连续衍射光学元件的制造方法、实施该制造方法的装置以及连续衍射光学元件

技术领域

本发明涉及用于制造连续衍射光学元件的方法，该衍射光学元件用于对具有第一波长的激光束进行光束成形。

此外，本发明涉及用于实施上述方法的装置和连续衍射光学元件。

背景技术

衍射光学元件，缩写为DOE，允许对激光束进行光束成形，即垂直于传播方向的激光束轮廓的强度分布的目标变化。为了成形光束，将DOE引入激光束中，其中由于DOE处的不同光路长度而发生激光束的相位调制，从而产生干涉图案。激光束的强度通过相长和相消叠加进行空间调制。以这种方式，激光束的通常为高斯型的强度分布可以以目标方式改变，并且例如转换成环形的强度分布。

现有技术中已知的DOE是玻璃或塑料基板，在其上通过激光光刻和/或影印光刻以及通过各种湿法和干法化学蚀刻工艺施加微结构。例如，闪耀光栅可以用作微结构，即其中各个光栅线具有三角锯齿形横截面的光栅，其结果是使特定衍射级的衍射效率最大化。

然而，具有高衍射效率的DOE的制造非常复杂。为了获得高衍射效率，微结构必须具有尽可能连续的高度轮廓，这反过来又需要非常高的技术制造工作。由于使用光刻蚀刻工艺的制造方法，高度轮廓通常由具有离散数量阶梯的阶梯轮廓近似，通过重复光刻蚀刻工艺增加阶梯数量，从而更好地近似高度轮廓。这种具有多重阶梯的DOE称为多级DOE。然而，由于该工艺，阶梯数量被限制在大约16个，这是因为在大约四次蚀刻工艺重复之后，与制造相关的不准确度增加并且没有实现更高的衍射效率。因此，多级DOE的衍射效率在物理上被限制在大约98％。

此外，由现有技术中已知准连续DOE，其通过无掩模光刻法通过双光子聚合制造。为此目的，施加到基板上的聚合物通常通过激光辐射直接结构化。准连续DOE的衍射效率相当于多于50个阶梯。然而，这种准连续DOE的使用受到限制，这是因为由于聚合物的热损伤阈值低，使得它们不适合用于高功率激光器。

出版物Smjuk,A.Y.,Lawandy,N.M.：玻璃衍射光学的直接激光写入，Opt.Lett.，1997年，卷22，No.13，第1030-1032页，描述了一种通过低功率激光和热膨胀工艺由掺杂有半导体的玻璃制造衍射光学元件的方法。

出版物Shore,B.W.等人：高效电介质反射光栅的设计，J.Opt.Soc.Am.A，1997年，卷14，No.5，第1124-1136页，描述了用于纯介电反射光栅的设计示例，评论了透射光栅和反射光栅之间的关系。此外，描述了使用铪和二氧化硅多层制造的高效(95％)光栅的示例。

文献US2009/0273772A1描述了一种光反射掩模，其包括设置在基板上并反射光的反射层、设置在反射层上并吸收光的吸收层、形成在吸收层的第一区域中的装置图案、以及形成在吸收层的第二区域中的反射率测量图案。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种DOE、一种制造该DOE的方法以及实施该制造方法的装置，该DOE具有高衍射效率，并且适用于大功率激光器的光束成形。

该目的通过独立专利权利要求的特征来实现。优选的改进可见于从属权利要求。

本发明涉及一种用于制造衍射光学元件的方法，该衍射光学元件用于对具有至少100nm的第一波长的激光束进行光束成形，所述方法包括以下步骤：

-提供激光镜，所述激光镜具有由基板、介电层和可选的吸收层制成的层状结构，所述介电层抵靠基板或者吸收层位于基板和介电层之间，

-通过利用具有第二波长的一系列聚焦加热激光束处理激光镜来产生介电层的多个凸起，所述多个凸起具有垂直于介电层的高度，并且至少一个凸起的高度为第一波长的至少一半。

本发明的核心在于这样一个事实，连续DOE是通过目标加热在激光镜中产生凸起来制造。该方法允许制造具有非常高衍射效率的DOE，该高衍射效率转换为准连续DOE的制造精度，可以对应多于2500个阶梯。提供的激光镜和通过该方法制造的DOE包括基板、可选的吸收层和介电层，所有这些优选地彼此平行，介电层抵靠基板，或者在存在吸收层的情况下，吸收层布置在基板与介电层之间。特别地，提供了介电层的下侧或吸收层的下侧邻接基板的上侧。进一步优选提供的是，当存在吸收层时，吸收层的上侧邻接介电层的下侧。换言之，介电层的上侧对应于DOE的上侧或激光镜的上侧。

与现有技术中已知的其中通过添加材料和/或通过去除材料来产生微结构从而制造DOE的方法相比，本方法提供了通过产生激光镜的介电层的多个凸起来进行微结构化。因此，在利用具有第二波长的一系列聚焦加热激光束处理激光镜之后，不需要施加额外的材料层和/或去除材料层来制造具有非常高衍射效率的DOE。换言之，DOE是通过提供激光镜来制造的，该激光镜本身包括基板和介电层，然后用聚焦的加热激光束直接处理激光镜，因此不添加和/或去除材料。与现有技术的方法相比，在根据本发明的方法中避免了耗时的光刻和/或涂覆过程。

在该方法中，在介电层中产生凸起，这导致介电层表面的微结构化。这尤其意味着在该方法之后介电层的表面不是平坦的，而是与该方法之前相比具有不同高度的局部区域。凸起的高度指的是凸起垂直于介电层的相对于局部区域周围的区域的延伸程度。凸起优选地是旋转对称的，凸起的旋转轴线垂直于吸收层。例如，当投影到平行于吸收层的平面上时，凸起是圆形的。对于旋转对称的凸起，旋转对称的凸起的半高全宽进一步优选为不大于6μm。

凸起的高度影响DOE用于具有第一波长的激光束的光束成形，因为只有当至少一个凸起具有第一波长的至少一半的高度时，才可能用DOE进行光束成形。该方法使得可以制造适合于成形具有至少100nm的第一波长的激光束成形的DOE。换言之，这意味着至少一个凸起具有大于50nm的高度。

该方法具有以下优点：可以通过用加热激光束的处理以目标方式产生凸起，其中，一方面，凸起相对于平行于介电层的平面的位置和凸起的高度是可以控制的。该方法可用于产生具有不同高度的凸起，高度分辨率至少为0.5nm。特别地，高度分辨率至少为0.1nm。换言之，该方法允许制造非常精细分级的高度轮廓来结构化。因此，该方法能够制造具有非常高衍射效率的连续DOE，该高衍射效率转换为准连续DOE的制造精度，对应多于2500个阶梯。

关于凸起的高度和在旋转对称凸起的情况下的半高全宽，优选规定的是，为了确定这些参数，借助于Mirau干涉仪来创建介电层的形貌记录：Mirau干涉仪包括短相干长度的照明源、优选地具有中心波长λ＝530nm的绿色LED、用于图像采集的照相机(DCC1545M，Thorlabs)和Mirau显微镜物镜(CF Plan 20xDI，Nikon)。Mirau显微镜物镜的前小面优选地用作分束器，一半的LED光被反射回到Mirau显微镜物镜内部的参考镜上。所述一半的LED光优先穿过干涉仪的参考臂。透射过前小面的LED光优选地被DOE的介电层反射回来并与参考臂的LED光重叠。为了尽管LED光的低相干长度也能使干涉图案在照相机上可见，除了几个波列(z

以这种方式创建了DOE介电层的形貌图。形貌图的没有凸起的区域优选地用于确定凸起的高度，以便将参考高度设置为零。然后优选地使用介电层的形貌图的数据点，以便使函数适应于具有凸起的区域，该函数对应于凸起的高度轮廓。二维高斯函数优选适用于旋转对称的凸起。更优选地，凸起的高度和凸起的半高全宽通过适配函数来确定。

优选的改进在于，所提供的激光镜适用于反射第一波长的激光。在该方法的第一步骤中提供并实际上代表DOE的坯体的激光镜，优选是用于反射具有第一波长的激光束的高反射激光镜。在本文中，高反射意味着激光镜对于第一波长具有大于99％的反射度。特别地，可以使用已经涂覆的介电激光镜。进一步优选提供的是，激光镜适合于反射具有大于100nm的第一波长的激光。关于DOE用于高功率激光器的光束成形的用途，进一步优选提供的是，激光镜适合于反射功率大于100W/cm的激光。这也意味着激光镜在脉冲持续时间为几皮秒即1-30ps的情况下优选地具有至少0.5J/cm

在本文中，根据本发明的优选的改进，所提供的激光镜和衍射光学元件对于第一波长具有T≤10

本发明的优选改进在于，吸收层由硅或金组成，和/或基板由玻璃、CaF

关于凸起的产生，该方法规定了当利用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，从加热激光束输入到激光镜的介电层的体积或吸收层的体积中的热至少为30kJ/cm

关于凸起的高度，该方法规定了凸起的高度可以受到进入吸收层和/或介电层的每体积的加热激光束的热输入的影响。优选的改进规定了当利用一系列聚焦加热激光束处理激光镜时，第二波长、加热激光束的功率、加热激光束的聚焦、加热持续时间、激光镜的吸收层、激光镜的介电层和/或吸收层的层厚度选择成使得至少一个凸起具有第一波长的至少一半的高度。

加热激光束的热输入可以通过不同的参数来控制。加热激光束的波长(即第二波长)与吸收层和/或介电层的吸收光谱优选地彼此匹配。这确保了加热激光束的一部分被吸收层和/或介电层吸收。

在本文中，优选的改进规定了当用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，第二波长在200至700nm之间并且激光镜的吸收层由硅制成，或者第二波长在200至2000nm之间并且激光镜的吸收层由金制成，和/或第二波长在100至2000nm之间。通过加热激光束的波长和吸收层的这些组合，可以非常可靠地产生高度大于50nm的凸起。如果省略吸收层，则优选地使用具有在100至400nm范围内的第二波长的UV激光器来利用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜。

如已经提到的，每体积的加热激光束输入到吸收层和/或介电层中热量可以受到加热激光束的功率的影响。在这方面，根据优选的改进，当用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，加热激光束的功率为至少10mW。功率特别优选地在10至1000mW之间。

还优选地规定了当用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，改变加热激光束的功率。这使得容易改变凸起的高度。具体地，通过改变加热激光束的功率，特别容易产生具有不同高度的凸起并且产生至少0.5nm的高度分辨率。

关于凸起的产生，优选的改进规定，当用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，加热激光束穿过激光镜的基板垂直地撞击吸收层和/或介电层。换言之，这意味着激光镜的背面被一系列聚焦的加热激光束照射。进一步优选的是，激光镜的基板和加热激光束的波长——即，第二波长——相互匹配，使得加热激光束基本上不被基板吸收。

如已经提到的，每体积的加热激光束输入吸收层和/或介电层的热量可以通过不同的参数来控制。在本文中，当利用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，加热激光束被聚焦到吸收层和/或介电层，其半高全宽最多为5μm。特别优选的是，加热激光束的半高全宽为1.8μm或更小。这使得可以在吸收层和/或介电层中局部地产生热输入，从而介电层的凸起也是局部的。特别地，可以使用这种聚焦来产生多个凸起，这些凸起优选地间隔开3μm或小于3μm。两个凸起之间的距离优选地指的是两个凸起的在垂直于吸收层的平面中的峰之间的距离。

本发明的进一步优选的改进规定了，当用一系列聚焦加热激光束处理激光镜时，加热激光束的加热持续时间在1μs至1ms之间。这已被证明特别适合生产高度大于50nm的凸起。更短的加热持续时间会导致所提供的激光镜损坏。更长的加热持续时间会导致介电层的破坏，特别是会导致DOE的高反射特性丧失。

不仅仅是已经提到的参数，即，第二波长、加热激光束的功率、加热激光束的聚焦、加热持续时间、激光镜的可选吸收层和介电层对凸起的高度有影响，吸收层的层厚度也对凸起的高度有影响。吸收层的层厚度是指吸收层的垂直于其延伸的延伸程度。优选的改进规定了吸收层的层厚度大于30nm。吸收层的层厚度特别优选地大于40nm。这使得在吸收层中特别容易产生高单位体积的热输入，因此凸起的高度超过50nm。

本发明的优选的改进规定了当用一系列聚焦的加热激光束在至少0.25cm

原则上，可能的是，当用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，加热激光束能够在处理过程中二维偏转并且激光镜在此期间不移位。以这种方式可靠地实现了凸起的网格状排列。然而，该方法的优选改进规定了当用一系列聚焦的加热激光束处理激光镜时，激光镜在处理期间沿着垂直于加热激光束的位移方向位移，并且加热激光束在处理期间与位移方向垂直地偏转。这使得可能以特别快速和精确的方式制造DOE，其介电层在至少0.25cm

对于本领域技术人员而言，从DOE的描述、用于执行该方法的装置的描述以及示例性实施例的描述中得到用于制造DOE的方法的其它优点和技术特征。

此外，本发明涉及衍射光学元件DOE，用于对具有至少100nm的第一波长的激光束进行光束成形，该衍射光学元件具有由基板、可选地吸收层和介电层制成的层状结构，介电层邻接基板或吸收层位于基板与介电层之间，介电层具有多个凸起，凸起具有垂直于介电层的高度，并且至少一个凸起具有大于第一波长的一半的高度。

因此，本发明的核心在于以下事实，激光束的光束成形所需的不同光路长度通过介电层的凸起在DOE上实现。因此可以实现非常高的衍射效率，该高衍射效率转换为准连续DOE的制造精度，可以对应超过2500个阶梯。优选的是，DOE的至少一个凸起的高度大于50nm。DOE因此优选地适用于具有大于100nm的第一波长的激光束的光束成形。此外，优选的是，凸起相对于垂直于介电层的平面是高斯形的并且具有至少2μm的半高全宽。更优选地，半高全宽不大于6μm。

特别地，DOE是反射式DOE。这意味着具有第一波长的激光束的光束成形通过激光束在衍射光学元件上的反射而发生。因此，与其中激光束通过DOE(透射DOE)透射而形成光束的DOE相反，优选的是其中激光束被反射的DOE。与透射DOE相比，这具有的优点是，仅存在低吸收损耗且可以实现高效率。

此外，本发明涉及用于执行上述方法的装置，该装置包括用于产生具有第二波长的加热激光束的加热激光器、用于提供激光镜的激光镜定位装置、用于将加热激光束聚焦到激光镜上的聚焦装置、偏转装置和控制器，该激光镜定位装置被设计为使激光镜在位移方向上位移，偏转装置被设计为使加热激光束垂直于位移方向偏转，控制器被设计为致动加热激光器、偏转装置和激光镜定位装置。具体地，偏转装置被设计成用于使加热激光束在一个方向上偏转。换言之，偏转装置优选地是一维偏转装置。所述偏转装置的优点是它们可以以很高的精度和速度设定非常大的偏转角度。为了能够通过该装置产生网格状的凸起布置，激光镜定位装置被设计为使得激光镜可以在位移方向上位移。激光镜定位装置优选地是具有纳米分辨率的计算机控制的定位台。

附图说明

该衍射光学元件的制造方法、衍射光学元件及实施该方法的装置的进一步优点及技术特征，请参阅附图及进一步说明。

下面参考附图使用优选实施例的示例来示例地解释本发明。

附图示出了

图1是根据本发明优选实施例的衍射光学元件的制造方法的示意图和衍射光学元件的截面表示，以及

图2是根据本发明优选实施例的用于实施衍射光学元件的制造方法的示意装置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明优选实施例的制造衍射光学元件10(简称DOE 10)的方法的示意图以及DOE 10的截面图。该方法提供两个步骤，在第一步骤中提供激光镜12作为DOE10的坯体。激光镜12适于反射具有第一波长λ

在用于制造DOE 10的方法的第二步骤中制造介电层18的凸起24。在本文优选的实施例的示例中，所述凸起是在介电层18和吸收层16之间的交界处形成的旋转对称凸起。旋转对称凸起24的旋转轴线26垂直于吸收层16。如图1中可见，在本案中，介电层18在凸起24处没有抵靠在吸收层16上，而是在凸起24处与吸收层16分离。腔体28位于介电层18和吸收层16之间的凸起24处。凸起24在沿着垂直于吸收层16的平面穿过凸起24的截面中相对于所述平面具有高斯形状。

在本文优选的实施例的示例中，激光镜12的基板14以及由此DOE 10的基板由石英玻璃制成，并且吸收层16由非晶硅制成。此外，在本案中，吸收层的层厚度30为40nm。层厚度30是指吸收层28的垂直于其延伸的尺寸。

介电层18的凸起24是通过用一系列具有第二波长λ

图2示意性地示出了用于执行制造DOE 10的方法的装置34。装置34包括用于产生具有第二波长λ

为了通过该装置产生介电层18的凸起24的网格状布置形式，激光镜定位装置42被设计为使得激光镜12可以位移。此处激光镜12的位移方向为y方向，即垂直于加热激光束38的方向并且垂直于振镜扫描仪46的偏转方向。

此外，控制器被设计成致动加热激光器36、声光调制器52、偏转装置46和激光镜定位装置42。

此外，在本文优选的实施例的示例中，用于聚焦加热激光束38的聚焦装置40由共焦显微镜来实施。共焦显微镜(f

加热激光器36、聚焦装置40、激光镜定位装置42和偏转装置46借助于镜子50和透镜48相对于彼此布置，使得加热激光束38垂直地撞击激光镜的吸收层16。加热激光束38撞击激光镜12的后侧并穿透基板14到达吸收层16。加热激光束38的吸收导致吸收层16中的至少30kJ/cm

附图标记列表

10 衍射光学元件，DOE

12 激光镜

14 基板

16 吸收层

18 介电层

20 由第一材料制成的材料层

22 由第二材料制成的材料层

24 凸起

26 旋转轴线

28 腔体

30 吸收层的层厚度

32 凸起的高度

34 装置

36 加热激光器

38 加热激光束

40 聚焦装置，共焦显微镜

42 激光镜定位装置，定位台

44 控制器

46 偏转装置，振镜扫描仪

48 透镜

50 镜子

52 声光调制器

54 热输入