priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-2-101-111pribor-200Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫOPTICAL AND OPTO-ELECTRONIC INSTRUMENTS AND SYSTEMSФазовые маски из двулучепреломляющих пластин для получения заданного очертания лазерных пучков с ультракороткими импульсами при обработке материалов в плоскости изображенияPhase Masks Made of Birefringent Plates nfor Shaping Laser Beams with Ultrashort Pulses for Laser Material Processing in the Image Plae.КостюкГ. К.KostyukG. K.

Галина Кирилловна Костюк — канд. техн. наук; факультет наноэлектроники; научный сотрудник

Galina K. Kostyuk — PhD; Faculty of Nanoelectronics; Research Fellow

gkkostiuk@itmo.ruШкуратоваВ. А.ShkuratovaV. A.

Виктория Александровна Шкуратова — магистр; факультет наноэлектроники; инженер-исследователь

Victoria A. Shkuratova — MSc;  Faculty of Nanoelectronics; Engineer-Researcher

shkuratova_va@mail.ruПетровА. А.PetrovA. A.

Андрей Анатольевич Петров — канд. техн. наук; факультет наноэлектроники; старший преподаватель

Andrey A. Petrov — PhD; IFaculty of Nanoelectronics; Senior Lecturer

aapetrov@itmo.ruСергеевМ. М.SergeevM. M.

Максим Михайлович Сергеев — канд. техн. наук; факультет наноэлектроники; старший научный сотрудник

Maksim M. Sergeev — PhD; Faculty of Nanoelectronics; Senior Researcher

maxim.m.sergeev@gmail.comУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202230112024652101111Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/200

Представлены фазовые маски, выполненные из двулучепреломляющих кристаллических пластин CaCO3, для получения заданного очертания лазерных пучков в схеме построения изображения с распределением интенсивности по сечению пучка, близким к распределению с плоской вершиной. Принцип работы фазовых масок основан на создании фазового сдвига π или 2π (в зависимости от исходной толщины пластины) в линейно поляризованном излучении, проходящем через вытравленные области заданной формы. Фазовый сдвиг в областях заданной формы преобразуется в распределение интенсивности на выходе анализатора, которое с уменьшением проецируется объективом в плоскость изображения, совмещенную с плоскостью микрообработки или мишенью. Фазовые маски в форме квадрата и квадрата в квадрате изготовлены путем обработки оптически прозрачных материалов лазерно-индуцированной микроплазмой и успешно протестированы в экспериментальной установке в схеме построения изображения с лазером, излучающим на длине волны 1,06 мкм импульсы длительностью 120 нс. Также фазовые маски использованы в этой экспериментальной установке для лазерной абляции образцов полированной стали. Формы отпечатков на образцах хорошо соответствовали очертаниям формируемых пучков.

Phase masks made of birefringent CaCO3 crystal plates are developed to create laser beam with a given shape and intensity distribution close to flat-top in image construction scheme. The principle of phase masks operation is based on creating the phase shift of π or 2π (depending on the initial plate thickness) in linearly polarized radiation passing through etched areas with given shapes. The phase shift in these areas transforms into the intensity distribution at an analyzer output, which can be projected with a demagnification by a high-quality lens into its image plane aligned with the micro-processing plane (target). Phase masks in the form of a square and a square in a square are made by processing optically transparent materials with laser-induced microplasma and successfully tested in an experimental setup in an imaging scheme with a laser emitting pulses of 120 ns duration at the wavelength of 1.06 μm. Phase masks are also used in this experimental setup for laser ablation of polished steel samples. The shapes of footprints on samples well match the formed beams shapes.

фазовая маскагеометрический фазовый элементлазерный пучокполяризациядвулучепреломляющий кристаллphase masksgeometric phase elementslaser beamspolarizationbirefringent crystalsработа поддержана Российским научным фондом [проект № 20-71-10103].ReferencesLiu Z., Yao X., Cheng X., Wu H., Wang H., Shen H. Experimental study on two-phase boiling in wavy copper microchannels fabricated with ultrafast laser micromachining // J. Micromech. Microeng. 2020. Vol. 30, N 065011.Liu Z., Yao X., Cheng X., Wu H., Wang H., Shen H. J. Micromech. Microeng., 2020, no. 065011(30).Worts N., Jones J., Squier J.Surface structure modification of additively manufactured titanium components via femtosecond laser micromachining // Opt. Commun. 2019. Vol. 430. P. 352—357.Worts N., Jones J., Squier J. Opt. Commun., 2019, vol. 430, рр. 352–357.Gao B., Chen T., Cui W., Li C., Si J., Hou X.Processing grating structures on surfaces of wide-bandgap semiconductors using femtosecond laser and phase mask // Opt. Eng. 2015. Vol. 54, N 126106.Gao B., Chen T., Cui W., Li C., Si J., Hou X. Opt. Eng., 2015, no. 126106(54).Roth G. L., Adelmann B., Hellmann R. Cutting and drilling of SiC semiconductor by fiber laser // J. Laser Micro Nanoeng. 2015. Vol. 10. P. 279—283.Roth G.L., Adelmann B., Hellmann R. J. Laser Micro Nanoeng., 2015, vol. 10, рр. 279–283.Wang M., Lin J. T., Xu Y. X., Fang Z. W., Qiao L. L., Liu Z. M., Fang W., Cheng Y.Fabrication of high-Q microresonators in dielectric materials using a femtosecond laser: Principle and applications // Opt. Commun. 2017. Vol. 395. P. 249—260.Wang M., Lin J.T., Xu Y.X., Fang Z.W., Qiao L.L., Liu Z.M., Fang W., Cheng Y. Opt. Commun., 2017, vol. 395, рр. 249–260.Ali J. M. Y, Shanmugam V., Lim B., Aberle A. G., Mueller T.Femtosecond laser ablation of dielectric layers for high-efficiency silicon wafer solar cells // Sol. Energy. 2018. Vol. 164. P. 287—291.Ali J.M.Y, Shanmugam V., Lim B., Aberle A.G., Mueller T. Sol. Energy, 2018, vol. 164, рр. 287–291.Paun I. A., Zamfirescu M., Mihailescu M., Luculescu C. R., Mustaciosu C. C., Dorobantu I., Calenc B., Dinescu M. Laser micro-patterning of biodegradable polymer blends for tissue engineering // J. Mater. Sci. 2015. Vol. 50. P. 923—936.Paun I.A., Zamfirescu M., Mihailescu M., Luculescu C.R., Mustaciosu C.C., Dorobantu I., Calenc B., Dinescu M. J. Mater. Sci., 2015, vol. 50, рр. 923–936.Li Q., Perrie W., Potter R., Allegre O., Li Z., Tang Y., Zhu G., Liu D., Chalker P., Ho J.Femtosecond laser micro structuring of amorphous Polyether (ether) ketone (PEEK) at 775 nm and 387 nm // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. Vol. 53, N 365301.Li Q., Perrie W., Potter R., Allegre O., Li Z., Tang Y., Zhu G., Liu D., Chalker P., Ho J. J. Phys. D: Appl. Phys., 2020, no. 365301(53).Polimeno P., Magazzu A., Iati M. A., PattiF., Saija R., Boschi C. D. E., DonatoM. G., Gucciardi P. G., Jones P. H., Volpe G., Marago O. M. Optical tweezers and their applications //J. Quant Spectrosc. Radiat. Transf. 2018. Vol. 218. P. 131—150.Polimeno P., Magazzu A., Iati M.A., Patti F., Saija R., Boschi C.D.E., Donato M.G., Gucciardi P.G., Jones P.H., Volpe G., Marago O.M. J. Quant Spectrosc. Radiat. Transf., 2018, vol. 218, рр. 131–150.Gordon R. Biosensing with nanoaperture optical tweezers // Opt. Laser Technol. 2019. Vol. 109. P. 328—335.Gordon R. Opt. Laser Technol., 2019, vol. 109, рр. 328–335.Ji X., Mu R., Fang J., Xu S., Han L. Generation of a dark hollow beam by a four-step phase plate and its application for manipulating cold atoms // Proc. of SPEE — Quantum Optics and Applications in Computing and Communications II. 2005. Vol. 5631. P. 237—243.Ji X., Mu R., Fang J., Xu S., Han L. Proceedings of SPEE Quantum Optics andApplications in Computing and Communications II, 2005, vol. 5631, рр. 237–243.Xia Y., Yin J. Generation of a focused hollow beam by an 2pi-phase plate and its application in atom or molecule optics // J. Opt. Soc. Am. B. 2005. Vol. 22. P. 529—536.Xia Y., Yin J. J. Opt. Soc. Am. B., 2005, vol. 22, рр. 529–536.McKnight D. J., Vass D. G., Sillitto R. M.Development of a spatial light modulator: a randomly addressed liquid crystal-over-nMOS array // Appl. Opt. 1989. Vol. 28. P. 4757—4762.McKnight D.J., Vass D.G., Sillitto R.M. Appl. Opt., 1989, vol. 28, рр. 4757–4762.Courtial J., Dholakia K., Allen L., Padgett M. J.Gaussian beams with very high orbital angular momentum // Opt. Commun. 1997. Vol. 144. P. 210—213.Courtial J., Dholakia K., Allen L., Padgett M.J. Opt. Commun., 1997, vol. 144, рр. 210–213.Zhou N., Liu J., Wang J. Reconfigurable and tunable twisted light laser // Sci. Rep. 2018. Vol. 8. P. 1—10.Zhou N., Liu J., Wang J. Sci. Rep., 2018, vol. 8, рр. 1–10.Qu W., Gu H., Tan Q., Jin G.Precise design of two-dimensional diffractive optical elements for beam shaping // Appl. Opt. 2015. Vol. 54. P. 6521—6525.Qu W., Gu H., Tan Q., Jin G. Appl. Opt., 2015, vol. 54, рр. 6521–6525.Katz S., Kaplan N., Grossinger I. Using Diffractive Optical Elements: DOEs for beam shaping–fundamentals and applications // Optik & Photonik. 2018. Vol. 13. P. 83—86.Katz S., Kaplan N., Grossinger I. Optik & Photonik, 2018, vol. 13, рр. 83–86.Mizunami T., Kawashima H., Hayashi A. A flexible fabrication technique of long-period fiber gratings using a tilted amplitude mask // Proc. of 2002 IEEE/LEOS Workshop on Fibre and Optical Passive Components (Cat. No. 02EX595). 2002. P. 92—97.Mizunami T., Kawashima H., Hayashi A. Proceedings of 2002 IEEE/LEOS Workshop on Fibre and Optical Passive Components (Cat. No. 02EX595), 2002, рр. 92–97.Zhao Q., Gong L., Li Y. M.Shaping diffraction-free Lommel beams with digital binary amplitude masks // Appl. Opt. 2015. Vol. 54. P. 7553—7558.Zhao Q., Gong L., Li Y.M. Appl. Opt., 2015, vol. 54, рр. 7553–7558.Kuang Z., Li J., Edwardson S., Perrie W., Liu D., Dearden G. Ultrafast laser beam shaping for material processing at imaging plane by geometric masks using a spatial light modulator // Opt. Lasers Eng. 2015. Vol. 70. P. 1—5.Kuang Z., Li J., Edwardson S., Perrie W., Liu D., Dearden G. Opt. Lasers Eng., 2015, vol. 70, рр. 1–5.Li J., Kuang Z., Edwardson S., Perrie W., Liu D., Dearden G.Imaging-based amplitude laser beam shaping for material processing by 2D reflectivity tuning of a spatial light modulator // Appl. Opt. 2016. P. 1095—1100.Li J., Kuang Z., Edwardson S., Perrie W., Liu D., Dearden G. Appl. Opt., 2016, рр. 1095–1100.Sanner N., Huot N., Audouard E., Larat C., Huignard J., Loiseaux B. Programmable focal spot shaping of amplified femtosecond laser pulses // Opt. Lett. 2005. Vol. 30. P. 1479—1481.Sanner N., Huot N., Audouard E., Larat C., Huignard J., Loiseaux B. Opt. Lett., 2005, vol. 30, рр. 1479–1481.Sanner N., Huot N., Audouard E., Larat C., Huignard J. Direct ultrafast laser microstructuring of materials using programmable beam shaping // Opt. Lasers Eng. 2007. Vol. 45. P. 737—741.Sanner N., Huot N., Audouard E., Larat C., Huignard J. Opt. Lasers Eng., 2007, vol. 45, рр. 737–741.Liu D., Kuang Z., Shang S., Perrie W., Karnakis D., Kearsley A., Knowles M., Edwardson S., Dearden G., Watkins K. Ultrafast parallel laser processing of materials for high throughput manufacturing // Proc. of LAMP2009 — the 5th Intern. Congress on Laser Advanced Materials Processing. 2009. P. 1—5.Liu D., Kuang Z., Shang S., Perrie W., Karnakis D., Kearsley A., Knowles M., Edwardson S., Dearden G., Watkins K. Proceedings of LAMP2009 – the 5th InternationalCongress on Laser Advanced Materials Processing, 2009, рр. 1–5.Allegre O. J., Jin Y., Perrie W., Ouyang J., Fearson E., Edwardson S., Dearden J.Complete wavefront and polarization control for ultrashort-pulse laser microprocessing // Opt. Express. 2013. Vol. 21. P. 21198—21207.Allegre O.J., Jin Y., Perrie W., Ouyang J., Fearson E., Edwardson S., Dearden J. Opt. Express, 2013, vol. 21, рр. 21198–21207.Gerchberg R. W., Saxton W. O. A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures // Optik. 1972. Vol. 35. P. 237—246.Gerchberg R.W., Saxton W.O. Optik, 1972, vol. 35, рр. 237–246.Shkuratova V. A., Kostyuk G. K., Sergeev M. M., Zakoldaev R. A., Yakovlev E. B.Speckle-free smoothing of coherence laser beams by a homogenizer on uniaxial high birefringent crystal // Opt. Mat. Express. 2019. Vol. 9. P. 2392—2399.Shkuratova V.A., Kostyuk G.K., Sergeev M.M., Zakoldaev R.A., Yakovlev E.B. Opt. Mat. Express, 2019, vol. 9, рр. 2392–2399.Shkuratova V., Kostyuk G., Sergeev M., Vikhrova E. Rapid fabrication of spiral varying retarder for using in simple schemes of generating radial and azimuthal vector optical fields // IEEE Photonics J. 2019. Vol. 11, N 2201112.Shkuratova V., Kostyuk G., Sergeev M., Vikhrova E. IEEE Photonics J., 2019, no. 2201112(11).Shkuratova V., Rymkevich V., Kostyuk G., Sergeev M.Laser-induced microplasma as effective tool for phase Elements fabrication on amorphous and crystalline materials // J. Laser Micro Nanoeng. 2018. Vol. 13. P. 211—215.Shkuratova V., Rymkevich V., Kostyuk G., Sergeev M. J. Laser Micro Nanoeng., 2018, vol. 13, рр. 211–215.Kostyuk G. K., Zakoldaev R. A., Sergeev M. M., Veiko V. P.Laser-induced glass surface structuring by LIBBH technology // Opt. Quantum Electron. 2016. Vol. 48, N 249.Kostyuk G.K., Zakoldaev R.A., Sergeev M.M., Veiko V.P. Opt. Quantum Electron, 2016, no. 249(48).Kostyuk G. K., Zakoldaev R. A., KovalV. V., Sergeev M. M., Rymkevich V. S.Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 92. P. 63—69.Kostyuk G.K., Zakoldaev R.A., Koval V.V., Sergeev M.M., Rymkevich V.S. Opt. Lasers Eng., 2017, vol. 92, рр. 63–69.Born M., Wolf E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. Elsevier, 2013.Born M., Wolf E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light, Elsevier, 2013.Dickey F. M. Laser Beam Shaping: Theory and Techniques. CRC Press, 2000.Dickey F.M. Laser Beam Shaping: Theory and Techniques, CRC Press, 2000.ISO 13694:2000 "Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power (energy) density distribution" [Электронный ресурс]: <https://www.iso.org/obp/ ui/#iso:std:iso:13694:ed-1:v1:en> (дата обращения 01.10.2021).ISO 13694:2000 "Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test methods for laser beam power (energy) density distribution", https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:13694:ed-1:v1:en

The authors declare that there are no conflicts of interest present.