상이 카메라 이미지의 임의의 위치에 입력될 수 있는 위상 맵이 생성될 수 있다. 인접한 픽셀 간의 위상 점프는, 조정된 위상이 범위(0 내지 2π)로 제한되기 때문에, 위상 맵 내에서 발생할 수 있다. 위상 불연속성은 범위를 0을 넘어 2π까지 확장시킴으로써 해결(위상-펼침)될 수 있다. 이어서 위상 맵에서 위상(
Figure pct00004
)은 다음의 식에 의해 높이(h(x, y))ㄹ 변환될 수 있다:
Figure pct00005
DOE의 유전체층의 지형학적 맵이 이 방식으로 생성된다. 돌출부를 갖지 않는 지형학적 맵의 구역은 바람직하게는 기준 높이를 0으로 설정하기 위해 돌출부의 높이를 결정하도록 사용된다. 이어서 유전체층의 지형학적 맵의 데이터 포인트는 바람직하게는 함수를 돌출부를 가진 구역으로 조정하도록 사용되고, 함수는 돌출부의 높이 프로파일에 대응한다. 2차원 가우시안 함수가 바람직하게는 회전 대칭인 돌출부에 대해 피팅된다. 더 바람직하게는, 돌출부의 높이 및 돌출부의 절반 최대에서 전체 폭이 조정된 함수를 통해 결정된다.
바람직한 개선예는, 제공된 레이저 미러가 제1 파장의 레이저 광을 반사시키는 데 적합하다는 것을 제공한다. 방법의 제1 단계에서 제공되고 DOE의 블랭크를 사실상 나타내는 레이저 미러는 바람직하게는 제1 파장을 가진 레이저 빔을 반사시키기 위한 고도로 반사성 레이저 미러이다. 이 맥락에서, 고도로 반사성은, 레이저 미러가 제1 파장에 대해 99% 초과의 반사도를 갖는다는 것을 의미한다. 특히, 이미 코팅된 유전체 레이저 미러가 사용될 수 있다는 것이 제공된다. 100㎚ 초과의 제1 파장을 가진 레이저 광을 반사시키는 데 적합한 레이저 미러가 더 바람직하게 제공된다. 고출력 레이저의 빔 성형을 위한 DOE의 사용에 관하여, 레이저 미러가 100W/㎝ 초과의 출력으로 레이저 광을 반사시키는 데 적합하다는 것이 더 바람직하게 제공된다. 이것은 또한 레이저 미러가 바람직하게는 적어도 0.5J/㎠의 높은 손상 문턱값을 갖고 수 피코초, 즉, 1 내지 30㎰의 펄스 기간을 갖는다는 것을 의미한다.
이 맥락에서, 본 발명의 바람직한 개선예에 따르면, 제공된 레이저 미러와 회절 광학 소자가 제1 파장에 대해 T ≤ 10-2의 투과를 갖는다는 것이 제공된다. 특히, 방법은 유전체층이 고도로 반사성 특성을 유지하도록 돌출부가 생성된다는 것을 제공한다. 이것은 또한 유전체층이 제2 파장을 가진 일련의 집중된 가열 레이저 빔에 의한 레이저 미러의 처리에 의해 파괴되지 않는다는 것을 의미한다. 투과는 바람직하게는 전력 조정된 광다이오드를 사용하여, 회절 광학 소자의 앞과 뒤에서, 제1 파장의 레이저의 출력을 측정함으로써 결정된다.
본 발명의 바람직한 개선예는, 흡수층이 규소 또는 금으로 이루어지고/지거나 기판이 유리, CaF2, MgF2 또는 사파이어로 이루어지고/지거나 유전체층이 SiO2, Ta2O5, TiO2, HfO2, Al2O3, MgF2, LaF3 및/또는 ZrO2로 이루어지는 것을 제공한다. 흡수층의 규소는 특히 바람직하게는 비정질 규소이다. 기판이 고출력 레이저 빔의 성형을 가능하게 하기 위해 석영 유리로 이루어지는 것이 또한 바람직하게 제공된다. 유전체층이 상이한 물질의 복수의 층을 포함하는 것이 또한 바람직하게 제공되고, 제1 물질은 제1 파장과 관련된 고굴절률을 갖고 제2 물질은 제1 파장과 관련된 저굴절률을 갖는다. 유전체층이 고굴절률 물질과 저굴절률 물질의 교번하는 층으로 이루어지는 것이 또한 바람직하게 제공된다. 특히, 제1 파장을 가진 레이저 빔이 유전체층에서 반사되도록 유전체층이 설계된다는 것이 제공된다. 즉, 이것은 제1 파장에 대한 유전체층의 반사도가 제공된 레이저 미러에 대해 그리고 방법에 의해 생성되는 DOE에 대해 99% 초과라는 것을 의미한다.
돌출부의 생성과 관련하여, 방법은, 레이저 미러가 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때, 가열 레이저 빔으로부터 유전체층의 용적으로 또는 레이저 미러의 흡수층의 용적으로의 입열량(heat input)이 적어도 30kJ/㎤이라는 것을 제공한다. 이것은 특히 간단한 방식으로 50㎚ 초과의 높이를 가진 돌출부를 생성하는 것을 가능하게 한다.
돌출부의 높이와 관련하여, 방법은 돌출부의 높이가 흡수층으로 그리고/또는 유전체층으로 용적당 가열 레이저 빔의 입열량에 의해 영향받을 수 있다는 것을 제공한다. 바람직한 개선예는, 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리할 때, 제2 파장, 가열 레이저 빔의 출력, 가열 레이저 빔의 집중, 가열 기간, 레이저 미러의 흡수층, 레이저 미러의 유전체층 및/또는 흡수층의 층 두께가 선택될 수 있어서 적어도 하나의 돌출부가 제1 파장의 적어도 절반의 높이를 갖는다는 것을 제공한다.
가열 레이저 빔의 입열량은 상이한 매개변수에 의해 제어될 수 있다. 가열 레이저 빔의 파장, 즉, 제2 파장과 흡수층 및/또는 유전체층의 흡수 스펙트럼은 바람직하게는 서로 매칭된다. 이것은 가열 레이저 빔의 일부가 흡수층 및/또는 유전체층에 의해 흡수되는 것을 보장한다.
이 맥락에서, 바람직한 개선예는, 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리할 때, 제2 파장이 200 내지 700㎚이고 레이저 미러의 흡수층이 규소로 이루어지거나 또는 제2 파장이 200 내지 2000㎚이고 레이저 미러의 흡수층이 금으로 이루어지고/지거나 제2 파장이 100 내지 2000㎚인 것을 제공한다. 50㎚ 초과의 높이를 가진 돌출부는 가열 레이저 빔의 파장과 흡수층의 이 조합에 의해 매우 신뢰할 수 있게 생성될 수 있다. 흡수층이 생략된다면, 100 내지 400㎚의 범위 내 제2 파장을 가진 UV 레이저는 바람직하게는 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리하기 위해 사용된다.
이미 언급된 바와 같이, 흡수층 및/또는 유전체층으로 용적당 가열 레이저 빔의 입열량은 가열 레이저 빔의 출력에 의해 영향받을 수 있다. 이 점에서, 바람직한 개선예에 따르면, 레이저 미러가 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때, 가열 레이저 빔의 출력은 적어도 10㎽이다. 출력은 특히 바람직하게는 10 내지 1000㎽이다.
레이저 미러가 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때 가열 레이저 빔의 출력이 변경되는 것이 또한 바람직하게 제공된다. 이것은 돌출부의 높이를 변경하는 것을 쉽게 한다. 특히, 가열 레이저 빔의 출력을 변경함으로써, 상이한 높이를 가진 돌출부를 생성하고 적어도 0.5㎚의 높이 분해능을 생성하는 것이 특히 쉬워진다.
돌출부의 생성에 관하여, 바람직한 개선예는, 레이저 미러가 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때, 가열 레이저 빔이 레이저 미러의 기판을 통해 수직으로 흡수층 및/또는 유전체층과 부딪친다는 것을 제공한다. 즉, 이것은 레이저 미러의 배면이 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 조사된다는 것을 의미한다. 레이저 미러의 기판과 가열 레이저 빔의 파장, 즉, 제2 파장이 서로 매칭되어, 가열 레이저 빔이 기판에 의해 실질적으로 흡수되지 않는다는 것이 또한 바람직하게 제공된다.
이미 언급된 바와 같이, 흡수층 및/또는 유전체층으로 용적당 가열 레이저 빔의 입열량은 상이한 매개변수에 의해 제어될 수 있다. 이 맥락에서, 레이저 미러가 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때, 가열 레이저 빔이 절반 최대에서 최대로 5㎛의 전체 폭을 가진 흡수층 및/또는 유전체층에 집중된다는 것이 제공된다. 가열 레이저 빔이 1.8㎛ 이하의 전체 폭을 절반 최대에서 갖는다는 것이 특히 바람직하게 제공된다. 이것은 흡수층 및/또는 유전체층에 입열량을 국부적으로 생성하여, 유전체층의 돌출부가 또한 국부적인 것을 가능하게 한다. 특히, 이 집중을 사용하여 바람직하게는 3㎛ 또는 3㎛ 미만만큼 이격되는, 복수의 돌출부를 생성하는 것이 가능하다. 2개의 돌출부 사이의 거리는 바람직하게는 흡수층과 수직인 평면에서 2개의 돌출부의 피크 대 피크 거리와 관련된다.
본 발명의 더 바람직한 개선예는, 레이저가 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때, 가열 레이저 빔의 가열 기간이 1㎲ 내지 1㎳인 것을 제공한다. 이것은 50㎚ 초과의 높이를 가진 돌출부를 생성하는 데 특히 잘 적합한 것으로 입증되었다. 더 짧은 가열 기간은 제공된 레이저 미러의 파괴를 초래할 수 있다. 더 긴 가열 기간은 유전체층의 파괴를 초래할 수 있고, 이는 특히 DOE의 고도로 반사성 특성의 손실을 발생시킬 수 있다.
이미 언급된 매개변수, 즉, 제2 파장, 가열 레이저 빔의 출력, 가열 레이저 빔의 집중, 가열 기간, 레이저 미러의 임의의 흡수층 및 유전체층뿐만 아니라 흡수층의 층 두께가 돌출부의 높이에 영향을 준다. 흡수층의 층 두께는 연장부와 수직인 흡수층의 연장부를 나타낸다. 바람직한 개선예는 흡수층의 층 두께가 30㎚ 초과인 것을 제공한다. 흡수층의 층 두께는 특히 바람직하게는 40㎚ 초과이다. 이것은 흡수층으로 용적당 높은 입열량을 생성하는 것을 특히 쉽게 하여, 돌출부가 50㎚ 초과의 높이를 갖는다.
본 발명의 바람직한 개선예는, 레이저 미러가 적어도 0.25㎠의 면적에서 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 처리될 때, 복수의 돌출부 중 돌출부가 서로에 대해 격자 유사 방식으로 배열되게 생성되는 것을 제공한다. 돌출부의 격자 유사 배열은 바람직하게는 흡수층과 평행한 평면을 나타내고, 돌출부의 격자 유사 배열이 비스듬하게, 직사각형, 중심 직사각형, 육각형 또는 정사각형이 되는 것이 가능하다. 격자 유사 배열의 병진 대칭으로부터의 일탈이 또한 가능하다. 더 바람직하게는, 복수의 돌출부는 적어도 0.25㎠의 면적 위에 존재하고, 돌출부는 바람직하게는 3㎛ 또는 3㎛ 미만만큼 이격된다. 2개의 돌출부 사이의 거리는 바람직하게는 흡수층과 수직인 평면에서 2개의 돌출부의 피크 대 피크 거리와 관련된다.
원칙적으로, 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리할 때, 가열 레이저 빔이 처리 동안 2차원으로 편향되고 레이저 미러가 이 시간 동안 변위되지 않는다는 것이 가능하다. 돌출부의 격자 유사 배열은 이 방식으로 신뢰할 수 있게 달성된다. 그러나, 방법의 바람직한 개선예는, 일련의 집중된 가열 레이저 빔으로 레이저 미러를 처리할 때, 레이저 미러가 가열 레이저 빔과 수직인 변위 방향을 따른 처리 동안 변위되고 가열 레이저 빔이 처리 동안 변위 방향과 수직으로 편향된다는 것을 제공한다. 이것은 특히 신속하고 정밀한 방식으로 DOE를 생성하는 것을 가능하게 하고, 이의 유전체층은 적어도 0.25㎠의 면적 위에서 서로에 대해 격자 유사 방식으로 배열된 복수의 돌출부를 갖는다. 게다가, 이것은, 복수의 돌출부 중 돌출부가 바람직하게는 3㎛ 또는 3㎛ 미만만큼 서로 이격되도록 필요한 정밀도를 발생시킨다. 처리 동안 가열 레이저 빔과 수직인 변위 방향을 따라 레이저 미러를 변위시키고 처리 동안 변위 방향과 수직으로 가열 레이저 빔을 편향시킴으로써, 복수의 돌출부는 60분 미만 내에 0.25㎠의 면적 상에 생성될 수 있다.
DOE를 생성하기 위한 방법의 추가의 이점 및 기술적 특징은 DOE의 설명, 방법을 수행하기 위한 장치의 설명 및 예시적인 실시형태의 설명으로부터 당업자에게 제공된다.
게다가, 본 발명은 적어도 100㎚의 제1 파장을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위한 회절 광학 소자(DOE)에 관한 것이고, 회절 광학 소자가 기판, 임의로 흡수층 및 유전체층으로 이루어진 층 구조를 갖고, 유전체층이 기판과 인접하거나 또는 흡수층이 기판과 유전체층 사이에 위치되고, 유전체층이 복수의 돌출부를 갖고, 돌출부가 유전체층과 수직인 높이를 갖고, 적어도 하나의 돌출부가 제1 파장의 절반 초과의 높이를 갖는다.
따라서 본 발명의 핵심은 레이저 빔의 빔 성형을 위해 필요한 상이한 광경로 길이가 유전체층의 돌출부에 의해 DOE에서 구현된다는 사실이다. 따라서 2500개 초과의 단계의 수에 대응할 수 있는, 준연속 DOE의 제작 정확도로 변환되는, 매우 높은 회절 효율이 달성될 수 있다. DOE의 적어도 하나의 돌출부의 높이가 50㎚ 초과인 것이 바람직하게 제공된다. 따라서 DOE는 100㎚ 초과인 제1 파장을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위해 바람직하게 적합하다. 게다가, 돌출부가 유전체층과 수직인 평면과 관련하여 가우시안 성형되고 절반 최대에서 적어도 2㎛의 전체 폭을 갖는다는 것이 바람직하게 제공된다. 더 바람직하게는, 절반 최대에서 전체 폭은 6㎛ 초과가 아니다.
특히, DOE는 반사성 DOE이다. 이것은 제1 파장을 가진 레이저 빔의 빔 성형이 회절 광학 소자 상의 레이저 빔의 반사에 의해 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 빔이 DOE(투과성 DOE)를 통한 레이저 빔의 투과에 의해 형성되는 DOE와 대조적으로, 이것은 바람직하게는 레이저 빔이 반사되는 DOE이다. 이것은 투과성 DOE와 대조적으로, 저흡수 손실만이 있고 고효율이 가능하다는 이점을 갖는다.
게다가, 본 발명은 위의 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이고, 장치는 제2 파장을 가진 가열 레이저 빔을 생성하기 위한 가열 레이저, 레이저 미러를 제공하기 위한 레이저 미러 포지셔닝 장치, 레이저 미러 상에 가열 레이저 빔을 집중시키기 위한 집중 장치, 편향 장치 및 제어기를 포함하고, 레이저 미러 포지셔닝 장치는 레이저 미러를 변위 방향으로 변위시키도록 설계되고, 편향 장치는 가열 레이저 빔을 변위 방향과 수직으로 편향시키도록 설계되고, 제어기는 가열 레이저, 편향 장치 및 레이저 미러 포지셔닝 장치를 작동시키도록 설계된다. 특히, 편향 장치가 가열 레이저 빔을 하나의 방향으로 편향시키도록 설계된다는 것이 제공된다. 즉, 편향 장치는 바람직하게는 1차원 편향 장치이다. 상기 편향 장치는 이들이 큰 정밀도 및 속도로 매우 큰 편향각을 설정할 수 있다는 이점을 갖는다. 장치에 의해 돌출부의 격자 유사 배열을 생성할 수 있기 위해, 레이저 미러가 변위 방향으로 변위될 수 있도록 레이저 미러 포지셔닝 장치가 설계된다는 것이 제공된다. 레이저 미러 포지셔닝 장치는 바람직하게는 나노미터 분해능을 가진 컴퓨터 제어식 포지셔닝 스테이지이다.
회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법, 회절 광학 소자 및 방법을 수행하기 위한 장치의 추가의 이점 및 기술적 특징에 관하여, 도면과 추가의 설명을 참조한다.
본 발명은 바람직한 실시형태 실시예를 사용하여 도면을 참조하여 실시예로서 아래에 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법의 개략도 및 회절 광학 소자의 단면도; 및
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법을 수행하기 위한 개략적인 장치를 도시하는 도면.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 회절 광학 소자(10), 축약하여 DOE(10)를 생성하기 위한 방법의 개략도, 및 DOE(10)의 단면도를 도시한다. 방법은 2개의 단계를 제공하고, 레이저 미러(12)는 제1 단계에서 DOE(10)를 위한 블랭크로서 제공된다. 레이저 미러(12)는 제1 파장(λ1)을 가진 레이저 빔을 반사시키는 데 적합하다. 본 경우에, 이것은 532㎚의 파장(λ1)을 가진 레이저 빔, 즉, 녹색 파장 범위 내 레이저 광을 반사시키기 위한 레이저 미러(12)이다. 게다가, 레이저 미러(12)는 고출력 레이저를 위해 적합하고 높은 손상 문턱값을 갖는다. 이 실시형태 실시예에서, 레이저 미러(12)는 기판(14), 흡수층(16) 및 유전체층(18)으로 이루어진 층 구조를 갖는다. 본 경우에 모든 3개의 층(14, 16, 18)은 서로 평행하고, 흡수층(16)은 기판(14)과 유전체층(18) 사이에 배열된다. 유전체층(18)은 결국 교번하여 적층되는 2개의 상이한 물질로 이루어진 복수의 물질층(20, 22)을 포함하고, 제1 물질은 제1 파장(λ1)과 관련된 고굴절률을 갖고 제2 물질은 제1 파장(λ1)과 관련된 저굴절률을 갖는다.
유전체층(18)의 돌출부(24)는 DOE(10)를 생성하기 위한 방법의 제2 단계에서 생성된다. 본 명세서에서 바람직한 실시형태 실시예에서, 상기 돌출부는 유전체층(18)과 흡수층(16) 사이의 계면에서 생성되는 회전 대칭인 돌출부이다. 회전 대칭인 돌출부(24)의 회전축(26)은 흡수층(16)과 수직이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 경우에, 유전체층(18)은 돌출부(24)에서 흡수층(16) 옆에 놓이지 않지만 돌출부(24)에서 흡수층(16)으로부터 탈착된다. 공동부(28)는 유전체층(18)과 흡수층(16) 사이의 돌출부(24)에 위치된다. 돌출부(24)는 흡수층(16)과 수직인 평면을 따라 돌출부(24)를 통한 단면의 상기 평면과 관련하여 가우시안 형상을 갖는다.
본 명세서에서 바람직한 실시형태 실시예에서, 레이저 미러(12) 따라서 또한 DOE(10)의 기판(14)은 석영 유리로 이루어지고 흡수층(16)은 비정질 규소로 이루어진다. 게다가, 본 경우에 흡수층의 층 두께(30)는 40㎚이다. 층 두께(30)는 연장부와 수직인 흡수층(28)의 치수를 나타낸다.
유전체층(18)의 돌출부(24)는 제2 파장(λ2)을 가진 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)(도 2에만 도시됨)으로 레이저 미러(12)를 처리함으로써 생성되고, 레이저 미러(12)의 흡수층(16)의 용적으로 가열 레이저 빔(38)의 입열량(54)은 30kJ/㎤ 초과이다. 따라서 생성되는 돌출부(24) 중 적어도 하나의 돌출부(24)는 제1 파장(λ1)의 적어도 절반의 높이(32)를 갖는다. 따라서 본 경우는 적어도 266㎚의 높이(32)를 가진 적어도 하나의 돌출부(24)를 갖는다.
도 2는 DOE(10)를 생성하기 위한 방법을 수행하기 위한 장치(34)를 개략적으로 도시한다. 장치(34)는 제2 파장(λ2)을 가진 가열 레이저 빔(38)을 생성하기 위한 가열 레이저(36), 가열 레이저 빔(38)을 집중시키기 위한 집중 장치(40), 레이저 미러 포지셔닝 장치(42) 및 제어기(44)를 포함한다. 본 명세서에서 바람직한 실시형태 실시예에서, 가열 레이저(36)는 532㎚의 제2 파장(λ2)을 생성한다. 장치(34)는 가열 레이저 빔(38)을 편향시키기 위한 편향 장치(46)를 더 포함한다. 본 경우에, 이것은 가열 레이저 빔(38)을 하나의 방향으로 편향시키도록 설계되는 1차원 갈보 스캐너(galvo scanner)(46)를 사용하여 구현된다. 도 2에서, 레이저 미러(12)로의 가열 레이저 빔(38)의 방향은 z-방향에 대응한다. 갈보 스캐너(46)는 가열 레이저 빔(38)이 x-방향으로 편향되게 한다. 게다가, 장치(34)는 가열 레이저 빔(38)의 강도 따라서 출력을 변경할 수 있는 음향-광변조기(52)를 포함한다.
장치에 의해 유전체층(18)의 돌출부(24)의 격자 유사 배열을 생성하기 위해, 레이저 미러 포지셔닝 장치(42)는 레이저 미러(12)가 변위될 수 있도록 설계된다. 본 명세서에서 레이저 미러(12)의 변위 방향은 가열 레이저 빔(38)의 방향과 수직이고 갈보 스캐너(46)의 편향 방향과 수직인, y-방향이다.
게다가, 제어기는 가열 레이저(36), 음향-광변조기(52), 편향 장치(46) 및 레이저 미러 포지셔닝 장치(42)를 작동시키도록 설계된다.
게다가, 본 명세서에서 바람직한 실시형태 실시예에서, 가열 레이저 빔(38)을 집중시키기 위한 집중 장치(40)는 공초점 현미경에 의해 구현된다. 공초점 현미경(fObjektiv = 2㎝; fTubus = f2 = 30㎝)은 흡수층(16)에 가열 레이저 빔(38)을 집중시킨다.
가열 레이저(36), 집중 장치(40), 레이저 미러 포지셔닝 장치(42) 및 편향 장치(46)가 미러(50) 및 렌즈(48)의 도움으로 서로에 대해 배열되어 가열 레이저 빔(38)이 레이저 미러의 흡수층(16)과 수직으로 부딪친다. 가열 레이저 빔(38)은 레이저 미러(12)의 배면과 부딪치고 기판(14)을 통해 흡수층(16)으로 관통한다. 가열 레이저 빔(38)의 흡수는 흡수층(16)에서 적어도 30kJ/㎤의 국부적 입열량(54)을 발생시키고, 이는 돌출부(24)의 형성을 발생시킨다.
10: 회절 광학 소자, DOE 12: 레이저 미러
14: 기판 16: 흡수층
18: 유전체층 20: 제1 물질로 이루어진 물질층
22: 제2 물질로 이루어진 물질층 24: 돌출부
26: 회전축 28: 공동부
30: 흡수층의 층 두께 32: 돌출부의 높이
34: 장치 36: 가열 레이저
38: 가열 레이저 빔 40: 집중 장치, 공초점 현미경
42: 레이저 미러 포지셔닝 장치, 포지셔닝 스테이지 44: 제어기
46: 편향 장치, 갈보 스캐너 48: 렌즈
50: 미러 52: 음향-광변조기
54: 입열량

Claims (13)

  1. 적어도 100㎚의 제1 파장(λ1)을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위한 회절 광학 소자(10)를 생성하기 위한 방법으로서,
    - 레이저 미러(12)를 제공하는 단계로서, 상기 레이저 미러(12)가 기판(14) 및 유전체층(18)으로 이루어진 층 구조를 갖고, 상기 유전체층(18)이 상기 기판(14) 옆에 놓이거나 또는 상기 레이저 미러(12)가 기판(14), 유전체층(18) 및 흡수층(16)으로 이루어진 층 구조를 갖고, 상기 흡수층(16)이 상기 기판(14)과 상기 유전체층(18) 사이에 위치되는, 상기 레이저 미러를 제공하는 단계,
    - 제2 파장(λ2)을 가진 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 상기 레이저 미러(12)를 처리함으로써 상기 유전체층(18)의 복수의 돌출부(24)를 생성하는 단계로서, 상기 복수의 돌출부(24)가 상기 유전체층(18)과 수직인 높이(32)를 갖고, 적어도 하나의 돌출부가 상기 제1 파장(λ1)의 적어도 절반의 높이(32)를 갖는, 복수의 돌출부를 생성하는 단계
    를 포함하는, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제공된 상기 레이저 미러와 상기 회절 광학 소자는 상기 제1 파장(λ1)에 대해 T ≤ 10-2의 투과를 갖는, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 흡수층(16)이 규소 또는 금으로 이루어지고, 상기 기판(14)이 유리, CaF2, MgF2 또는 사파이어로 이루어지고/지거나 상기 유전체층(18)이 SiO2, Ta2O5, TiO2, HfO2, Al2O3, MgF2, LaF3 및/또는 ZrO2로 이루어지는, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 미러(12)가 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 처리될 때, 상기 유전체층(18)의 용적으로 또는 상기 레이저 미러(12)의 상기 흡수층(16)의 용적으로의 상기 가열 레이저 빔(38)의 입열량(heat input)이 적어도 30kJ/㎤인, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 상기 레이저 미러(12)를 처리할 때, 상기 제2 파장(λ2), 상기 가열 레이저 빔(38)의 출력, 상기 가열 레이저 빔(38)의 집중, 가열 기간, 상기 레이저 미러(12)의 상기 흡수층(16), 상기 레이저 미러(12)의 상기 유전체층(18) 및/또는 상기 흡수층(16)의 층 두께(30)가 선택되어 상기 적어도 하나의 돌출부(26)가 상기 제1 파장(λ1)의 적어도 절반의 높이(32)를 갖는, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수층(16)의 상기 층 두께(16)는 30㎚ 초과인, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 상기 레이저 미러(12)를 처리할 때, 상기 제2 파장(λ2)이 200 내지 700㎚이고 상기 레이저 미러(12)의 상기 흡수층(16)이 규소로 이루어지거나 또는 상기 제2 파장(λ2)이 200 내지 2000㎚이고 상기 레이저 미러(12)의 상기 흡수층(16)이 금으로 이루어지고/지거나 상기 제2 파장(λ2)이 100 내지 2000㎚인, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 미러(12)를 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 처리할 때, 상기 가열 레이저 빔(38)의 출력은 적어도 10㎽인, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 미러(12)를 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 처리할 때, 상기 가열 레이저 빔(38)은 절반 최대에서 최대로 5㎛의 전체 폭을 가진 상기 흡수층(16) 및/또는 상기 유전체층(18)에 집중되는, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 미러(12)를 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 처리할 때, 상기 가열 레이저 빔의 가열 기간이 1㎲ 내지 1㎳인, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 미러(12)를 일련의 집중된 가열 레이저 빔(38)으로 처리할 때, 상기 레이저 미러(12)가 상기 가열 레이저 빔(38)과 수직인 변위 방향을 따른 처리 동안 변위되고 상기 가열 레이저 빔(38)이 상기 처리 동안 상기 변위 방향과 수직으로 편향되거나 또는 상기 레이저 미러(12)가 상기 처리 동안 2개의 상호 직교하는 변위 방향을 따라, 상기 가열 레이저 빔(38)과 수직으로 변위되는, 회절 광학 소자를 생성하기 위한 방법.
  12. 적어도 100㎚의 제1 파장(λ1)을 가진 레이저 빔의 빔 성형을 위한 회절 광학 소자(10)로서, 상기 제1 파장(λ1)을 가진 상기 레이저 빔의 상기 빔 성형은 상기 회절 광학 소자(10) 상의 상기 레이저 빔의 반사에 의해 발생하고, 상기 회절 광학 소자(10)는 기판(14) 및 유전체층(18)으로 이루어진 층 구조를 갖고, 상기 유전체층(18)은 상기 기판(14)과 인접하거나, 또는 상기 회절 광학 소자(10)는 기판(14), 유전체층(18) 및 흡수층(16)으로 이루어진 층 구조를 갖고, 상기 흡수층(16)은 상기 기판(14)과 상기 유전체층(18) 사이에 위치되고,
    변형 둘 다에서, 상기 유전체층(18)은 복수의 돌출부(24)를 갖고, 돌출부(24)는 상기 유전체층(18)과 수직인 높이(32)를 갖고, 적어도 하나의 돌출부(24)는 상기 제1 파장(λ1)의 적어도 절반의 높이(32)를 갖는, 회절 광학 소자.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치(34)로서, 상기 장치(34)는 제2 파장(λ2)을 가진 가열 레이저 빔을 생성하기 위한 가열 레이저(36), 레이저 미러(12)를 제공하기 위한 레이저 미러 포지셔닝 장치(42), 상기 레이저 미러(12) 상에 상기 가열 레이저 빔(38)을 집중시키기 위한 집중 장치(40), 편향 장치(46) 및 제어기(44)를 포함하고, 상기 레이저 미러 포지셔닝 장치(42)는 상기 레이저 미러(12)를 변위 방향으로 변위시키도록 설계되고, 상기 편향 장치는 상기 가열 레이저 빔(38)을 상기 변위 방향과 수직으로 편향시키도록 설계되고, 상기 제어기는 상기 가열 레이저(36), 상기 편향 장치(46) 및 상기 레이저 미러 포지셔닝 장치(42)를 작동시키도록 설계되는, 장치.
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