Влияние структурирования плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой и очистки на функционирование многосекторных бинарных фазовых пластин

Исследовано влияние каждого этапа изготовления фазовых оптических элементов (ФОЭ), включающего запись ФОЭ лазерно-индуцированной микроплазмой и постобработку, на параметры микрогеометрии формируемого микрорельефа на поверхности ФОЭ, обеспечивающие их высокое качество и эффективность конверсии энергии. Также приводятся условия реализации каждого из этапов изготовления ФОЭ, позволяющие обеспечить повторяемость результатов по глубине микрогеометрии формируемого рельефа и значениям шероховатости его поверхности. Все исследования выполнены при использовании многосекторных бинарных фазовых пластин, выбор которых обусловлен относительной простотой их конструкции, по сравнению с другими ФОЭ аналогичного назначения. Показано, что лучшие результаты по значениям шероховатости поверхности ФОЭ при полном устранении частиц графита, загрязняющих поверхность многосекторных бинарных фазовых пластин, и возможных микро/нанодефектов и напряжений, возникающих в ходе записи технологией лазерно-индуцированной микроплазмы, достигаются постобработкой в виде отжига при температуре 900 °С в течение 1 ч.

1. Hnatovsky C. et al. Polarization-dependent ablation of silicon using tightly focused femtosecond laser vortex pulses // Opt. Lett. 2012. Vol. 37, N 2. P. 226—228.

2. Syubaev S. et al. Direct laser printing of chiral plasmonic nanojets by vortex beams // Opt. Express. 2017. Vol. 25, N 9. P. 10214—10223.

3. Chen M. et al. Dynamics of microparticles trapped in a perfect vortex beam // Opt. Lett. 2013. Vol. 38, N 22. P. 4919—4922.

4. Ng J., Lin Z., Chan C. T. Theory of optical trapping by an optical vortex beam // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104, N 10. Р. 103601.

5. Wang J. et al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nat. Photonics. 2012. Vol. 6, N 7. P. 488—496.

6. Nagali E. et al. Quantum information transfer from spin to orbital angular momentum of photons // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103, N 1. Р. 013601.

7. Massari M. et al. Fabrication and characterization of high-quality spiral phase plates for optical applications // Appl. Opt. 2015. Vol. 54, N 13. P. 4077—4083.

8. Cheong W. C. et al. Direct electron-beam writing of continuous spiral phase plates in negative resist with high power efficiency for optical manipulation // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85, N 23. P. 5784—5786.

9. Ruffato G. et al. Spiral phase plates with radial discontinuities for the generation of multiring orbital angular momentum beams: fabrication, characterization, and application // Opt. Eng. 2015. Vol. 54, N 11. Р. 111307.

10. Ruffato G. et al. Generation of high-order Laguerre–Gaussian modes by means of spiral phase plates // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, N 17. P. 5094—5097.

11. Shi L. et al. One exposure processing to fabricate spiral phase plate with continuous surface // Opt. Express. 2015. Vol. 23, N 7. P. 8620—8629.

12. Sueda K. et al. Laguerre-Gaussian beam generated with a multilevel spiral phase plate for high intensity laser pulses // Opt. Express. 2004. Vol. 12, N 15. P. 3548—3553.

13. Jun C. et al. Generation of optical vortex using a spiral phase plate fabricated in quartz by direct laser writing and inductively coupled plasma etching // Chin. Phys. Lett. 2009. Vol. 26, N 1. Р. 014202.

14. Khonina S. N. et al. Formation of hybrid higher-order cylindrical vector beams using binary multi-sector phase plates // Sci. Rep. 2018. Vol. 8, N 1. P. 1—11.

15. Brasselet E. et al. Photopolymerized microscopic vortex beam generators: Precise delivery of optical orbital angular momentum // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, N 21. Р. 211108.

16. Zukauskas A. et al. Monolithic generators of pseudo-nondiffracting optical vortex beams at the microscale // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103, N 18. Р. 181122.

17. Veiko V. P. et al. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media // Quantum Electron. 2017. Vol. 47, N 9. P. 842—848.

18. Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. High-speed machining of glass materials by laser-induced plasma-assisted ablation using a 532-nm laser // Appl. Phys. A. 1998. Vol. 67, N 4. P. 499—501.

19. Cheng J.-Y. et al. Crack-free direct-writing on glass using a low-power UV laser in the manufacture of a microfluidic chip // J. Micromech. Microeng. 2005. Vol. 15, N 6. P. 1147—1156.

20. Harm W. et al. Adjustable diffractive spiral phase plates // Opt. Express. 2015. Vol. 23, N 1. P. 413—421.

21. Ovsianikov A. et al. Ultra-low shrinkage hybrid photosensitive material for two-photon polymerization microfabrication // ACS Nano. 2008. Vol. 2, N 11. P. 2257—2262.

22. Malinauskas M. et al. Mechanisms of three-dimensional structuring of photo-polymers by tightly focussed femtosecond laser pulses // Opt. Express. 2010. Vol. 18, N 10. P. 10209—10221.

23. Zhou L. et al. Directly writing binary multi-sector phase plates on fused silica using femtosecond laser // High Power Laser Sci. 2018. Vol. 6, N e6. DOI:10.1017/hpl.2018.1.

24. Kostyuk G. K. et al. Fast microstructuring of silica glasses surface by NIR laser radiation // Opt. Lasers Eng. 2015. Vol. 68. P. 16—24.

25. Kostyuk G.K. et al. Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 92. P. 63—69.

26. Shkuratova V. et al. Rapid fabrication of spiral phase plate on fused silica by laser-induced microplasma // Appl. Phys. B. 2020. Vol. 126, N 4. P. 1—6.

27. Hopp B. et al. Comparative study of different indirect laser-based methods developed for microprocessing of transparent materials // J. Laser Micro Nanoeng. 2010. Vol. 5, N 1. P. 80—85.

28. Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side and back side etching of fused silica with KrF and XeF excimer lasers using metallic absorber layers: A comparison // Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 258, N 24. P. 9742—9746.

29. Hanada Y. et al. Development of practical system for laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) for micromachining of glass materials // Appl. Phys. A. 2004. Vol. 79, N 4. P. 1001—1003.

30. Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side etching: an easy and fast method for sub-μm structuring of dielectrics // Phys. Procedia. 2012. Vol. 39. P. 542—547.

31. Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation of fused quartz using the fourth harmonic of a Nd+: YAG laser // Appl. Phys. A. 1998. Vol. 67, N 5. P. 545—549.

32. Hopp B. et al. Laser-induced backside dry and wet etching of transparent materials using solid and molten tin as absorbers // Appl. Phys. A. 2009. Vol. 94, N 4. P. 899—904.

33. Блонский И. В. и др. Влияние поперечного размера факела лазерно-индуцированной плазмы на процессы обработки материалов // Журнал технической физики. 2005. Т. 75, № 3. С. 74—80.

34. Veiko V. P. et al. Two-phase mechanism of laser-induced removal of thin absorbing films. I. Theory // J. Phys. D: Appl. Phys. 1980. Vol. 13 (8). N 1565.

35. Koval V. V. et al. Changes in the spectral characteristics of quartz-glass plates when they are processed with laserinduced plasma // J. Opt. Technol. 2017. Vol. 84, N 7. P. 447—452.

36. Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Integration of 3D micro-optics and microfluidics in a glass chip using a femtosecond laser for photonic applications // Proc. SPIE. 2005. Vol. 5627. P. 247—257.

37. Kostyuk G. K. et al. Multisector binary phase plates on fused silica for generation of optical vortex beams superposition: Fabrication, characterization, and applications // Opt. Laser. Technol. 2022. Vol. 152. Р. 108161.

38. Khonina S. N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions // Opt. Eng. 2013. Vol. 52, N 9. Р. 091711.

39. Rubano A. et al. Q-plate technology: a progress review // J. Opt. Soc. Am. A. 2019. Vol. 36, N 5. P. D70—D87.

40. Cardano F. et al. Polarization pattern of vector vortex beams generated by q-plates with different topological charges // Appl. Opt. 2012. Vol. 51. P. C1—C6.

41. Beresna M. et al. Radially polarized optical vortex converter created by femtosecond laser nanostructuring of glass // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98, N 20. Р. 201101.

42. Zhou J. et al. Spin-dependent manipulating of vector beams by tailoring polarization // Sci. Rep. 2016. Vol. 6, N 1. P. 1—9.

43. Qi J. et al. Concise and efficient direct-view generation of arbitrary cylindrical vector beams by a vortex half-wave plate // Photonics Res. 2021. Vol. 9, N 5. P. 803—813.

44. Ahamed M. J., Senkal D., Shkel A. M. Effect of annealing on mechanical quality factor of fused quartz hemispherical resonator // Proc. IEEE ISISS. 2014. P. 1—4.

45. Wang Y., Shkel A. M. Study on surface roughness improvement of Fused Quartz after thermal and chemical postprocessing // Proc. IEEE ISISS. 2016. P. 101—104.

46. Ahamed M. J., Senkal D., Shkel A. M. Improvement of side-wall roughness in deep glass etched MEMS vibratory sensors // Proc. IEEE ISISS. 2014. P. 1—2.