Формирование лазерных пучков со структурированным распределением поляризации для создания спиральных микрорельефов в тонких плёнках халькогенидных стекол

Халькогенидные стёкла (ХС) являются одним из самых популярных материалов для создания фотон-ных/оптических устройств, инфракрасных датчиков и элементов [1, 2]. Известно, что такие материалы обладают высокой чувствительностью к поляризации падающего на них излучения, под действием которого в них возникает фотонаведенная анизотропия [3, 4]. Благодаря этому использование световых полей со структурированным состоянием поляризации дало возможность реализовать прямую лазерную обработку таких материалов для формирования сложных нано- и микрорельефов. Была продемонстрирована интерференционная двулучевая запись поверхностных микронных и субмикронных решёток в тонких плёнках на основе ХС с помощью световых полей с различными состояниями поляризации [5, 6]. Позже для обработки тонких плёнок ХС на основе многослойных структур As2S3 и a-Se было предложено использовать неоднородно поляризованные световые поля, сформированные за счёт использования одного специального «деполяризатора» [7]. Такой элемент преобразовывает исходный линейно-поляризованный лазерный пучок в пучок с линейной зависимостью ориентации вектора поляризации от одной из декартовых координат (x, y), то есть в световое поле, формируемое в результате интерференции двух лазерных пучков с взаимно ортогональной круговой поляризацией [8, 9]. При этом возможна запись решёток с дискретным или непрерывным изменением ориентации линий [7]. Использование комбинаций нескольких «деполяризаторов», а также таких элементов, как q-волновые пластинки, позволяющие формировать цилиндрически поляризованные пучки, позволило осуществлять контроль периода записываемых решёток, а также формировать вилкообразные решётки [10]. Использование же световых полей с более сложным распределением поляризации для лазерной обработки тонких плёнок ХС позволит реализовать прямую лазерную запись более сложных оптических микроэлементов, а также нано- и микроструктур, что ранее не было продемонстрировано.

В данной работе мы предлагаем формировать световые поля с динамически перестраиваемым структурированным распределением поляризации за счёт использования пространственного модулятора света и использовать их для создания спиралевидных микрорельефов в тонких плёнках ХС на основе многослой- ных структур As2S3 и a-Se. В настоящее время такие спиралевидные рельефы широко используются для формирования лазерных пучков с ненулевым орбитальным угловым моментом (ОУМ) [11].

Основная идея работы заключается в формировании световых полей с зависимостью ориентации вектора поляризации не от одной из декартовых координат ( x , y ), а от угла φ в полярных координатах ( r , φ). Как было отмечено выше, световые поля с зависимостью ориентации вектора поляризации от одной из декартовых координат ( x , y ) вызывают движение поверхностных волн расплавленного материала ХС в направлении изменения вектора поляризации. Таким образом, можно полагать, что в случае зависимости от полярного угла будет происходить движение материала по окружности от 0 до 360 градусов и формирование спиралевидного рельефа (см. рис. 1).

Рис. 1. Объяснение возможности формирования спиралевидного микрорельефа за счёт использования светового поля с распределением поляризации, обладающим зависимостью от полярного угла. d – период сформированной поляризационной решётки

Экспериментальные результаты

Оптическая схема, использованная для реализации предложенного метода формирования структурированных лазерных пучков с требуемым распределением поляризации для лазерной обработки тонких плёнок ХС, показана на рис. 2. Схема основана на применении пропускающего модулятора света SLM HOLOEYE LC 2012 (разрешение – 1024×768 пикселей, размер пикселя – 36 мкм) и реализует метод проекционной литографии. Такой модулятор света может работать в режиме фазовой или амплитудной модуляции [12]. В случае амплитудной модуляции необходимо использовать два поляризатора-анализатора, ориентированных перпендикулярно друг другу – один из них расположен перед модулятором, а второй – после него [13]. Второй поляризатор-анализатор позволяет визуализировать изменения поляризации и таким образом реализовать нужную амплитудную модуляцию. При отсутствии второго поляризатора будет происходить только модуляция поляризации и фазы поля.

Линейно поляризованный гауссов пучок от твердотельного лазерного источника MGL-U-532-1W не- прерывного излучения (длина волны – 532 нм, максимальная выходная мощность – 1 Вт) коллимировался и расширялся с помощью комбинации микрообъектива МО1 (3,7×, NA=0,11), круговой диафрагмы D1 (размер апертуры – 20 мкм) и линзы L1 с фокусным расстоянием 100 мм. Для усиления контраста линейной поляризации использовался дополнительный поляризатор P. Для управления лазерным пучком и наведения его на дисплей модулятора света использовалась система двух зеркал М1 и М2. Для реализации схемы проекционной литографии были использованы линза L2 с фокусным расстоянием – 400 мм и микрообъектив МО2 (40×, NA=0,65). Микрообъектив МО3 (8×, NA=0,2) в комбинации с освещающей лампочкой IB, зеркалом M3 и линзой L4 с фокусным расстоянием 50 мм использовался для освещения поверхности образца с тонкой плёнкой ХС. Стеклянная подложка с нанесенной тонкой плёнкой была установлена на трёхкоординатном передвижном столике XYZ. Были использованы тонкие плёнки общей толщиной 1,3 мкм на основе 110 пар нанослоев As2S3 и Se с толщинами 9 и 3 нм. «Эффективный» показатель преломления такой плёнки – около 2,45 при 650 нм. Для наблюдения поверхности образца во время его обработки использовалась видеокамера САМ ToupCam UCMOS08000KPB (разрешение – 1600×1200 пикселей, размер пикселя – 3,34 мкм). Фильтр нейтральной плотности F понижал уровень интенсивности для наблюдения, а линза L3 с фокусным расстоянием 400 мм, зеркало M4 и светоделительный кубик BS были использованы для построения изображения поверхности образца на матрице видеокамеры. Использование дополнительной круговой диафрагмы D2 позволяло контролировать размер светового поля, освещающего тонкую плёнку, который совпадал с размером обрабатываемых участков плёнки (примерно 10 мкм в диаметре).

В экспериментах исследовалась возможность формирования спиралевидных микрорельефов на поверхности тонких плёнок ХС, а также возможность управления их профилями за счёт изменения поляризационной структуры освещающего светового поля. Для этого были использованы три различные маски, реализованные с помощью модулятора света. Изображения, использованные в качестве этих масок, имеют зависимость своего профиля от полярного угла, но отличаются контрастом K. Известно, что при использовании модуляторов света контраст изображений, используемых для реализации выводимых на дисплей масок, влияет на динамический диапазон реализуемой оптической модуляции [12]. В наших экспериментах были использованы три предустановленных значения контраста в программе управления модулятором света HOLOEYE SLM Pattern Generator [14]: –80, 0, 80. Соответствующие маски показаны на рис. 2б. Изменение контраста маски приводит к изменению типа зависимости модуляции от полярного уг- ла φ – от линейного при K=0 к различным нелинейным зависимостям при ненулевых контрастах. При отрицательных значениях контраста кривая зависимости становится более вогнутой, в то время как при положительных значениях – более выпуклой. Эти кривые для масок, использованных в данной работе, показаны на рис. 2в. Следует отметить, что заводские настройки программного обеспечения HOLOEYE SLM Pattern Generator по умолчанию оптимизированы для фазовых приложений. Из-за этого реальные зависимости несколько отличаются от представленных на рис. 2в. На рис. 3 показаны распределения интенсивности, сформированные масками непосредственно после модулятора света. Представлены как полные интенсивности, так и интенсивности, полученные при использовании еще одного поляризатора-анализатора, позволяющего визуализировать осуществлённые модуляции распределения поляризации исходного линейно поляризованного лазерного пучка. Хорошо видно, что распределения полной интенсивности во всех случаях одинаковы, а интенсивности, полученные с помощью поляризатора-анализатора, различны.

^^^^^^CnOJlbSOegHHbie^MaCKuZZZZZZy^ ° угол $ град360

Рис. 2. Эксперимент по формированию спиралевидных микрорельефов в тонких плёнках ХС. (а) Оптическая схема эксперимента. (б) Маски с разными значениями контраста K, использованные в экспериментах. (в) Зависимости пропускания этих масок от полярного угла в режиме амплитудной модуляции

Использование проекционной литографии в данных экспериментах позволило использовать сформированные световые поля для прямой лазерной обработки образца с тонкими плёнками ХС. Трёхмерные профили микрорельефа, сформированного на поверхности тонкой пленки для каждой из трёх рассмотренных масок, показаны на рис. 4. Профили получены с помощью сканирующего зондового микроскопа NT-MDT SOLVER Pro-M в полуконтактном режиме работы (частота сканирования линии составляла 1 Гц). Эти микрорельефы формировались путем облучения лазерными пучками со структурированным распределением поляризации в течение 20 с. Расчётная мощность лазерного воздействия на обрабатываемый участок тонкой полимерной плёнки была менее 1 мВт.

Видно, что сформированные микрорельефы имеют спиральную форму. При этом в центральной части обрабатываемых областей поверхности не наблюдается формирование рельефа, что можно объяснить некоторой схожестью сформированного распределения поляризации, обладающего зависимостью от полярного угла, с поляризационными сингулярностями цилиндрически поляризованных пучков. Известно, что в случае последних наблюдается ноль амплитуды в центре пучка. Вероятно, похожая ситуация возникает и в данном случае, и поэтому в центральной области не происходит никаких изменений с расплавленным материалом во время облучения этих участков. При этом из анализа профилей сформированных микрорельефов видно, что выпуклость кривых, описывающих их профиль, меняется в зависимости от контраста исходной маски, выводимой на дисплей модулятора света. Аппроксимация профилей полиномом третьего порядка показывает, что при K=0 происходит примерно линейное увеличение высоты сформированного микрорельефа, при K=–80 профиль становится более выпуклым, а при K=80 – более вогнутым. Таким образом, управление распределением поляризации освещающего светового поля позволяет изменять не только направление движения расплавленного материала, но и другие его параметры, как при движении расплавленного материала в линейном направлении или его движении по заданной кривой. Это и позволило осуществить в наших экспериментах контролируемый спиралевидный мас-соперенос. Стоит отметить, что при значении K=80 в центральной области сформированного микрорельефа глубина рельефа ниже поверхности плёнки, что говорит также и о радиальном массопереносе, возникающем в данном случае в дополнение к спиралевидному.

Рис. 3. Световые поля, сформированные непосредственно после модулятора света при использовании масок с различным контрастом K. Показаны распределения интенсивности, полученные без и с использованием поляризатора-анализатора при его различных ориентациях

Заключение

Мы продемонстрировали возможность реализации спиралевидного массопереноса в тонких плёнках ХС с использованием световых полей со структурирован- ным распределением поляризации, имеющим зависимость ориентации вектора поляризации от полярного угла. Благодаря этому расплавленный материал при его облучении непрерывным лазерным излучением перемещается в направлении вращения вектора поляризации. Для экспериментального формирования световых полей с требуемым распределением поляризации мы использовали пропускающий пространственный модулятор света, что позволило показать зависимость профилей сформированных микрорельефов от контраста изображений масок, выводимых на дисплей моду- лятора. Продемонстрированная техника контроля во-гнутости/выпуклости формируемых спиральных микрорельефов может быть использована при изготовлении различных вариантов спиральных фазовых микроэлементов, формирующих световые поля с различным распределением плотности ОУМ [15– 17]. Полученные результаты также показывают высокий потенциал использования модуляторов света для управления распределением поляризации лазерных пучков в установках прямой лазерной обработки фоточувствительных материалов.

К = -80                          К = 0                          К = 80

Рис. 4. Трёхмерные профили изготовленных микрорельефов, полученные с помощью сканирующего зондового микроскопа (верхний ряд), а также соответствующие им зависимости высоты рельефа от полярного угла (нижний ряд)

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10007) в части экспериментов, а также в рамках государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» в части подготовки модулятора света для экспериментов.