Формирование трехмерного рельефа фазовых оптических элементов на поверхности оптически прозрачных аморфных и кристаллических пластин лазерно-индуцированной микроплазмой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шкуратова Виктория Александровна

• Шкуратова Виктория Александровна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Шкуратова Виктория Александровна

Реферат

Synopsys

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ПРЕОБРАЗОВАНИЮ ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ В СТРУКТУРИРОВАННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ И ПО МЕТОДАМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАЗОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ

1.1. Элементы, устройства, методы и схемы преобразования гауссовых пучков в скалярные вихревые пучки

1.1.1. Определение и свойства скалярных вихревых пучков

1.1.2. Методы генерации скалярных вихревых пучков

1.1.3. Методы мультиплицирования скалярных вихревых пучков

1.2. Элементы, устройства, методы и схемы преобразования гауссовых пучков в векторные пучки

1.2.1. Определение и свойства векторных пучков

1.2.2. Методы генерации векторных пучков

1.2.3. Спиральный фазовый задерживатель - фазово-поляризационный оптический элемент для преобразования гауссова пучка в векторный вихревой пучок

1.2.4. Методы генерации неоднородно-поляризованных векторных полей

1.3. Преимущества оптических схем преобразования гауссовых пучков, основанных на использовании фазовых и фазово-поляризационных оптических элементов

1.4. Методы изготовления фазовых оптических элементов на аморфных оптически прозрачных материалах

1.4.1. Методы литографии

1.4.2. Метод осаждения в вакууме

1.4.3. Метод ионного травления

1.4.4. Прямая лазерная запись

1.4.5. Методы лазерно-индуцированного плазменного воздействия

1.5. Методы изготовления фазово-поляризационных оптических элементов на кристаллических оптически прозрачных материалах

1.5.1. Метод механического склеивания

1.5.2. Метод сухого травления индуктивно-связанной плазмой аргона

1.5.3. Метод фотолитографии

1.5.4. Метод химического травления

1.5.5. Методы лазерно-индуцированного плазменного воздействия

1.6. Выводы

ГЛАВА II. ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНОГО РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ АМОРФНЫХ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ МИКРОПЛАЗМОЙ

2.1. Особенности процесса структурирования оптически прозрачных аморфных и кристаллических материалов лазерно-индуцированной микроплазмой

2.2. Основные характеристики и особенности оптически прозрачных материалов, выбранных для создания трехмерного рельефа

2.2.1. Плавленый кварц

2.2.2. Исландский шпат

2.3. Влияние однородности плотности мишени на воспроизводимость глубин трехмерного рельефа

2.4. Экспериментальная установка для структурирования оптически прозрачных материалов лазерно-индуцированной микроплазмой на основе волоконного иттербиевого лазера

2.5. Влияние параметров лазерного излучения на структурирование плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой

2.5.1. Влияние плотности мощности лазерного излучения на глубину трехмерного рельефа, формируемого на плавленом кварце

2.5.2. Влияние коэффициентов перекрытия на отклонения глубин трехмерного рельефа на плавленом кварце и их зависимость от числа проходов сканирующей системы

2.5.3. Оценка отклонения глубин трехмерного рельефа на плавленом кварце и его влияние на отклонение фазового сдвига

2.5.4. Оценка эффективности структурирования плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой

2.6. Сравнение методов устранения частиц графита, осевших в ходе структурирования, с поверхности плавленого кварца

2.7. Влияние параметров лазерного излучения на структурирование исландского шпата лазерно-индуцированной микроплазмой

2.7.1. Влияние плотности мощности лазерного излучения на глубину трехмерного рельефа, формируемого на исландском шпате

2.7.2. Влияние коэффициентов перекрытия на отклонения глубин трехмерного рельефа на исландском шпате и их зависимость от числа проходов сканирующей системы

2.7.3. Оценка отклонения глубин трехмерного рельефа на исландском шпате и его влияние на отклонение фазового сдвига

2.7.4. Оценка эффективности структурирования исландского шпата лазерно-индуцированной микроплазмой

2.8. Экспериментальные исследования по устранению частиц графита, осевших в ходе структурирования, с поверхности исландского шпата

2.9. Выводы

ГЛАВА III. КОНСТРУИРОВАНИЕ, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВЫХ И ФАЗОВО-ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

3.1. Спиральная фазовая пластина - фазовый оптический элемент на плавленом кварце

3.1.1. Расчет и конструирование спиральных фазовых пластин для создания скалярного вихревого пучка с орбитальным угловым моментом

3.1.2. Изготовление спиральной фазовой пластины на плавленом кварце лазерно-индуцированной микроплазмой

3.1.3. Экспериментальная установка для тестирования спиральной фазовой пластины и определение основных критериев качества ее функционирования

3.2. Многосекторные бинарные фазовые пластины - фазовые оптические элементы на плавленом кварце

3.2.1. Расчет и конструирование многосекторных бинарных фазовых пластин для создания суперпозиции скалярных вихревых пучков в дальнем поле

3.2.2. Изготовление многосекторных бинарных фазовых пластин на плавленом кварце лазерно-индуцированной микроплазмой

3.2.3. Экспериментальная установка для тестирования многосекторных бинарных фазовых пластин и определение критериев качества их функционирования

3.2.4. Мультиплицирование гауссова пучка при обработке стальной пластины

3.3. Секторная бинарная фазовая пластина - фазово-поляризационный оптический элемент на исландском шпате

3.3.1. Обоснование принципа работы, расчет и конструирование секторных бинарных фазовых пластин для формирования поляризационно-неоднородного векторного поля

3.3.2. Изготовление секторной бинарной фазовой пластины на исландском шпате лазерно-индуцированной микроплазмой

3.3.3. Экспериментальная установка для тестирования секторной бинарной фазовой пластины и определение критериев качества ее функционирования

3.4. Спиральный фазовый задерживатель - фазово-поляризационный оптический элемент на исландском шпате

3.4.1. Обоснование принципа работы и схемы применения спирального фазового задерживателя для создания радиально и азимутально поляризованных векторных полей матричным расчетом

3.4.2. Расчет и конструирование спирального фазового задерживателя

3.4.3. Изготовление спирального фазового задерживателя на исландском шпате лазерно-индуцированной микроплазмой

3.4.4. Экспериментальная установка для тестирования спирального фазового задерживателя и определение критериев качества его функционирования

3.5. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Список иллюстративного материала

Список таблиц

Благодарности

Приложение 1. Результат интеллектуальной деятельности

Приложение 2. Акты внедрения

Приложение 3. Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование трехмерного рельефа фазовых оптических элементов на поверхности оптически прозрачных аморфных и кристаллических пластин лазерно-индуцированной микроплазмой»

Актуальность темы

На современном этапе развития оптики и фотоники особое внимание уделяется формированию как скалярных [1], так и векторных вихревых пучков [2], что связано с их уникальными свойствами и широким спектром применений в различных областях науки и техники. Поля скалярных вихревых пучков характеризуются спиралевидной структурой волнового фронта, а форма распределения интенсивности соответствует кольцевой [1], что делает их эффективными для решения различных задач, связанных с концентрацией энергии и манипуляцией материалами на микроскопическом уровне [3-6]. При этом для векторных вихревых пучков помимо перечисленных свойств характерно неоднородное состояние поляризации по сечению пучка [2], наделяющее их особыми свойствами, востребованными в таких применениях, как оптическая левитация (оптический пинцет) [7], микроскопия высокого разрешения [8], лазерная микрообработка [9] и оптические коммуникации [10]. Наиболее изученными и востребованными среди векторных пучков являются радиально и азимутально поляризованные пучки [2].

Для генерации как скалярных, так и векторных вихревых пучков, в основном, используются пространственные световые модуляторы [11], которые, несмотря на свою универсальность, имеют ряд ограничений. Последние ярче всего проявляются при работе с мощными лазерными источниками, а также в сложных интерференционных схемах [12] с низкой эффективностью преобразования энергии, не превышающей единицы процентов. Также для генерации скалярных и векторных вихревых пучков используются фазовые оптические элементы (ФОЭ) [13, 14] и фазово-поляризационные оптические элементы (ФПОЭ) [15, 16] в относительно простых оптических схемах. Принцип их работы основан на внесении в падающий на них пучок заданного фазового сдвига, возникающего при прохождении через области, структурированные на определенную глубину. При

этом только элементы, изготовленные на кристаллических материалах, открывают возможность управления поляризацией проходящего сквозь них пучка.

В настоящее время основными методами изготовления ФОЭ на поверхности стекла являются: электронно-лучевая литография [13], осаждение в вакууме [17], ионное травление [18], прямая лазерная запись [14]. Число известных методов обработки кристаллических материалов для изготовления ФПОЭ существенно ограничено, они реализованы в рамках единичных экспериментов [15, 16, 19, 20]. Среди аморфных материалов для изготовления элементов наиболее перспективным представляется плавленый кварц [21], обладающий высокой однородностью свойств, а также высокой лучевой и термической стойкостью, среди кристаллических - исландский шпат [22], как один из основных материалов поляризационной оптики с высоким значением двулучепреломления. При всех своих достоинствах большинство традиционных методов отличаются многостадийностью и высокой сложностью технологических процессов, а качество элементов, изготовленных прямой лазерной записью, остается неудовлетворительным, что требует разработки и применения новых производительных методов обработки прозрачных материалов.

В последние годы активно ведутся исследования по применению лазерно-индуцированной микроплазмы (ЛИМП) [23] для структурирования оптически прозрачных материалов. Лазерное излучение фокусируется на поверхность массивной мишени с высоким коэффициентом поглощения и низким порогом абляции. При сканировании лазерного пучка в области фокусировки возникает эрозионный плазменный факел. Размещение оптически прозрачного материала в плотном контакте с мишенью способствует локализации плазмы. Воздействие эрозионного плазменного факела в условиях избыточного давления позволяет достичь высокой эффективности структурирования материала. К основным преимуществам данного метода относятся управляемость, производительность и эффективное использование лазерной энергии. Тем не менее, проблема формирования трехмерных структур на поверхности аморфных и особенно

кристаллических прозрачных материалов для создания оптических элементов остается до сих пор открытой. Особого внимания заслуживают вопросы оптимизации материала мишени с точки зрения эффективности передачи энергии лазерного излучения в микроплазменный факел и влияния ее физических свойств на воспроизводимость глубин трехмерного рельефа на оптически прозрачных пластинах. Эти стороны метода ЛИМП до сих пор изучены недостаточно, в то время как точность глубины рельефа таких элементов определяет их функциональность. Таким образом, решение задачи определения точности и воспроизводимости при формировании трехмерных структур с заданной глубиной требует более глубокого изучения специфики воздействия ЛИМП на различные материалы, а производительные методы изготовления ФОЭ и ФПОЭ становятся весьма актуальными.

Целью диссертационной работы является выявление связи режимов генерации ЛИМП и параметров трехмерного рельефа, формируемого при сканировании сфокусированного лазерного пучка по границе раздела высокопоглощающей мишени и оптически прозрачной пластины, находящихся в плотном контакте, для создания заданной геометрии бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ и ФПОЭ.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Определить физические свойства массивной мишени и установить параметры лазерного излучения, влияющие на воспроизводимость глубин трехмерного рельефа, формируемого на пластинах плавленого кварца и исландского шпата сканированием ЛИМП.

2. Исследовать характеристики микроструктурирования поверхности плавленого кварца и исландского шпата, задающие и определяющие геометрические, оптические и энергетические характеристики бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ и ФПОЭ, а также оценить отклонения глубин рельефа.

3. Выполнить расчет и изготовить бинарные и многоуровневые секторные ФОЭ на плавленом кварце и ФПОЭ на исландском шпате сканированием ЛИМП.

4. Обосновать и разработать оптические схемы, подтверждающие функциональность ФОЭ и ФПОЭ, сформированных ЛИМП, по созданию скалярных и векторных вихревых пучков, а также поляризационно-неоднородных пучков.

Методы исследования

При проведении исследований в рамках диссертационной работы использовались следующие методы:

1. Спектры отражения высокопоглощающих мишеней (пористый графит марки МПГ-6 и пиролитический графит) регистрировались с использованием спектрофотометрического метода на спектрофотометре СФ-56.

2. Микрофотографии поверхности мишеней и оптически прозрачных материалов (плавленого кварца марки КУ-1 и исландского шпата сорта Экстра) были сняты с применением метода оптической микроскопии на микроскопе Carl Zeiss Axio Imager A1.

3. Глубины формируемого рельефа и его шероховатость на мишени и оптически прозрачных материалах исследовались методом контактной профилометрии на профилометрах Hommel Tester T8000 и KLA-TENCOR P-7.

4. Поверхность оптически прозрачных материалов в области воздействия ЛИМП исследовалась методом сканирующей электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе Scios Dual Beam FPI.

5. Энергия лазерного излучения, падающего на изготовленные ФОЭ и ФПОЭ и прошедшего сквозь них, измерялась с применением измерителя оптической мощности Gentec Solo-2M, оснащенным пироэлектрическим датчиком UP19K-110F-H9.

6. Регистрация формируемых изготовленными ФОЭ и ФПОЭ распределений интенсивности осуществлялась с применением КМОП камеры Gentec Beamage 3.0.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Лазерно-индуцированная микроплазма от мишени из пирографита (с плотностью более 2.00 г/см3 и неоднородностью плотности менее + 0.01 г/см3), размещенной в плотном контакте с оптически прозрачной пластиной, обеспечивает минимальную глубину трехмерного рельефа ~ 0.10 мкм на плавленом кварце и ~ 0.20 мкм на исландском шпате при воздействии одиночного импульса лазерного излучения на длине волны около 1 мкм с плотностью мощности 1 - 3 • 1012 Вт/м2 при длительности импульса 50 нс.

2. Основной вклад в погрешность формирования трехмерного рельефа лазерно-индуцированной микроплазмой определяется максимальным зазором между обработанной поверхностью заготовки и мишенью, который меньше в - 70 раз для плавленого кварца (А2макс - 8.0 мкм) и в - 90 раз для исландского шпата (Аг1макс - 6.5 мкм) глубины фокусировки объектива zF - 0.6 мм (определенной как расстояние в обе стороны от плоскости перетяжки сфокусированного пучка до плоскости, в которой плотность мощности снижается на 1%).

3. Воздействие лазерно-индуцированной микроплазмы, образующейся от мишени из пирографита при сканировании сфокусированного лазерного пучка с диаметром перетяжки 50 мкм с коэффициентами перекрытия в диапазоне 20 - 60% и числом сканирований вдоль треков записи, не превышающим 8, реализует формирование трехмерного рельефа фазовых оптических элементов на плавленом кварце в диапазоне глубин 0.10 - 2.40 мкм с погрешностью менее + 0.05 мкм, определяющей качество их функционирования в диапазоне длин волн 0.35 - 1.06 мкм с отклонением фазового сдвига менее 0.09п и энергетической эффективностью более 70%.

4. Воздействие лазерно-индуцированной микроплазмы, образующейся от мишени из пирографита при сканировании сфокусированного лазерного пучка с диаметром перетяжки 50 мкм с коэффициентами перекрытия в диапазоне 20 - 60% с числом сканирований вдоль треков записи, не превышающим 15, обеспечивает формирование трехмерного рельефа фазово-поляризационных оптических

элементов на исландском шпате в диапазоне глубин 0.02 - 3.00 мкм с погрешностью не более + 0.10 мкм, определяющей качество их функционирования в диапазоне длин волн 0.35 - 0.53 мкм с отклонением фазового сдвига менее 0.11п и энергетической эффективностью более 70%. Научная новизна работы

1. Впервые обоснована и реализована возможность применения общей технологической платформы на базе метода ЛИМП для формирования трехмерного рельефа на поверхности как аморфных, так и кристаллических оптически прозрачных пластин для создания бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ и ФПОЭ, обеспечивающих генерацию скалярных и векторных вихревых пучков, а также поляризационно-неоднородных с энергетической эффективностью, превышающей 70%.

2. Впервые показано, что при использовании в качестве материала мишени пластины пирографита с высокой плотностью (не ниже 2.00 г/см3) и с низкой неоднородностью плотности по поверхности мишени (не более ± 0.01 г/см3) может быть достигнута погрешность в глубинах трехмерного рельефа, не превышающая ± 0.05 мкм на плавленом кварце и ± 0.10 мкм на исландском шпате.

3. Выявлены критерии выбора параметров лазерного излучения для формирования трехмерного рельефа бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ на поверхности плавленого кварца и ФПОЭ на поверхности исландского шпата сканированием ЛИМП при использовании пирографита в качестве материала мишени.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Обоснованы и выбраны существенные характеристики материала мишени и лазерного излучения, индуцирующего плазменный факел, позволившие установить реально достижимую точность глубин трехмерного рельефа на плавленом кварце и исландском шпате, выявлено влияние плотности и пористости мишени, энергетических характеристик воздействующего лазерного пучка и характера его сканирования.

2. Обоснованные и выбранные характеристики материала мишени и лазерного излучения позволили определить границы применимости ЛИМП для формирования бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ на поверхности пластин плавленого кварца и ФПОЭ на поверхности пластин исландского шпата.

3. Подтверждена работоспособность всех изготовленных ЛИМП бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ и ФПОЭ, определены основные критерии, характеризующие качество их функционирования, а также эффективность преобразования энергии, превышающая 70% и сопоставимая с эффективностью фазовых элементов, изготовленных литографическими методами.

Достоверность научных достижений

Достоверность научных данных, положенных в основу диссертационного исследования, подтверждается воспроизводимостью глубин трехмерного рельефа в диапазоне 0.10 - 2.40 мкм с погрешностью не более ± 0.05 мкм на плавленом кварце и в диапазоне 0.20 - 3.00 мкм с погрешностью не более ± 0.10 мкм на исландском шпате при формировании бинарных и многоуровневых секторных ФОЭ и ФПОЭ сканированием ЛИМП, возникающей на поверхности мишени из пирографита под действием лазерного излучения с определенными в ходе исследований параметрами. При выявлении существенных физических свойств мишени и параметров лазерного излучения, влияющих на воспроизводимость глубин трехмерного рельефа, запись элементарных ячеек при одинаковых параметрах воздействия осуществлялась не менее 4 раз, а измерения глубин в каждой из записанных элементарных ячеек осуществлялись не менее 5 раз. Результаты экспериментальных исследований глубин трехмерного рельефа и определения их погрешностей на плавленом кварце и исландском шпате были обработаны с применением статистических методов анализа физических данных, что позволило подтвердить их достоверность. Также были проведены испытания, оценка рабочих характеристик и измерения энергетической эффективности всех ФОЭ и ФПОЭ, изготовленных ЛИМП, подтвердившие их полноценную работоспособность.

Внедрение результатов работы

Полученные результаты применялись при выполнении научно-исследовательских работ:

1. Проект РНФ №20-71-10103 «Фемтосекундная лазерная 3Д-фабрикация интегральных оптических устройств для интерфейсов виртуальной и дополненной реальности», 2020-2023, исполнитель.

2. Проект № 923014 в рамках программы Приоритет 2030 «Лазерное воздействие как способ придания заданных функциональных свойств поверхности металлов», 2023-2025, исполнитель.

Опытный образец фазового оптического элемента, изготовленного при проведении исследований в рамках диссертационной работы, был интегрирован в узел оптического пинцета модульного микроскопа, разработанного ООО «Инсайнс солюшнс» и продемонстрированного на международной выставке «Фотоника 2025. Мир лазеров и оптики».

Результаты исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, прошли апробацию на серийно выпускаемом промышленном лазерном оборудовании ООО «Лазерный центр», планируется дальнейшая модернизация лазерных комплексов программно-аппаратным модулем реализации обработки прозрачных материалов лазерно-индуцированной микроплазмой.

Результаты работы защищены патентом: Способ изготовления многосекторной спиральной фазовой пластины с варьируемым задерживанием по фазе (SVR) // Патент России № 2728214. 2020. Бюл. № 22. / Костюк Г. К., Шкуратова В. А., Сергеев М. М., Рымкевич В. С.

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: X Международная конференция по фотонике и информационной оптике (27.01.2021 - 29.01.2021), L Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (01.02.2021 -04.02.2021), VII Международная конференция «Лазерные, плазменные

исследования и технологии» ЛАПЛАЗ-2021 (23.03.2021 - 26.03.2021), X Конгресс молодых ученых (14.04.2021 - 17.04.2021), XI Международная конференция по фотонике и информационной оптике (26.01.2022 - 28.01.2022), VIII Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ-2022 (22.03.2022 - 25.03.2022), XXXII Международная школа-симпозиум по голографии, когерентной оптике и фотонике (29.05.2022 -

01.06.2022), INTERNATIONAL SYMPOSIUM FLAMN-22 Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (27.06.2022 - 30.06.2022), HOLOEXPO 2022: XIX Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям (20.09.2022 - 22.09.2022), 3rd International Conference on OPTICS, PHOTONICS AND LASERS (09.11.2022 - 11.11.2022), LII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (31.01.2023 - 03.02.2023), XII Международная конференция по фотонике и информационной оптике (01.02.2023 - 03.02.2023), IX Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛАПЛАЗ-2023 (28.03.2023 - 31.03.2023), XII Конгресс молодых ученых (03.04.2023 - 06.04.2023), Международная научно-практическая конференция «Фотоника вихревого света: проблемы и перспективы» (23.10.2023 -

26.10.2023), 30th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT'23) (18.09.2023 - 21.09.2023), LIV Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (27.01.2025 - 31.01.2025), XIV Конгресс молодых ученых (07.04.2025 - 11.04.2025), INTERNATIONAL SYMPOSIUM FLAMN-25 Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (24.06.2025 - 27.06.2025).

Личный вклад автора

Диссертационная работа включает в себя рассмотрение принципов работы ФОЭ и ФПОЭ, а также разработку схем их применения для преобразования гауссовых пучков в скалярные и векторные вихревые пучки, в том числе в поляризационно-неоднородные, предварительный расчет геометрии таких элементов (определяющий их функциональность), выбор параметров лазерного воздействия для их изготовления ЛИМП, анализ соответствия геометрических

параметров изготовленных элементов расчетным значениям, их тестирование в оптических схемах преобразования гауссовых пучков для определения основных критериев, характеризующих качество функционирования этих элементов. Автор принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях, численных оценках, обработке и интерпретации результатов, формирующих научную новизну, практическую значимость, а также выносимые на защиту положения, на всех этапах работы совместно с научным руководителем и соавторами публикаций по теме диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация включает в себя введение, три главы, заключение, список цитируемой литературы из 204 наименований. Материалы работы представлены на 390 страницах, включая 55 рисунков и 7 таблиц.

Основное содержание работы

Введение диссертационной работы содержит обоснование актуальности темы, четко определяет цель и задачи работы, раскрывает элементы научной новизны. В данном разделе также представлены основные положения, выносимые на защиту, и приведены аргументы, подтверждающие практическую ценность полученных результатов.

В первой главе представлены результаты литературного обзора по методам преобразования гауссовых пучков в скалярные вихревые и векторные пучки, обоснованы преимущества использования ФОЭ и ФПОЭ для этих целей, а также рассмотрены существующие методы их изготовления на поверхности оптически прозрачных аморфных и кристаллических материалов.

В разделе 1.1 описаны основные свойства скалярных вихревых пучков, методы их генерации и мультиплицирования. Отмечено, что наиболее простым и эффективным методом формирования скалярных вихревых пучков с орбитальным угловым моментом считается применение спиральных фазовых пластин (СФП), а для трансформации гауссова пучка в суперпозицию скалярных вихревых пучков с кольцевым распределением дискретных световых пятен, окружающих

центральный энергетический минимум, могут быть применены многосекторные бинарные фазовые пластины (МБФП).

В разделе 1.2 изложены основные свойства и методы генерации векторных пучков. Показано, что спиральные фазовые задерживатели (СФЗ) представляют собой перспективный класс ФПОЭ, поскольку способны в относительно простой оптической схеме с двумя дополнительными поляризационными компонентами трансформировать линейно поляризованный гауссов пучок в радиально или азимутально поляризованные векторные световые поля, а секторные бинарные фазовые пластины (СБФП) позволяют формировать поляризационно-неоднородные векторные пучки.

Раздел 1.3 отражает преимущества оптических схем преобразования гауссовых пучков, основанных на использовании ФОЭ и ФПОЭ.

Раздел 1.4 посвящен методам изготовления ФОЭ на поверхности оптически прозрачных аморфных материалов, а Раздел 1.5 описывает методы изготовления ФПОЭ на поверхности оптически прозрачных кристаллических материалах.

Раздел 1.6 отражает основные выводы к первой главе и актуальные проблемы. К ним относится потребность в разработке основ универсального и управляемого метода формирования трехмерного рельефа на поверхности оптически прозрачных материалов. Перспективным решением может служить углеродная ЛИМП, образующаяся сканировании лазерного излучения по границе раздела высокопоглощающего графита и оптически прозрачной пластины. Однако существует необходимость определения точности и воспроизводимости глубин при формировании трехмерного рельефа ЛИМП, влияния на него физико-химических свойств мишени, параметров лазерного излучения, характера и траектории его сканирования.

Вторая глава посвящена описанию и анализу результатов экспериментальных исследований по формированию трехмерного рельефа на поверхности оптически прозрачных аморфного плавленого кварца и кристаллического исландского шпата под действием ЛИМП.

Раздел 2.1 описывает особенности процесса структурирования оптически прозрачных материалов ЛИМП, раздел 2.2 посвящен основным характеристикам и особенностям плавленого кварца и исландского шпата.

В разделе 2.3 представлены экспериментальные исследования влияния однородности плотности мишени, используемой при структурировании оптически прозрачных материалов ЛИМП, на воспроизводимость глубин трехмерного рельефа. Было установлено, что для обеспечения воспроизводимости глубин рельефа в качестве поглощающей мишени вместо пористого графита следует использовать монолитный пиролитический графит с высокой однородностью физических свойств по поверхности и объему. Кроме того, спектры отражения пористого графита МПГ-6 и пирографита (Рисунок 1), показали, что с точки зрения эффективности поглощения энергии лазерного излучения пирографит является более перспективным материалом мишени.

100

er-

80

60

40

20

0

Графит МПГ-6 Пирографит ______—

, ' ■ I..

250 400 550 700 850 1000

А, нм

Рисунок 1 - Спектры отражения графита МПГ-6 и пирографита

В разделе 2.4 приведено описание экспериментальной установки для формирования трехмерного рельефа на поверхности оптически прозрачных материалов ЛИМП на базе коммерчески доступного наносекундного волоконного иттербиевого лазера с длиной волны Л= 1.064 мкм, хорошо поглощаемой мишенью из пирографита и прозрачной для обрабатываемых пластин плавленого кварца и исландского шпата. Локальный зазор AZ между мишенью и прозрачной

пластиной, обеспечивающий локализацию эрозионного плазменного факела в начальный момент времени, не превышал 0.3 мкм.

В разделе 2.5 приведены экспериментальные исследования влияния параметров лазерного излучения на структурирование плавленого кварца ЛИМП. Исследования выполнялись при диаметре фокального пятна в плоскости контакта мишени и обрабатываемой пластины d = 50 мкм, длительности импульсов г= 50 нс и частоте следования импульсов f = 30 кГц, выбранных исходя из литературных данных по обработке пирографита лазерным излучением и возможностей экспериментальной установки. При поиске режимов лазерного излучения, обеспечивающих отсутствие сколов и трещин в области обработки, а также достижение заданной и воспроизводимой глубины рельефа, необходимой для функционирования ФОЭ и ФПОЭ, наиболее информативным и легко регулируемым параметром, влияющим на качество обработки и физическую целостность прозрачных пластин, оказался коэффициент перекрытия К световых пятен при сканировании пучка.

Минимальная глубина рельефа на мишени ^ ~ 1 мкм, достигнутая при одном проходе сканирующей системы в условиях интенсивного удаления углерода в процессе испарения при плотности мощности одиночного импульса qp ~ 3 • 10-12 Вт/м2 обеспечивала минимальную глубину рельефа на плавленом кварце hsiO2 ~ 0.1 мкм. Дальнейшее увеличение глубин рельефа достигалось при увеличении числа проходов сканирующей системы N.

На Рисунке 2 [24] представлены зависимости глубины элементарных ячеек на плавленом кварце и пирографите от количества проходов сканирующей системы и от коэффициентов перекрытия лазерного пятна. При коэффициентах перекрытия менее 20% характерен слабый прирост глубин и отсутствие четких границ на краях элементарных ячеек, а при коэффициентах перекрытия более 60% характерен стремительный рост глубин, увеличение их отклонений и деформация элементарных ячеек. Это связано с увеличением энергетического вклада в процесс формирования трехмерного рельефа эрозионной плазмой; в материале возникают

термомеханические напряжения, которые могут привести к появлению сколов или трещин, ухудшающих качество поверхности. Таким образом, при формировании трехмерного рельефа на плавленом кварце коэффициенты перекрытия следует ограничить диапазоном от 20% до 60%.

Рисунок 2 - Зависимости глубины трехмерного рельефа на плавленом кварце (а) [24] и мишени (б) [24] от числа проходов сканирующей системы при

различных коэффициентах перекрытия, (в) на плавленом кварце от коэффициентов перекрытия при разном числе проходов сканирующей системы

В работе показано, что при коэффициентах перекрытия 50% глубина рельефа на плавленом кварце, отвечающая фазовому сдвигу ж для длины волны 1.06 мкм (1.18 мкм) достигается при 3 - 4 проходах сканирующей системы, а глубина, отвечающая сдвигу фаз 2ж(2.36 мкм) - при 8 проходах сканирующей системы. При этом суммарное значение глубин рельефа на мишени и плавленом кварце (локальный зазор) Д2макс = hм + hsю2 не превышает 8 мкм к моменту завершения формирования трехмерного рельефа и в ~ 70 раз меньше глубины фокусировки объектива, определяемой как zF = 2ДdжD/4X~ 0.6 мм, где D - диаметр пучка, падающего на фокусирующий объектив, X - длина волны излучения, Дd -

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шкуратова Виктория Александровна, 2025 год

Список литературы

[1] Yao A. M., Padgett M. J. Orbital angular momentum: origins, behavior and applications // Advances in Optics and Photonics. - 2011. - Т. 3. - №. 2. - С. 161-204.

[2] Zhan Q. Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications // Advances in Optics and Photonics. - 2009. - Т. 1. - №. 1. - С. 1-57.

[3] Gahagan K. T., Swartzlander G. A. Optical vortex trapping of particles // Optics Letters. - 1996. - Т. 21. - №. 11. - С. 827-829.

[4] Syubaev S. A., Kuchmizhak A. A., Porfirev A. P. Designing of spiral-shape beams to tailor chirality of laser-printed nanoneedles // Defect and Diffusion Forum. - 2018. -Т. 386. - С. 224-228.

[5] Gibson G. et al. Free-space information transfer using light beams carrying orbital angular momentum // Optics Express. - 2004. - Т. 12. - №. 22. - С. 5448-5456.

[6] Wei S. et al. Image edge-enhancement in optical microscopy with a phase mismatched spiral phase plate // Chinese Optics Letters. - 2011. - Т. 9. - №. 3. - N. 031001.

[7] Donato M. G. et al. Optical trapping of nanotubes with cylindrical vector beams // Optics Letters. - 2012. - Т. 37. - №. 16. - С. 3381-3383.

[8] Liu M. et al. Super-resolution optical microscopy using cylindrical vector beams // Nanophotonics. - 2022. - Т. 11. - №. 15. - С. 3395-3420.

[9] Hnatovsky C., Shvedov V. G., Krolikowski W. The role of light-induced nanostructures in femtosecond laser micromachining with vector and scalar pulses // Optics Express. - 2013. - Т. 21. - №. 10. - С. 12651-12656.

[10] Wang J. Advances in communications using optical vortices // Photonics Research. -2016. - Т. 4. - №. 5. - С. B14-B28.

[11] Kalita R., Gaffar M., Boruah B. R. The generation of arbitrary vector beams using a division of a wavefront-based setup // Journal of Optics. - 2016. - Т. 18. - №. 7. -N. 075604.

[12] Qi J. et al. Generation and double-slit interference of higher-order vector beams // Applied Optics. - 2013. - Т. 52. - №. 34. - С. 8369-8375.

[13] Massari M. et al. Fabrication and characterization of high-quality spiral phase plates for optical applications // Applied Optics. - 2015. - Т. 54. - №. 13. - С. 4077-4083.

[14] Zhou L. et al. Directly writing binary multi-sector phase plates on fused silica using femtosecond laser // High Power Laser Science and Engineering. - 2018. - Т. 6. - N. e6.

[15] Machavariani G. et al. Efficient extracavity generation of radially and azimuthally polarized beams // Optics Letters. - 2007. - Т. 32. - №. 11. - С. 1468-1470.

[16] Lai W. J. et al. Generation of radially polarized beam with a segmented spiral varying retarder // Optics Express. - 2008. - Т. 16. - №. 20. - С. 15694-15699.

[17] Sueda K. et al. Laguerre-Gaussian beam generated with a multilevel spiral phase plate for high intensity laser pulses // Optics Express. - 2004. - Т. 12. - №2. 15. - С. 35483553.

[18] Huff M. Recent advances in reactive ion etching and applications of high-aspect-ratio microfabrication // Micromachines. - 2021. - Т. 12. - №. 8. - N. 991.

[19] Карпеев С. В. и др. Четырехсекторный преобразователь поляризации, интегрированный в кристалл кальцита // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42. -№. 3. - С. 401-407.

[20] Wang J. et al. Vector optical field generation based on birefringent phase plate // Optics Express. -2017. - Т. 25. - №. 11. - С. 12531-12540.

[21] Malitson I. H. Interspecimen Comparison of the refractive index of fused silica // Journal of the Optical Society of America. - 1965. - Т. 55. - С. 1205-1208.

[22] Скропышев А.В., Кукуй А.Л. Исландский шпат / Л.: Недра, 1973. - 191 с.

[23] Veiko V. P. et al. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media // Quantum Electronics. - 2017. - Т. 47. - №. 9. - С. 842-848.

[24] Kostyuk G. K. et al. Microstructuring of fused silica by laser-induced microplasma using a pyrographite target for phase optical elements fabrication // Optics and Laser Technology. - 2025. - Т. 181. - N. 111657.

[25] Kostyuk G. et al. Optimization of fabrication technology of phase-polarization optical elements on Iceland spar by laser-induced microplasma // Optical and Quantum Electronics. - 2025. - T. 57. - N. 426.

[26] Kostyuk G. et al. Spiral phase plate for generation of scalar vortex beam made on fused silica by laser-induced microplasma // Optical and Quantum Electronics - 2023. -Т. 55. - №. 4. - N. 344.

[27] Kostyuk G. et al. Multisector binary phase plates on fused silica for generation of optical vortex beams superposition: Fabrication, characterization, and applications // Optics and Laser Technology - 2022. - T. 152. - N. 108161.

[28] Shkuratova V. A. et al. Multiplication of a Gaussian beam by a multisector binary phase plate into scalar vortex beams for laser microprocessing // Journal of Optical Technology - 2023. - T. 90. - №. 5. - С. 282-288.

[29] Костюк Г. К. и др. Влияние структурирования плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой и очистки на функционирование многосекторных бинарных фазовых пластин // Известия высших учебных заведений. Приборостроение - 2022. - Т. 65. - № 10. - С. 747-762.

[30] Liu S. et al. Highly efficient generation of arbitrary vector beams with tunable polarization, phase, and amplitude // Photonics Research. - 2018. - Т. 6. - №2. 4. - С. 228233.

[31] Rubinsztein-Dunlop H. et al. Roadmap on structured light // Journal of Optics. -2016. - Т. 19. - №. 1. - N. 013001.

[32] Forbes A., De Oliveira M., Dennis M. R. Structured light // Nature Photonics. -2021. - Т. 15. - №. 4. - С. 253-262.

[33] Maurer C. et al. Upgrading a microscope with a spiral phase plate // Journal of Microscopy. - 2008. - Т. 230. - №. 1. - С. 134-142.

[34] Rong Z. et al. Super-resolution microscopy based on fluorescence emission difference of cylindrical vector beams // Optics Communications. - 2015. - Т. 354. - С. 71-78.

[35] Zhan Q. Radiation forces on a dielectric sphere produced by highly focused cylindrical vector beams // Journal of Optics A. - 2003. - Т. 5. - №. 3. - С. 229-232.

[36] Zhan Q. Trapping metallic Rayleigh particles with radial polarization // Optics Express. - 2004. - Т. 12. - №. 15. - С. 3377-3382.

[37] Niziev V. G., Nesterov A. V. Influence of beam polarization on laser cutting efficiency // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1999. - T. 32. - №. 13. - C. 14551461.

[38] Drevinskas R. et al. Laser material processing with tightly focused cylindrical vector beams // Applied Physics Letters. - 2016. - T. 108. - №. 22. - C. 221107.

[39] Hnatovsky C. et al. Polarization-dependent ablation of silicon using tightly focused femtosecond laser vortex pulses // Optics Letters. - 2012. - T. 37. - №. 2. - C. 226-228.

[40] Mair A. et al. Entanglement of the orbital angular momentum states of photons // Nature. - 2001. - T. 412. - №. 6844. - C. 313-316.

[41] Allen L. et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre-Gaussian laser modes // Physical Review A. - 1992. - T. 45. - №. 11. - C. 81858189.

[42] Courtial J., Padgett M. J. Performance of a cylindrical lens mode converter for producing Laguerre-Gaussian laser modes // Optics Communications. - 1999. - T. 159. -№. 1-3. - C. 13-18.

[43] Chen M. et al. Dynamics of microparticles trapped in a perfect vortex beam // Optics Letters. - 2013. - T. 38. - №. 22. - C. 4919-4922.

[44] Forbes A. et al. Creation and detection of optical modes with spatial light modulators // Advances in Optics and Photonics. - 2016. - T. 8. - №. 2. - C. 200-227.

[45] Tyson R. K., Scipioni M., Viegas J. Generation of an optical vortex with a segmented deformable mirror // Applied Optics. - 2008. - T. 47. - №. 33. - C. 6300-6306.

[46] Chen Y. et al. Generation and characterization of a perfect vortex beam with a large topological charge through a digital micromirror device // Applied Optics. - 2015. -T. 54. - №. 27. - C. 8030-8035.

[47] Cheong W. C. et al. Direct electron-beam writing of continuous spiral phase plates in negative resist with high power efficiency for optical manipulation // Applied Physics Letters. - 2004. - T. 85. - №. 23. - C. 5784-5786.

[48] 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 // Chinese Physics Letters. - 2009. - T. 26. - №. 1. - N. 014202.

[49] Chen M. H., Liu Y. L., Su V. C. Gallium nitride-based geometric and propagation metasurfaces for vortex beam emissions // Heliyon. - 2024. - T. 10. - №2. 3. - N. e25436.

[50] Tian R., Zhang Z., Gao L. Multifunctional metasurface coding for visible vortex beam generation, deflection and focusing // Nanophotonics. - 2025. - T. 14. - №. 5. -C. 647-656.

[51] Ghai D. P. Generation of optical vortices with an adaptive helical mirror // Applied Optics. - 2011. - T. 50. - №. 10. - C. 1374-1381.

[52] Zhang K. et al. A review of orbital angular momentum vortex beams generation: from traditional methods to metasurfaces // Applied Sciences. - 2020. - T. 10. - №. 3. -N. 1015.

[53] Liu B. et al. Multifunctional vortex beam generation by a dynamic reflective metasurface // Advanced Optical Materials. - 2021. - T. 9. - №. 4. - N. 2001689.

[54] Wang W. et al. Ultra-thin optical vortex phase plate based on the metasurface and the angular momentum transformation // Journal of Optics. - 2015. - T. 17. - №. 4. -N. 045102.

[55] Zhang L. et al. Advances in full control of electromagnetic waves with metasurfaces // Advanced Optical Materials. - 2016. - T. 4. - №. 6. - C. 818-833.

[56] Karimi E. et al. Generating optical orbital angular momentum at visible wavelengths using a plasmonic metasurface // Light: Science & Applications. - 2014. - T. 3. - №2. 5. -N. e167.

[57] Arbabi A. et al. Dielectric metasurfaces for complete control of phase and polarization with subwavelength spatial resolution and high transmission // Nature Nanotechnology. - 2015. - T. 10. - №. 11. - C. 937-943.

[58] Zhu X. et al. Resonant laser printing of optical metasurfaces // Nano Letters. -2022. - T. 22. - №. 7. - C. 2786-2792.

[59] Ruffato G. et al. Spiral phase plates with radial discontinuities for the generation of multiring orbital angular momentum beams: fabrication, characterization, and application // Optical Engineering. - 2015. - T. 54. - №. 11. - N. 111307.

[60] Dorn R. et al. Sharper focus for a radially polarized light beam // Physical Review Letters. - 2003. - T. 91. - №. 23. - N. 233901.

[61] Zhan Q., Leger J. R. Focus shaping using cylindrical vector beams // Optics Express. - 2002. - T. 10. - №. 7. - C. 324-331.

[62] Li G. et al. Three-dimensional cooling of a single atom by a pair of counter-propagating tightly focused beams // Optics Express. - 2015. - T. 23. - №. 18. -C. 23571-23581.

[63] Sick B., Hecht B., Novotny L. Orientational imaging of single molecules by annular illumination // Physical Review Letters. - 2000. - T. 85. - №. 21. - C. 4482-4485.

[64] Gupta D. N. et al. Electron acceleration to GeV energy by a radially polarized laser // Physics Letters A. - 2007. - T. 368. - №. 5. - C. 402-407.

[65] Venkatakrishnan K., Tan B. Interconnect microvia drilling with a radially polarized laser beam // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2006. - T. 16. -№. 12. - C. 2603-2607.

[66] Kraus M. et al. Microdrilling in steel using ultrashort pulsed laser beams with radial and azimuthal polarization // Optics Express. - 2010. - T. 18. - №. 21. - C. 22305-22313.

[67] Alferov S. V. et al. On the possibility of controlling laser ablation by tightly focused femtosecond radiation // Quantum Electronics. - 2014. - T. 44. - №. 11. - C. 1061-1065.

[68] Khonina S. N. et al. Spatiotemporal dynamics of the polarisation state of laser radiation performed by lens-axicon combinations // Physics Letters A. - 2019. - T. 383. -№. 21. - C. 2535-2541.

[69] Quabis S., Dorn R., Leuchs G. Generation of a radially polarized doughnut mode of high quality // Applied Physics B. - 2005. - T. 81. - C. 597-600.

[70] Xin J. et al. Generation of polarization vortex beams by segmented quarter-wave plates // Chinese Optics Letters. - 2016. - T. 14. - №. 7. - N. 070501.

[71] Man Z. et al. Arbitrary vector beams with selective polarization states patterned by tailored polarizing films // Laser Physics. - 2013. - T. 23. - №. 10. - N. 105001.

[72] Phua P. B. et al. Mimicking optical activity for generating radially polarized light // Optics Letters. - 2007. - T. 32. - №. 4. - C. 376-378.

[73] Qi J. et al. A succinct method to generate multi-type HCV beams with a spatial spiral varying retardation-plate // Europhysics Letters. - 2018. - T. 121. - №. 5. - N. 54004.

[74] Rubano A. et al. Q-plate technology: a progress review // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. - 2019. - T. 36. - №. 5. - C. D70-D87.

[75] Cardano F. et al. Polarization pattern of vector vortex beams generated by q-plates with different topological charges // Applied Optics. - 2012. - T. 51. - №. 10. - C. C1-C6.

[76] Bomzon Z. et al. Radially and azimuthally polarized beams generated by space-variant dielectric subwavelength gratings // Optics Letters. - 2002. - T. 27. - №. 5. -C. 285-287.

[77] Beresna M. et al. Radially polarized optical vortex converter created by femtosecond laser nanostructuring of glass // Applied Physics Letters. - 2011. - T. 98. - №. 20. -N. 201101.

[78] Tidwell S. C., Ford D. H., Kimura W. D. Generating radially polarized beams interferometrically // Applied Optics. - 1990. - T. 29. - №. 15. - C. 2234-2239.

[79] Hongxu G. et al. Generating of vector vortex beams based on Mach-Zender interferometer // Chinese Journal of Lasers. - 2018. - T. 45. - №. 1. - N. 0105001.

[80] Niu C. H. et al. A new method for generating axially-symmetric and radially-polarized beams // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2005. - T. 38. - №. 6. -C. 827-832.

[81] Khonina S. N., Karpeev S. V. Grating-based optical scheme for the universal generation of inhomogeneously polarized laser beams // Applied Optics. - 2010. -T. 49. - №. 10. - C. 1734-1738.

[82] Zhou J. et al. Generation of Airy vortex and Airy vector beams based on the modulation of dynamic and geometric phases // Optics Letters. - 2015. - Т. 40. - №. 13. -С. 3193-3196.

[83] Chen H. et al. Generation of vector beam with space-variant distribution of both polarization and phase // Optics Letters. - 2011. - Т. 36. - №. 16. - С. 3179-3181.

[84] Shi L. et al. One exposure processing to fabricate spiral phase plate with continuous surface // Optics Express. - 2015. - Т. 23. - №. 7. - С. 8620-8629.

[85] Shkuratova V. et al. Laser-induced microplasma as effective tool for phase elements fabrication on amorphous and crystalline materials // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2018. - Т. 13. - №. 3. - С. 211-215.

[86] Shkuratova V. A. et al. Speckle-free smoothing of coherence laser beams by a homogenizer on uniaxial high birefringent crystal // Optical Materials Express. - 2019. -Т. 9. - №. 5. - С. 2392-2399.

[87] Mack C. Fundamental principles of optical lithography: the science of microfabrication / Hoboken: John Wiley & Sons, 2008. - 534 с.

[88] Rizvi S. Handbook of photomask manufacturing technology / Boca Raton: CRC Press, 2018. - 728 с.

[89] Davidson N., Ozeri R., Baron R. Fabrication of binary phase surface relief optical elements by selective deposition of dielectric layers // Review of Scientific Instruments. -1999. - Т. 70. - №. 2. - С. 1264-1267.

[90] Cherezova L. A., Mikhailov A. V. Using ion processing in nanotechnologies to obtain high-accuracy surfaces on optical items // Journal of Optical Technology. - 2010. -Т. 77. - №. 5. - С. 336-338.

[91] Рымкевич В. С. Метод лазерно-индуцированной микроплазмы для формирования оптических элементов: дис. ... канд. техн. наук - Национальный исследовательский университет ИТМО, 2022. - 276 с.

[92] Wisniewski-Barker E., Padgett M. J. Orbital angular momentum // Photonics. -2015. - Т. 1. - С. 321-340.

[93] Zhao Y. et al. Spin-to-orbital angular momentum conversion in a strongly focused optical beam // Physical Review Letters. - 2007. - T. 99. - №. 7. - N. 073901.

[94] Wang X. et al. Recent advances on optical vortex generation // Nanophotonics. -2018. - T. 7. - №. 9. - C. 1533-1556.

[95] Curtis J. E., Grier D. G. Structure of optical vortices // Physical Review Letters. -2003. - T. 90. - №. 13. - C. 133901.

[96] Vickers J. et al. Phase and interference properties of optical vortex beams // Journal of the Optical Society of America A. - 2008. - T. 25. - №. 3. - C. 823-827.

[97] Ng J. et al. Theory of optical trapping by an optical vortex beam // Physical Review Letters. - 2010. - T. 104. - №. 10. - C. 103601.

[98] Derbenev Y. S. Advanced optical concepts for electron cooling // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2000. - T. 441. - №. 1-2. - C. 223-233.

[99] Nagali E. et al. Quantum information transfer from spin to orbital angular momentum of photons // Physical Review Letters. - 2009. - T. 103. - №. 1. - C. 013601.

[100] Ostrovsky A. S. et al. Generation of the "perfect" optical vortex using a liquid-crystal spatial light modulator // Optics Letters. - 2013. - T. 38. - №. 4. - C. 534-536.

[101] Cano-Garcia M. et al. Dynamic multilevel spiral phase plate generator // Scientific Reports. - 2018. - T. 8. - №. 1. - N. 15804.

[102] Beijersbergen M. W. et al. Helical-wavefront laser beams produced with a spiral phase plate // Optics Communications. - 1994. - T. 112. - №. 5-6. - C. 321-327.

[103] Oemrawsingh S. S. R. et al. Production and characterization of spiral phase plates for optical wavelengths // Applied Optics. - 2004. - T. 43. - №. 3. - C. 688-694.

[104] Ruffato G. et al. Generation of high-order Laguerre-Gaussian modes by means of spiral phase plates // Optics Letters. - 2014. - T. 39. - №. 17. - C. 5094-5097.

[105] Oemrawsingh S. S. R. et al. Half-integral spiral phase plates for optical wavelengths // Journal of Optics A. - 2004. - T. 6. - №. 5. - N. S288.

[106] Lee W. M. et al. Optical vortex beam shaping by use of highly efficient irregular spiral phase plates for optical micromanipulation // Optics Letters. - 2004. - T. 29. -№. 15. - C. 1796-1798.

[107] Kotlyar V. V., Kovalev A. A. Fraunhofer diffraction of the plane wave by a multilevel (quantized) spiral phase plate // Optics Letters. - 2008. - T. 33. - №. 2. -C. 189-191.

[108] Chabrol G. R. et al. Investigation of diffractive optical element femtosecond laser machining // Applied Surface Science. - 2016. - T. 374. - C. 375-378.

[109] Kudryashov S. I. et al. High-throughput micropatterning of plasmonic surfaces by multiplexed femtosecond laser pulses for advanced IR-sensing applications // Applied Surface Science. - 2019. - T. 484. - C. 948-956.

[110] Pavlov D. et al. 10-million-elements-per-second printing of infrared-resonant plasmonic arrays by multiplexed laser pulses // Optics Letters. - 2019. - T. 44. - №. 2. -C. 283-286.

[111] Hayasaki Y. et al. Variable holographic femtosecond laser processing by use of a spatial light modulator // Applied Physics Letters. - 2005. - T. 87. - №. 3. - N. 031101.

[112] Zou H. et al. The study of various Dammann grating // Proceedings of SOPO. - 2010. - C. 1-4.

[113] Li J. et al. Quasi-continuous metasurface beam splitters enabled by vector iterative Fourier transform algorithm // Materials. - 2021. - T. 14. - №. 4. - N. 1022.

[114] Beck R. J. et al. Application of cooled spatial light modulator for high power nanosecond laser micromachining // Optics Express. - 2010. - T. 18. - №. 16. - C. 1705917065.

[115] Kuchmizhak A. A. et al. Multi-beam pulsed-laser patterning of plasmonic films using broadband diffractive optical elements // Optics Letters. - 2017. - T. 42. - №. 14. -C. 2838-2841.

[116] Khonina S. N. et al. Formation of hybrid higher-order cylindrical vector beams using binary multi-sector phase plates // Scientific Reports. - 2018. - T. 8. - №. 1. -N. 14320.

[117] Kazanskiy N. L. et al. Diffractive optical elements for multiplexing structured laser beams // Quantum Electronics. - 2020. - Т. 50. - №. 7. - С. 629-635.

[118] Khonina S. N., Volotovsky S. G. Controlling the contribution of the electric field components to the focus of a high-aperture lens using binary phase structures // Journal of the Optical Society of America A. - 2010. - Т. 27. - №. 10. - С. 2188-2197.

[119] Khonina S. N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions // Optical Engineering. - 2013. - Т. 52. - №. 9. -N. 091711.

[120] Борн М., Вольф Э. Основы оптики / М.: Наука, 1973. - 720 с.

[121] Kozawa Y., Sato S. Spatial resolution enhancement in laser scanning microscopy using vector beams // Proceeding of SPIE. - 2018. - Т. 10711. - N. 107110G.

[122] Oron R. et al. The formation of laser beams with pure azimuthal or radial polarization // Applied Physics Letters. - 2000. - Т. 77. - №. 21. - С. 3322-3324.

[123] Chen J. et al. Vectorial optical fields: recent advances and future prospects // Science Bulletin. - 2018. - Т. 63. - №. 1. - С. 54-74.

[124] Matsusaka S., Kozawa Y., Sato S. Micro-hole drilling by tightly focused vector beams // Optics Letters. - 2018. - Т. 43. - №. 7. - С. 1542-1545.

[125] Tang Y. et al. Laser-material interactions of high-quality ultrashort pulsed vector vortex beams // Micromachines. - 2021. - Т. 12. - №. 4. - N. 376.

[126] Naidoo D. et al. Controlled generation of higher-order Poincare sphere beams from a laser // Nature Photonics. - 2016. - Т. 10. - №. 5. - С. 327-332.

[127] Kawauchi H. et al. Generation of radially polarized Ti: sapphire laser beam using a c-cut crystal // Optics Letters. - 2008. - Т. 33. - №. 17. - С. 1984-1986.

[128] Bashkansky M. et al. Azimuthally and radially polarized light with a nematic SLM // Optics Express. - 2010. - Т. 18. - №. 1. - С. 212-217.

[129] Zhang Y. et al. Efficient generation of vector beams by calibrating the phase response of a spatial light modulator // Applied Optics. - 2017. - Т. 56. - №. 17. -С. 4956-4960.

[130] Li P. et al. Generation of perfect vectorial vortex beams // Optics Letters. - 2016. -T. 41. - №. 10. - C. 2205-2208.

[131] Lim B. C. et al. Fast switchable electro-optic radial polarization retarder // Optics Letters. - 2008. - T. 33. - №. 9. - C. 950-952.

[132] Spilman A. K., Brown T. G. Stress birefringent, space-variant wave plates for vortex illumination // Applied Optics. - 2007. - T. 46. - №. 1. - C. 61-66.

[133] Yue F. et al. Vector vortex beam generation with a single plasmonic metasurface // ACS Photonics. - 2016. - T. 3. - №. 9. - C. 1558-1563.

[134] Yi X. et al. Generation of cylindrical vector vortex beams by two cascaded metasurfaces // Optics Express. - 2014. - T. 22. - №. 14. - C. 17207-17215.

[135] Zhang F. et al. Efficient generation and tight focusing of radially polarized beam from linearly polarized beam with all-dielectric metasurface // Optics Express. - 2016. -T. 24. - №. 6. - C. 6656-6664.

[136] Machavariani G. et al. Spatially-variable retardation plate for efficient generation of radially-and azimuthally-polarized beams // Optics Communications. - 2008. -T. 281. - №. 4. - C. 732-738.

[137] Xin J. et al. Generation of optical vortices by using spiral phase plates made of polarization dependent devices // Optics Letters. - 2014. - T. 39. - №. 7. - C. 1984-1987.

[138] Kawauchi H. et al. Simultaneous generation of helical beams with linear and radial polarization by use of a segmented half-wave plate // Optics Letters. - 2008. - T. 33. -№. 4. - C. 399-401.

[139] Davis J. A. et al. Analysis of a segmented q-plate tunable retarder for the generation of first-order vector beams // Applied Optics. - 2015. - T. 54. - №. 32. - C. 9583-9590.

[140] Karimi E. et al. Efficient generation and sorting of orbital angular momentum eigenmodes of light by thermally tuned q-plates // Applied Physics Letters. - 2009. -T. 94. - №. 23. - N. 231124.

[141] Sanchez-Lopez M. M. et al. Spectral performance of a zero-order liquid-crystal polymer commercial q-plate for the generation of vector beams at different wavelengths // Optics and Laser Technology. - 2018. - T. 106. - C. 168-176.

[142] Nivas J. J. J., Allahyari E., Amoruso S. Direct femtosecond laser surface structuring with complex light beams generated by q-plates // Advanced Optical Technologies. -2020. - Т. 9. - №. 1-2. - С. 53-66.

[143] Zhou J. et al. Spin-dependent manipulating of vector beams by tailoring polarization // Scientific Reports. - 2016. - Т. 6. - №. 1. - С. 1-9.

[144] Maurer C. et al. Tailoring of arbitrary optical vector beams // New Journal of Physics. - 2007. - Т. 9. - №. 3. - С. 78.

[145] Chen S. et al. Generation of arbitrary cylindrical vector beams on the higher order Poincare sphere // Optics Letters. - 2014. - Т. 39. - №. 18. - С. 5274-5276.

[146] Man Z. et al. Arbitrary vector beams with selective polarization states patterned by tailored polarizing films // Laser Physics. - 2013. - Т. 23. - №. 10. - N. 105001.

[147] Ovsianikov A. et al. Ultra-low shrinkage hybrid photosensitive material for two-photon polymerization microfabrication // ACS nano. - 2008. - Т. 2. - №. 11. - С. 22572262.

[148] Brasselet E. et al. Photopolymerized microscopic vortex beam generators: Precise delivery of optical orbital angular momentum // Applied Physics Letters. - 2010. -Т. 97. - №. 21. - N. 211108.

[149] Zukauskas A. et al. Monolithic generators of pseudo-nondiffracting optical vortex beams at the microscale // Applied Physics Letters. - 2013. - Т. 103. - №. 18. -N. 181122.

[150] Hopp B. et al. Comparative study of different indirect laser-based methods developed for microprocessing of transparent materials // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2010. - Т. 5. - №. 1. - С. 80-85.

[151] 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.

[152] Hanada Y. et al. Development of practical system for laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) for micromachining of glass materials // Applied Physics A. - 2004. -Т. 79. - С. 1001-1003.

[153] Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation of fused quartz using the fourth harmonic of a Nd+: YAG laser // Applied Physics A. -1998. - T. 67. - C. 545-549.

[154] Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Micromachining of glass materials by laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) using a conventional nanosecond laser // Proceedings of SPIE. - 1999. - T. 3618. - C. 363-369.

[155] Hanada Y. et al. Double-pulse irradiation by laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) and mechanisms study // Applied Surface Science. - 2005. - T. 248. - №. 1. -C. 276-280.

[156] Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Direct fabrication of microgratings in fused quartz by laser-induced plasma-assisted ablation with a KrF excimer laser // Optics Letters. - 1998. - T. 23. - №. 18. - C. 1486-1488.

[157] Jiang Y., Pillai S., Green M. A. Realistic silver optical constants for plasmonics // Scientific Reports. - 2016. - T. 6. - №. 1. - C. 1-7.

[158] Sarma U., Joshi S. N. Machining of micro-channels on polycarbonate by using laser-induced plasma assisted ablation (LIPAA) // Optics and Laser Technology. -2020. - T. 128. - N. 106257.

[159] Rahman T. U. et al. The role of sacrificial target material in micromachining of glass using laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) // Radiation Effects and Defects in Solids. - 2021. - T. 176. - №. 7-8. - C. 662-672.

[160] Hopp B. et al. Production of submicrometre fused silica gratings using laser-induced backside dry etching technique // Journal of Physics D: Applied Physics. -2006. - T. 39. - №. 22. - C. 4843-4847.

[161] Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side etching of fused silica with KrF excimer laser using thin chromium layers // Physica Status Solidi (a). - 2012. -T. 209. - №. 6. - C. 1114-1118.

[162] 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 // Applied Surface Science. - 2012. - T. 258. - №. 24. - C. 9742-9746.

[163] Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side etching: an easy and fast method for sub-^m structuring of dielectrics // Physics Procedia. - 2012. - T. 39. -C. 542-547.

[164] Ehrhardt M. et al. Studies of the confinement at laser-induced backside dry etching using infrared nanosecond laser pulses // Applied Surface Science. - 2018. - T. 427. -C. 686-692.

[165] Hopp B. et al. Laser-induced backside dry etching: wavelength dependence // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2008. - T. 41. - №. 17. - N. 175501.

[166] Nieto D. et al. Aluminum thin film enhanced IR nanosecond laser-induced frontside etching of transparent materials // Optics and Lasers in Engineering. - 2017. - T. 88. -C. 233-242.

[167] Chao H. et al. Fabrication of microtransmittance grating using laser induced backside dry etching // Journal of Laser Applications. - 2012. - T. 24. - №. 1. -N. 012001.

[168] Ding X. et al. Micronand submicron sized surface patterning of silica glass by LIBWE method // Journal of Photochemistry and Photobiology A. - 2004. - T. 166. -№ 1. - C. 129-133;

[169] Zimmer K. et al. Excimer laser-induced etching of sub-micron surface relief gratings in fused silica using phase grating projection // Applied Physics A. - 2002. -T. 74. - № 4. - C. 453-456.

[170] Tsai C. H., Chiue D. W. Laser etching technique using bubble jet impact for glass substrates // Applied Physics A. - 2015. - T. 118. - № 4. - C. 1501-1508;

[171] Niino H. et al. Surface micro-fabrication of silica glass by excimer laser irradiation of organic solvent // Journal of Photochemistry and Photobiology A. - 2003. - T. 158. -№ 2. - C. 179-182.

[172] Niino H. et al. Surface micro-structuring of silica glass by laser-induced backside wet etching with ns-pulsed UV laser at a high repetition rate // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2006. - T. 1. - № 1. - C. 39-43.

[173] Kopitkovas G. et al. Fabrication of micro-optical elements in quartz by laser induced backside wet etching // Microelectronic Engineering. - 2003. - Т. 67. - С. 438444.

[174] Kopitkovas G. et al. Surface micromachining of UV transparent materials // Thin Solid Films. - 2004. - Т. 453. - С. 31-35.

[175] Kopitkovas G. et al. Fabrication of beam homogenizers in quartz by laser micromachining // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. - 2004. -Т. 166. - №. 1-3. - С. 135-140.

[176] Kostyuk G. K. et al. Fast microstructuring of silica glasses surface by NIR laser radiation // Optics and Lasers in Engineering. - 2015. - Т. 68. - С. 16-24.

[177] Kostyuk G. K. et al. Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting // Optics and Lasers in Engineering. - 2017. - Т. 92. - С. 63-69.

[178] Veiko V. P. et al. Two-phase mechanism of laser-induced removal of thin absorbing films. I. Theory // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1980. - Т. 13. - №. 8. -С. 1565-1570.

[179] Rymkevich V. S., Boloshko A. A., Sergeev M. M. Influence of laser pulse duration on fused silica treatment using laser-induced microplasma // Journal of Optical Technology. - 2023. - Т. 90. - №. 4. - С. 199-204.

[180] Трофимова О. А. Пирографитовые сеточные узлы электровакуумных приборов: дис. ... канд. техн. наук - Саратовский государственный технический университет, 2007. - 127 с.

[181] Вейко В. П., Либенсон М. Н. Лазерная обработка / Л.: Лениздат, 1973. - 192 с.

[182] Djurisic A.B., Li E.H. Optical properties of graphite // Journal of Applied Physics. -1999. - Т. 85. - №. 10. - С. 7404-7410.

[183] Ерошенко В. Д., Овчинников А. Н., Васильев А. Н. Разработка способа силицирования высокоплотного графита марки МПГ // Информационно-технологический вестник. - 2021. - №. 2. - С. 170-179.

[184] Фролов А. В. и др. Перспективные направления развития технологий производства конструкционного графита // Огнеупоры и техническая керамика. -2011. - №. 10. - С. 41-48.

[185] Виргильев Ю. С. Пористость и некоторые другие физические свойства конструкционного графита // Химия твердого топлива. - 1973. - №. 5. - С. 102.

[186] Лутков А.И. О влиянии пористости на эффективную теплопроводность графита // Инженерно-физический журнал. - 1973. - Т. 25. - №. 2. - С. 323.

[187] Станкус С. В. и др. Теплофизические свойства графита МПГ-6 // Теплофизика высоких температур. - 2013. - Т. 51. - №. 2. - С. 205-209.

[188] Горбатов В. И., Куриченко А. А. Теплофизические свойства мелкозернистого графита МПГ-7 с химической и структурной гетерогенностью // Теплофизика высоких температур. - 2022. - Т. 60. - №. 5. - С. 676-681.

[189] Петров В. А. и др. Некоторые теплофизические свойства изотропного пиролитического графита // Теплофизика высоких температур. - 1973. - Т. 11. -№. 2. - С. 308-313.

[190] Фиалков А. С. и др. Пирографит. Получение, структура, свойства // Успехи химии. - 1965. - Т. 34. - №. 1. - С. 132-153.

[191] Smith W. H., Leeds D. H. Pyrolytic graphite // Modern Materials. - 1970. - Т. 7. -С. 139-221.

[192] Нагорный В.Г. Свойства конструкционных материалов на основе углерода / М.: Металлургия, 1975. - 335 с.

[193] Шорникова О. Н. Модифицированный интеркалированный графит и пенографит на его основе: получение и свойства: дис. ... канд. хим. наук -Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, 2008. - 166 с.

[194] Zakoldaev R. et al. Fast fabrication of multilevel phase plates used for laser beam correction // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2017. - Т. 12. - №. 3. - С. 281285.

[195] Denkena B., Krodel A., Grove T. On the pulsed laser ablation of polycrystalline cubic boron nitride - Influence of pulse duration and material properties on ablation characteristics // Journal of Laser Applications. - 2019. - Т. 31. - №. 2. - N. 022004.

[196] Shkuratova V. et al. Rapid fabrication of spiral phase plate on fused silica by laser-induced microplasma // Applied Physics B. - 2020. - Т. 126. - С. 1-6.

[197] Koval V. V. et al. Changes in the spectral characteristics of quartz-glass plates when they are processed with laser-induced plasma // Journal of Optical Technology. - 2017. -Т. 84. - №. 7. - С. 447-452.

[198] Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Integration of 3D micro-optics and microfluidics in a glass chip using a femtosecond laser for photonic applications // Proceedings of SPIE. - 2005. - Т. 5627. - С. 247-256.

[199] Ahamed M. J., Senkal D., Shkel A. M. Effect of annealing on mechanical quality factor of fused quartz hemispherical resonator // Proceedings of IEEE ISISS. - 2014. -С. 1-4.

[200] Wang Y., Shkel A. M. Study on surface roughness improvement of Fused Quartz after thermal and chemical postprocessing // Proceedings of IEEE ISISS. - 2016. - P. 101-104.

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

[202] Mikhail R. S. et al. Morphology and surface area changes in the thermal dissociation of Iceland spar // Journal of Colloid and Interface Science. - 1980. - Т. 75. - №. 1. -С. 74-84.

[203] Ландсберг Г. С. Оптика. Учебное пособие / М.: Физматлит, 2010. - 848 c.

[204] Weber R. et al. Effects of radial and tangential polarization in laser material processing // Physics Procedia. - 2011. - Т. 12. - С. 21-30.

Список иллюстративного материала

Рисунок 1 - Волновой фронт и распределение интенсивности в дальнем поле,

характерные для вихревого пучка...............................................................................85

Рисунок 2 - Схематическое изображение рельефа СФП..........................................88

Рисунок 3 - Схематическое изображение конструкции МБФП..............................90

Рисунок 4 - Распределение вектора поляризации по сечению пучков: (а) с

радиальной поляризацией, (б) с азимутальной поляризацией.................................92

Рисунок 5 - Схематическое изображение конструкции непрерывно изменяющегося

СФЗ.................................................................................................................................97

Рисунок 6 - Схематическое изображение конструкции СФЗ, разделенного на два полукруга........................................................................................................................99

Рисунок 7 - Экспериментальная установка, предназначенная для формирования произвольных векторных пучков на основе секторных поляризационных пленок

.......................................................................................................................................100

Рисунок 8 - Экспериментальные (вторая и четвертая колонки) и смоделированные (третья и пятая колонки) распределения интенсивности в дальнем поле без и с линейным поляризатором для генерируемых квазирадиальных пучков при числе

секторов преобразователя N = 4 и 8..........................................................................101

Рисунок 9 - Экспериментальные (вторая и четвертая колонки) и смоделированные (третья и пятая колонки) распределения интенсивности в дальнем поле без и с линейным поляризатором для генерируемых квазиазимутальных пучков при числе

секторов преобразователя N = 4 и 8..........................................................................101

Рисунок 10 - Распределения интенсивности, сформированные четырехсекторной СБФП на различных длинах волн в ближнем поле (размер изображений 3 х 4 мм)

.......................................................................................................................................103

Рисунок 11 - Процесс изготовления СФП с применением электронно-лучевого осаждения пленки оксида кремния: (а) общая схема, (б) используемые маски... 107 Рисунок 12 - Внешний вид ФПОЭ, состоящих из: (а) полуволновых пластин, (б) четвертьволновых пластин...................................................................................115

Рисунок 13 - Изготовление СФЗ методом сухого травления индуктивно-связанной плазмой аргонового газа: (а) силиконовые маски, использованные при

изготовлении, (б) результат изготовления...............................................................117

Рисунок 14 - СФЗ, изготовленный фотолитографией с последующим ионным тралением: (а) внешний вид элемента, (б) профиль шероховатости поверхности

.......................................................................................................................................118

Рисунок 15 - Профилограмма области перехода от вытравленного сектора к невытравленному сектору в СБФП, изготовленной на пластине исландского шпата

методом химического травления...............................................................................120

Рисунок 16 - Оптическая схема экспериментальной установки проекционного метода обработки ЛИМП: 1 - пучок лазера Nd:KGW, 2 - узел сканирования X, 3 -узел сканирования Y, 4 - узел маски, 5 - телескоп Галилея, 6 - зеркало на 1.06 мкм, 7 - проецирующий объектив, 8 - образец, 9 - трехкоординатный юстировочный столик для позиционирования образца, 10 - защитный светофильтр, 11 - зеркало, 12 - окуляр для наблюдения (а - сапфировая пластина, прижатая к поверхности резиновой мишени; Ь - сапфировая пластина, находящаяся на расстоянии 0.6 мм от

резиновой мишени; с - металлический образец).....................................................122

Рисунок 17 - Образец микромаркировки на сапфире (одно деление сетки - 5 мкм)

.......................................................................................................................................123

Рисунок 18 - Принципиальная схема структурирования оптически прозрачных

материалов ЛИМП......................................................................................................127

Рисунок 19 - Коэффициенты перекрытия лазерного пятна...................................130

Рисунок 20 - Спектр пропускания кварцевого стекла марки КУ-1 толщиной 1 мм

.......................................................................................................................................132

Рисунок 21 - Спектр пропускания исландского шпата сорта Экстра толщиной 1 мм .......................................................................................................................................133

Рисунок 22 - Спектры отражения графита МПГ-6 и пирографита после предварительной полировки......................................................................................139

Рисунок 23 - Снимки поверхности графитовой мишени МПГ-6 на разных участках и профилограммы ячеек, записанных при одинаковых режимах лазерного

воздействия с разными коэффициентами перекрытия............................................140

Рисунок 24 - Экспериментальная установка для создания трехмерного рельефа на поверхности оптически прозрачных материалов под действием ЛИМП: 1 -волоконный иттербиевый лазер, 2 - сканирующая система, 3 - объектив плоского

поля, 4 - оптически прозрачная пластина, 5 - мишень из пирографита...............143

Рисунок 25 - Экспериментальная зависимость глубины трехмерного рельефа на мишени из пирографита и на пластине плавленого кварца, находящихся в плотном

контакте, от плотности мощности при 1 проходе сканирующей системы...........146

Рисунок 26 - Пояснения к параметрам процесса лазерного воздействия на

пирографитовую мишень...........................................................................................149

Рисунок 27 - Типичные профилограммы поверхности дна треков записи на плавленом кварце при 2 проходах сканирующей системы: (а) K = 0.2, (б) K = 0.5,

(в) K = 0.8......................................................................................................................151

Рисунок 28 - Зависимость глубины трехмерного рельефа от количества проходов с различными коэффициентами перекрытия K = 0.2, 0.5 и 0.8: (а) на плавленом

кварце, (б) на пирографите.........................................................................................152

Рисунок 29 - Зависимость глубины трехмерного рельефа и снимки поверхности плавленого кварца, выполненные на электронном микроскопе Scios Dual Beam FEI при увеличении 135х, от коэффициентов перекрытия при разных значениях числа

проходов сканирующей системы...............................................................................154

Рисунок 30 - Снимок поверхности плавленого кварца, выполненный на

электронном микроскопе Scios Dual Beam FEI при увеличении 3000х................155

Рисунок 31 - Зависимость глубины трехмерного рельефа от количества проходов сканирующей системы (Рср = 9 Вт, V = 750 мм/с, f = 30 кГц, т = 50 нс, d = 50 мкм, K

= 0.5): (а) на плавленом кварце, (б) на пирографите...............................................156

Рисунок 32 - Пояснения к определению глубины фокусировки...........................157

Рисунок 33 - Зависимость глубины трехмерного рельефа на мишени из пирографита и на пластине исландского шпата, находящихся в плотном контакте,

от плотности мощности при 1 проходе сканирующей системы............................168

Рисунок 34 - Зависимость глубины трехмерного рельефа от количества проходов с различными коэффициентами перекрытия K = 0.2, 0.5 и 0.8: (а) на исландском

шпате, (б) на пирографите..........................................................................................171

Рисунок 35 - Зависимость глубины трехмерного рельефа и снимки поверхности исландского шпата, выполненные на электронном микроскопе Scios Dual Beam FEI при увеличении 135х, от коэффициентов перекрытия при разных значениях числа

проходов сканирующей системы...............................................................................172

Рисунок 36 - Снимок поверхности исландского шпата, выполненный на

электронном микроскопе Scios Dual Beam FEI при увеличении 3000х................173

Рисунок 37 - Типичные изображения 3D профиля элементарных ячеек и глубин рельефа вдоль треков записи в элементарной ячейке при f = 30 кГц: (а) K = 0.2, V = 1200 мм/c, N = 6, (б) K = 0.5, V = 750 мм/c, N = 6, (в) K = 0.8, V = 300 мм/c, N = 6)

.......................................................................................................................................174

Рисунок 38 - Зависимость глубины трехмерного рельефа от количества проходов сканирующей системы (Рср = 2.6 Вт, V = 750 мм/с, f = 30 кГц, г= 50 нс, d = 50 мкм,

K = 0.5): (а) на исландском шпате, (б) на пирографите...........................................175

Рисунок 39 - Микрофотографии и профилограммы элементарных ячеек, записанных ЛИМП: (а) на пластине исландского шпата до влажной лазерной очистки, (б) на пластине исландского шпата после влажной лазерной очистки со

спиртом.........................................................................................................................182

Рисунок 40 - Шаблон изготовления СФП с 20 секторами.....................................187

Рисунок 41 - Фотография изготовленной СФП.......................................................188

Рисунок 42 - Экспериментальная установка для тестирования СФП: 1 - волоконный лазер, 2 - нейтральный фильтр, 3 - призма Глана, 4 - СФП, 5 - фокусирующий объектив, 6 - зеркало, 7 - КМОП камера...............................189

Рисунок 43 - Результаты тестирования СФП в дальнем поле: (а) исходное распределение интенсивности, (б) распределение интенсивности, полученное с применением СФП, а также сравнение теоретического и экспериментального

профиля распределения интенсивности...................................................................190

Рисунок 44 - Шаблоны изготовления МБФП с 4, 6, 10 и 20 секторами...............192

Рисунок 45 - Результат изготовления МБФП с 8 секторами: (а) микрофотография, (б) профиль поверхности, (в) 3D профиль поверхности центральной области ... 194 Рисунок 46 - Экспериментальная установка для тестирования МБФП: 1 - волоконный лазер, 2 - нейтральный фильтр, 3 - призма Глана, 4 - МБФП, 5 - фокусирующий объектив, 6 - светоделительное зеркало, 7 - КМОП камера,

8 - образец полированной стали................................................................................195

Рисунок 47 - Типичные картины распределения интенсивности, полученные с

применением МБФП в плоскости повышенного контраста...................................196

Рисунок 48 - Микрофотографии отпечатков на стальном образце, полученные при использовании МБФП: (а) с 4 секторами, (б) с 6 секторами, (в) с 10 секторами. 198

Рисунок 49 - Шаблон изготовления СБФП с 4 секторами.....................................200

Рисунок 50 - Микрофотография центральной области изготовленной СБФП,

выполненная с применением микроскопа Zeiss Axio Imager.................................200

Рисунок 51 - Экспериментальные установки для тестирования СБФП: 1 - лазерный модуль, 2 - поляризатор, 3 - изготовленная СБФП, 4 - анализатор, 5.1 -

фокусирующая линза, 5.2 - экран, 6 - КМОП камера............................................201

Рисунок 52 - Результаты тестирования изготовленных СБФП в ближнем поле: (а) при параллельной ориентации направления пропускания поляризатора и анализатора, (б) при перпендикулярной ориентации направления пропускания

поляризатора и анализатора.......................................................................................203

Рисунок 53 - Шаблон изготовления СФЗ с 8 секторами........................................209

Рисунок 54 - Экспериментальная установка для тестирования СФЗ: 1 - лазерный модуль, 2 - четвертьволновая пластина, 3 - изготовленный СФЗ, 4 -

четвертьволновая пластина, 5 - фокусирующий объектив, 6 - анализатор, 7 -

КМОП камера..............................................................................................................210

Рисунок 55 - Результаты тестирования СФЗ: (а) кольцевое распределение интенсивности радиально поляризованного пучка, (б) распределения интенсивности радиально поляризованного пучка при вращении анализатора,

(в) кольцевое распределение интенсивности азимутально поляризованного пучка,

(г) распределения интенсивности азимутально поляризованного пучка при вращении анализатора................................................................................................211

Список таблиц

Таблица 1. Основные параметры кварцевого стекла КУ-1.....................................132

Таблица 2. Основные параметры исландского шпата сорта Экстра.....................135

Таблица 3. Основные параметры пирографита........................................................141

Таблица 4. Оценка отклонения глубин трехмерного рельефа на плавленом кварце и

его влияние на отклонение фазы...............................................................................159

Таблица 5. Результаты измерения глубин трехмерного рельефа на исландском шпате при различных коэффициентах перекрытия и количестве проходов

сканирующей системы................................................................................................170

Таблица 6. Оценка отклонения глубин трехмерного рельефа на исландском шпате

и его влияние на отклонение фазы............................................................................177

Таблица 7. Интенсивности каждого из СП в распределении, сформированном в дальнем поле с применением МБФП с 4 секторами...............................................197

Благодарности

Автор работы выражает большую признательность своему научному руководителю к.т.н. Галине Кирилловне Костюк за наставничество, переданный опыт в постановке и решении исследовательских задач и всестороннюю помощь в ходе проведения исследований и написания диссертации.

Также автор благодарит д.т.н. Вадима Павловича Вейко и к.т.н. Андрея Анатольевича Петрова за обсуждение полученных в ходе исследований результатов и студентов Никиту Алексеевича Нестерова и Антона Александровича Сеннова за ассистирование при проведении экспериментальных исследований.

Отдельную благодарность соискатель выражает всем членам своей семьи за безграничную поддержку, помощь и терпение, проявленные в процессе подготовки диссертационной работы.

Приложение 1. Результат интеллектуальной деятельности

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

1141

RU

un

2 728 214" ' С1

см

СО

сч

(M

n (г

(51) M11K G02F1/03 (2firif. ni ) B82Y 40Ю0 12011.1)1)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(") ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Ш) С ПК

C02F1/031112020.U2): BH2Y 40/00 (2020.02)

(21 )(22) Заявкам 2019135224, ВL 11.2019

(241 Дата йвчала отсчета срока действия патента;

01.11.2019

Дата регистра ЦИН:

28.07.2020

Приоритеты):

(22) Дата подачи тая яки: 01.11.2019

(45) ОпуШнкйвзнЙ: 28.07.2020 ВВД. № 22

Адрес ..зли переписки:

197101, Санкт-Петербург. Кронверкский гтр , 49, лит. А, Университет ИТМО, ОИС н НТИ

(721 Автор(Ы):

Коспок Галина Кирилловна (RU), Шнуратош Виктория Алексапдронна (RU), Сергеев Максим Михайлович (RLT), Рымкевич Владимир Сергеевич (RU)

{7 3) П ате в тоо 5: i адагел к (и}:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет HTM О" (Университет ИТМО) (RU)

{,561 Список локуменt ов, цитированных в отчете Li поиске; РЬаа Р и др. "Mimicking optical acliviiy fur generating radially polarized Light" Optics"Letters, 2007, V 32, N 4. стр. 376-378 RU 2680728 CI. 2602 2019 WO 2009012789 Al, 29.01:2009 С В 2496013 A, Ol 03.2013

Изобретение относится к области изготовлении оптических элементов, обеспечивающих преобразование гауссовых пучков в кольцевые пучки с радиальной поляризацией. Способ изготовления многосскторпой спиральной фазовой пластины с варьируемым задерживанием по фазе с

числом секторов, равным па гшаептпе ш исландского шпата, кристаллическая ось которой ориентирована параллельно поверхности пластины, в котором число секторов М№4 деляг па 4 группы, в Каждой из которой выбирают число се к го ров N,„„/4, а последовательное траплевке каждою из секторов нлааины за исключением первою, толщина которого раина I *л ] [ в 1 не к рнс I ш I.: 1 и чес к< >п I ! ла с гп н ы г н а зада в н у 1! 1 I лубнпу:

h= ШгМ

73 С

ю

-vi

N3 00 M

О

(541 Способ изготовления многоегкторной епирзл).ной фазовой пластины е варьируем!.im задерживанием по фазе (SVR)

(57) Реферат:

где - длина волны. N - помер сектора, н„ и щ - показатели преломления для обыкновенной н необыкновенной воли соответственно, осуществляю! пугем перемещения

сфокусированного пучка лазерного излучения ближнего ПК диапазона наносекунд! юн длительности импульса в плоскости Контакта кристаллической пластины и пластины прессованного графили в пределах сектора, при атом Направление пери о и и последующих лнпии перемещения выбирают параллельным радиусу сектора, от которою начинаю! перемещение и которое осуществляют от края сектора ЬУК [; се центру, далее процесс повторяют для каждого из последующих секторов до момента завершения

crp г

russian federation

<l')|

o

CM CO CM f-CM

tt

RU

III!

2 728 21411 C1

isi) 11it.a.

G02FI/03 (2U06.U1) BS2Y 40/00 (2011(11)

FEDERAL SERVICE FOR INTELLECTUAL PROPERTY

"-) ABSTRACT OF INVENTION

<52) CPC

G02F t/0311 (2020.02): BS2Y 40/0012020.02)

(21K22) Application: 2019135224, 01.11.2019 (72) Inventons):

(24) Effective date for property rights; 01.11.2019 Kostyuk Galitia Kirillovna (RU). Shkuratova Viktoriya Alcksandrovna (RU), Sergeev Maksim Mikhajlovich (RU),

Registration date: Ryrakevich Vladimir Sergeevich (RU)

28.07.2020 (73 ) Proprietor! s ):

Priority: fcderalnoe gosudarstvennoc avtononinoe

< 22) Date of filing: 01.11.2019 obrazovatelnoe uchrezhdenie vysshego

(45) Dale of publication: 28 07.2020 Bull. jYs 22 obrazovaniya "Natsionaînyj issledovatelskij Universität ITMO" (Universitet ITMO) (RU)

Mail address:

197101, Sattkt-Pe ter burg. Kronverkskij pr., 49, lit

A, Uni vers i let ITMO, OIS i NTI

(54) METHOD OF MANUFACTURING MULTISECTOR DELAY (SVR) (57) Abstract:

FIELD: optics.

SL'BSTANCE: invention relates in pro Jul'! ion of optical elements, which enable conversion of Gaussian beams into circular beams with radial polarization Method ^fntsnutUetiiring inuliisector spiral phase plate with variable phase delay {SVR) with number of sectors equal (¡1 \ |1L on a plate (nun l,v!n:.: spar, crystalx: ■ ofwliich is oriented parallel to plate surface, in which the number til" sectors N]P1UX p4 divided into 4 groups, in each oI" which the number of sectors Nmllt/4 is selected, and successive etching of each sector tif the plare with the exception of the first one. the thickness of which is equal to the ihiekness of ihe crystal plate, at the specified depth: b=(2(N-11/j/(N„^In^rflJ); where i. is wavelength, N is sector ¡number, n„ and n^ are refmetion indices In ordinary ant.! extraordinary waves respectively, is carried out by moving a focused beam of near-1R I astir radiation of nanosecond pulse duration

73

ro

-J ro 00 ro

SPIRAL PHASE PLATE WITH VARIABLE PHASE

in the plane of contact of the c rystalline plate and the pressed graphite plate, within Ihe sector, wherein direction of first and subsequent movement lines arc selected parallel to sector radius, from which movement is started and which is carried out from sector edge SV U to its center, then the process is repeated for each of subsequent sectors until completion of SVR formation, wherein in each of the groups the power density, the pulse tepetilinn rate, the focused beam movement speed and the number of displacements for each of the sectors parallel to the sector sectors hues are entered, the values of which ate given in the claim, and after completion of SVR IbrmaLion annealing is perforated in furnace temperature not lower than 500 "C and not higher than 550 V with annealing duration of not less than I 2 hours.

EFFECT: higher SVR manufacturing quality.

1 cl, 41 dwg

ftp 3

Изобретение относится к области изготовления оптических элементов, которые могут быть использованы для преобразования Гауссовых пучков с циркулярной поляризацией в кольцевые пучки с радиальной поляризацией. Кольцевые пучки с радиальной поляризацией широко востребованы в таких высокотехнологичных областях, как высокоразрешающая микроскопия, управление движением диэлектрических, металлических и биологических частиц микро- и наноразмеров, охлаждение атомов, а также в высокоточной лазерной микро- и нанообработки.

Известна технология изготовления многосекторной спиральной фазовой пластины с варьируемым задерживанием по фазе (SVR) на пластине из одноосного двулучепреломляющего кристалла, кристаллическая ось которого ориентирована параллельно поверхности пластины (Y-срез) (Lai W.J., Lim B.C., Phua P.В., Tiaw K.S., Teo H.H., Hong M.H. Generation of radially polarized beam with a segmented spiral varying retarder // Optics Express. - 2008. - T. 16. - №. 20. - C. 15694-15699), заключающееся в многоступенчатом сухом травлении поверхности пластины индуктивно-связанной плазмой аргона в вакууме с применением масок, число которых на единицу меньше числа секторов в SVR, поскольку толщина первого сектора пластины рассматривается как толщина исходной пластины. Минимальное число секторов, обеспечивающих приемлемое качество преобразования пучка - 8. Перед проведением процесса травления каждого из секторов маска центрируется и наклеивается на кристаллическую пластину, после процесса травления маску удаляют, и пластина подвергается очистке с применением изопропилового спирта. В способе-аналоге в качестве материала для изготовления SVR был использован одноосный отрицательный а-ВВО кристалл, характеризуемый высокой прозрачностью в диапазоне длин волн 0.19-3.50 мкм и значительной величиной двулучепреломления в диапазоне своей прозрачности Ап= Dno-neD~0.1, где п0и пе - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно. К недостаткам способа относятся применение центрировки, наклеивания, удаления и очистки маски после каждого процесса травления, результатом которых является значительная длительность изготовления SVR. По мере увеличения числа секторов, а их увеличение приводит к повышению качества преобразования, сложность и длительность процесса изготовления будут многократно возрастать.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является технология влажного лазерного травления тыльной поверхности оптически прозрачных материалов (LIBWE) (Phua R, Lai W., Lim Y., Tiaw К., Lim В., Teo H., Hong M. Mimicking optical activity for generating radially polarized light // Optics Letters. - 2007. - T. 32. - №. 4. - C. 376-378), принятая авторами в качестве прототипа. Эта технология основана на сильном поглощении лазерного излучения органическим раствором (пирен/толуол,...), находящимся в контакте с оптически прозрачным для УФ излучения диэлектриком. Изготовление SVR в форме круга с числом секторов, равным Nmax, на кристаллической пластине, кристаллическая ось которой ориентирована параллельно поверхности пластины (Y-срез), в соответствии со способом, отвечающим технологии LIBWE, заключается в последовательном травлении каждого из секторов за исключением первого, толщина которого равна толщине кристаллической пластины, на заданную глубину, определяемую числом, меньшим на единицу числа секторов Nmax в SVR, путем перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения с наносекундной длительностью импульса в плоскости контакта кристаллической пластины, высокопрозрачной для проходящего сквозь нее излучения, и материала, значение коэффициента поглощения которого для используемой длины волны лазерного

излучения близко к 1.0, в пределах сектора, при этом направление первой и последующих линий перемещения выбирают параллельным радиусу сектора, от которого начинают перемещение и которое осуществляют от края сектора БУИ к ее центру для каждой линии перемещения до момента достижения заданной для соответствующего сектора глубины травления:

д- 2(ЛГ-1)Я

где X - рабочая длина волны, N - номер сектора, М|п;1Х - полное число секторов, п0 и пе - показатели преломления для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно,

далее процесс повторяют для каждого из последующих секторов после второго сектора до момента завершения формирования БУИ. В качестве одноосного двулучепрелоляющего кристалла для изготовления 8У11 был использован кристаллический кварц, характеризуемый высокой прозрачностью в диапазоне длин волн 0.15-4.50 мкм и значением двулучепреломления в диапазоне своей прозрачности Дп -0.01. Значение Дп кристаллического кварца значительно меньше Дп а-ВВО кристалла, применяемого в способе-аналоге. Недостатком данной технологии является применение для формирования рельефа БУИ УФ излучения, требующего специальной дорогостоящей оптики, а также специальной конструкции кюветы для жидкости. Сложность конструкции кюветы, обеспечивающей контакт кристаллической пластины с органической жидкостью, накладывает ограничение на количество секторов и, соответственно, качество преобразования, осуществляемого К недостаткам способа-прототипа также можно отнести выбор материала для изготовления БУЯ. поскольку низкое значение Дп кристаллического кварца требует больших глубин травления и, таким образом, приводит к увеличению длительности процесса изготовления и вероятности растрескивания пластины.