priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-10-747-762pribor-275Research ArticleНАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИSCIENTIFIC AND PRACTICAL DEVELOPMENTSВлияние структурирования плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой и очистки на функционирование многосекторных бинарных фазовых пластинEffect of Fused Quartz Structuring by Laser-Induced Microplasma and Purification on Multisector Binary Phase Plates OperationКостюкГ. К.KostyukG. K.

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

Санкт-Петербург

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

St. Petersburg

gkkostiuk@itmo.ruСтепанюкД. С.StepanyukD.  S.

Дмитрий Сергеевич Степанюк — факультет наноэлектроники; лаборант

Санкт-Петербург

Dmitriy S. Stepanyuk — Faculty of Nanoelectronics; Laboratory Assistant

St. Petersburg

dmitriy.stepanyuk.234@mail.ruШкуратоваВ. А.ShkuratovaV. A.

Виктория Александровна Шкуратова — магистр, факультет наноэлектроники

Санкт-Петербург

Victoria A. Shkuratova — MSc, Faculty of Nanoelectronics

St. Petersburg

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

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

Санкт-Петербург

Andrey A. Petrov — PhD, Faculty of Nanoelectronics; Senior Lecturer

St. Petersburg

НестеровН. А.NesterovN. A.

Никита Алексеевич Нестеров — факультет наноэлектроники

Санкт-Петербург

Nikita A. Nesterov — Faculty of Nanoelectronics

St. Petersburg

nkt.nesterov@mail.ruУниверситет ИТМОITMO University2022021220246510747762Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/275

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

For each stage of phase optical elements (POEs) production, including the POEs recording with laserinduced microplasma and post-processing, the influence on the microgeometry parameters of the microrelief formed on the POE surface, which ensures their high quality and energy conversion efficiency, is studied. The conditions for the each of the POE manufacturing stages implementation providing repeatability of the stage results in terms of the formed microgeometry relief depth and characteristics of its surface roughness, are given. All the studies are carried out using multi-sector binary phase plates chosen for their relative simplicity of design compared to other POEs of a similar purpose. It is shown that the best results on the PHE surface roughness with the complete elimination of graphite particles polluting the surface of multisectoral binary phase plates and possible micro/nanodefects and stresses arising during recording by laser-induced microplasma technology, are achieved by post-processing in the form of annealing at a temperature of 900 ° C for 1 h.

лазерно-индуцированная микроплазмакластерная абляцияпостобработкафазовые оптические элементымногосекторные бинарные фазовые пластиныплавленый кварцaser-induced microplasmacluster ablationpost-processingphase optical elementsmulti-sector binary phase platesfused quartzисследование выполнено при финансовой поддержке гранта НИРМА ФТ МФ Университета ИТМО. Авторы выражают благодарность компании ООО „Лазерный Центр“ за предоставленное оборудование и Васильеву Олегу Сергеевичу, руководителю отдела „Поддержки и технологий“, за консультации.The study was carried out with the financial support of the grant of the NORMA FT MF of ITMO University. The authors express their gratitude to Laser Center LLC for the equipment provided and to Oleg Sergeevich Vasiliev, Head of the Support and Technology Department, for consultations.ReferencesHnatovsky C. et al. Polarization-dependent ablation of silicon using tightly focused femtosecond laser vortex pulses // Opt. Lett. 2012. Vol. 37, N 2. P. 226—228.Hnatovsky C. et al. Opt. Lett., 2012, no. 2(37), pp. 226–228.Syubaev S. et al. Direct laser printing of chiral plasmonic nanojets by vortex beams // Opt. Express. 2017. Vol. 25, N 9. P. 10214—10223.Syubaev S. et al. Opt. Express., 2017, no. 9(25), pp. 10214–10223.Chen M. et al. Dynamics of microparticles trapped in a perfect vortex beam // Opt. Lett. 2013. Vol. 38, N 22. P. 4919—4922.Chen M. et al. Opt. Lett., 2013, no. 22(38), pp. 4919–4922.Ng J., Lin Z., Chan C. T. Theory of optical trapping by an optical vortex beam // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104, N 10. Р. 103601.Ng J., Lin Z., Chan C.T. Phys. Rev. Lett., 2010, no. 10(104), pp. 103601.Wang J. et al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nat. Photonics. 2012. Vol. 6, N 7. P. 488—496.Wang J. et al. Nat. Photonics., 2012, no. 7(6), pp. 488–496.Nagali E. et al. Quantum information transfer from spin to orbital angular momentum of photons // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103, N 1. Р. 013601.Nagali E. et al. Phys. Rev. Lett., 2009, no. 1(103), pp. 013601.Massari M. et al. Fabrication and characterization of high-quality spiral phase plates for optical applications // Appl. Opt. 2015. Vol. 54, N 13. P. 4077—4083.Massari M. et al. Appl. Opt., 2015, no. 13(54), pp. 4077–4083.Cheong W. C. et al. Direct electron-beam writing of continuous spiral phase plates in negative resist with high power efficiency for optical manipulation // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85, N 23. P. 5784—5786.Cheong W. C. et al. Appl. Phys. Lett., 2004, no. 23(85), pp. 5784–5786.Ruffato G. et al. Spiral phase plates with radial discontinuities for the generation of multiring orbital angular momentum beams: fabrication, characterization, and application // Opt. Eng. 2015. Vol. 54, N 11. Р. 111307.Ruffato G. et al. Opt. Eng., 2015, no. 11(54), pp. 111307.Ruffato G. et al. Generation of high-order Laguerre–Gaussian modes by means of spiral phase plates // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, N 17. P. 5094—5097.Ruffato G. et al. Opt. Lett., 2014, no. 17(39), pp. 5094–5097.Shi L. et al. One exposure processing to fabricate spiral phase plate with continuous surface // Opt. Express. 2015. Vol. 23, N 7. P. 8620—8629.Shi L. et al. Opt. Express., 2015, no. 7(23), pp. 8620–8629.Sueda K. et al. Laguerre-Gaussian beam generated with a multilevel spiral phase plate for high intensity laser pulses // Opt. Express. 2004. Vol. 12, N 15. P. 3548—3553.Sueda K. et al. Opt. Express., 2004, no. 15(12), pp. 3548–3553.Jun C. et al. Generation of optical vortex using a spiral phase plate fabricated in quartz by direct laser writing and inductively coupled plasma etching // Chin. Phys. Lett. 2009. Vol. 26, N 1. Р. 014202.Jun C. et al. Chin. Phys. Lett., 2009, no. 1(26), pp. 014202.Khonina S. N. et al. Formation of hybrid higher-order cylindrical vector beams using binary multi-sector phase plates // Sci. Rep. 2018. Vol. 8, N 1. P. 1—11.Khonina S. N. et al. Sci. Rep., 2018, no. 1(8), pp. 1–11.Brasselet E. et al. Photopolymerized microscopic vortex beam generators: Precise delivery of optical orbital angular momentum // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, N 21. Р. 211108.Brasselet E. et al. Appl. Phys. Lett., 2010, no. 21(97), pp. 211108.Zukauskas A. et al. Monolithic generators of pseudo-nondiffracting optical vortex beams at the microscale // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103, N 18. Р. 181122.Zukauskas A. et al. Appl. Phys. Lett., 2013, no. 18(103), pp. 181122.Veiko V. P. et al. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media // Quantum Electron. 2017. Vol. 47, N 9. P. 842—848.Veiko V.P. et al. Quantum Electron., 2017, no. 9(47), pp. 842–848.Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. High-speed machining of glass materials by laser-induced plasma-assisted ablation using a 532-nm laser // Appl. Phys. A. 1998. Vol. 67, N 4. P. 499—501.Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Appl. Phys. A, 1998, no. 4(67), pp. 499–501.Cheng J.-Y. et al. Crack-free direct-writing on glass using a low-power UV laser in the manufacture of a microfluidic chip // J. Micromech. Microeng. 2005. Vol. 15, N 6. P. 1147—1156.Cheng J.-Y. et al. J. Micromech. Microeng., 2005, no. 6(15), pp. 1147–1156.Harm W. et al. Adjustable diffractive spiral phase plates // Opt. Express. 2015. Vol. 23, N 1. P. 413—421.Harm W. et al. Opt. Express., 2015, no. 1(23), pp. 413–421.Ovsianikov A. et al. Ultra-low shrinkage hybrid photosensitive material for two-photon polymerization microfabrication // ACS Nano. 2008. Vol. 2, N 11. P. 2257—2262.Ovsianikov A. et al. ACS Nano, 2008, no. 11(2), pp. 2257–2262.Malinauskas M. et al. Mechanisms of three-dimensional structuring of photo-polymers by tightly focussed femtosecond laser pulses // Opt. Express. 2010. Vol. 18, N 10. P. 10209—10221.Malinauskas M. et al. Opt. Express., 2010, no. 10(18), pp. 10209–10221.Zhou L. et al. Directly writing binary multi-sector phase plates on fused silica using femtosecond laser // High Power Laser Sci. 2018. Vol. 6, N e6. DOI:10.1017/hpl.2018.1.Zhou L. et al. High Power Laser Sci., 2018, no. e6(6), DOI:10.1017/hpl.2018.1Kostyuk G. K. et al. Fast microstructuring of silica glasses surface by NIR laser radiation // Opt. Lasers Eng. 2015. Vol. 68. P. 16—24.Kostyuk G. K. et al. Opt. Lasers Eng., 2015, vol. 68, рр. 16–24.Kostyuk G.K. et al. Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting // Opt. Lasers Eng. 2017. Vol. 92. P. 63—69.Kostyuk G.K. et al. Opt. Lasers Eng., 2017, vol. 92, рр. 63–69.Shkuratova V. et al. Rapid fabrication of spiral phase plate on fused silica by laser-induced microplasma // Appl. Phys. B. 2020. Vol. 126, N 4. P. 1—6.Shkuratova V. et al. Appl. Phys. B, 2020, no. 4(126), pp. 1–6.Hopp B. et al. Comparative study of different indirect laser-based methods developed for microprocessing of transparent materials // J. Laser Micro Nanoeng. 2010. Vol. 5, N 1. P. 80—85.Hopp B. et al. J. Laser Micro Nanoeng., 2010, no. 1(5), pp. 80–85.Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side and back side etching of fused silica with KrF and XeF excimer lasers using metallic absorber layers: A comparison // Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 258, N 24. P. 9742—9746.Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Appl. Surf. Sci., 2012, no. 24(258), pp. 9742–9746.Hanada Y. et al. Development of practical system for laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) for micromachining of glass materials // Appl. Phys. A. 2004. Vol. 79, N 4. P. 1001—1003.Hanada Y. et al. Appl. Phys. A, 2004, no. 4(79), pp. 1001–1003.Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side etching: an easy and fast method for sub-μm structuring of dielectrics // Phys. Procedia. 2012. Vol. 39. P. 542—547.Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Phys. Procedia, 2012, vol. 39, рр. 542–547.Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation of fused quartz using the fourth harmonic of a Nd+: YAG laser // Appl. Phys. A. 1998. Vol. 67, N 5. P. 545—549.Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Appl. Phys. A, 1998, no. 5(67), pp. 545–549.Hopp B. et al. Laser-induced backside dry and wet etching of transparent materials using solid and molten tin as absorbers // Appl. Phys. A. 2009. Vol. 94, N 4. P. 899—904.Hopp B. et al. Appl. Phys. A, 2009, no. 4(94), pp. 899–904.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.Blonskyy I.V., Danko A.Y., Kadan V.N., Orieshko E.V., Puzikov V.M. Technical Physics, 2005, no. 3(75), pp. 358–363.Veiko V. P. et al. Two-phase mechanism of laser-induced removal of thin absorbing films. I. Theory // J. Phys. D: Appl. Phys. 1980. Vol. 13 (8). N 1565.Veiko V. P. et al. J. Phys. D: Appl. Phys., 1980, no. 8(13), pp. 1565.Koval V. V. et al. Changes in the spectral characteristics of quartz-glass plates when they are processed with laserinduced plasma // J. Opt. Technol. 2017. Vol. 84, N 7. P. 447—452.Koval V. V. et al. J. Opt. Technol., 2017, no. 7(84), pp. 447–452.Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Integration of 3D micro-optics and microfluidics in a glass chip using a femtosecond laser for photonic applications // Proc. SPIE. 2005. Vol. 5627. P. 247—257.Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Proc. SPIE, 2005, vol. 5627, рр. 247–257.Kostyuk G. K. et al. Multisector binary phase plates on fused silica for generation of optical vortex beams superposition: Fabrication, characterization, and applications // Opt. Laser. Technol. 2022. Vol. 152. Р. 108161.Kostyuk G. K. et al. Opt. Laser. Technol., 2022, vol. 152, рр. 108161.Khonina S. N. Simple phase optical elements for narrowing of a focal spot in high-numerical-aperture conditions // Opt. Eng. 2013. Vol. 52, N 9. Р. 091711.Khonina S.N. Opt. Eng., 2013, no. 9 (52), pp. 091711.Rubano A. et al. Q-plate technology: a progress review // J. Opt. Soc. Am. A. 2019. Vol. 36, N 5. P. D70—D87.Rubano A. et al. J. Opt. Soc. Am. A, 2019, no. 5(36), pp. D70–D87.Cardano F. et al. Polarization pattern of vector vortex beams generated by q-plates with different topological charges // Appl. Opt. 2012. Vol. 51. P. C1—C6.Cardano F. et al. Appl. Opt., 2012, vol. 51, рр. C1–C6.Beresna M. et al. Radially polarized optical vortex converter created by femtosecond laser nanostructuring of glass // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98, N 20. Р. 201101.Beresna M. et al. Appl. Phys. Lett., 2011, no. 20(98), pp. 201101.Zhou J. et al. Spin-dependent manipulating of vector beams by tailoring polarization // Sci. Rep. 2016. Vol. 6, N 1. P. 1—9.Zhou J. et al. Sci. Rep., 2016, no. 1(6), pp. 1–9.Qi J. et al. Concise and efficient direct-view generation of arbitrary cylindrical vector beams by a vortex half-wave plate // Photonics Res. 2021. Vol. 9, N 5. P. 803—813.Qi J. et al. Photonics Res., 2021, no. 5(9), pp. 803–813.Ahamed M. J., Senkal D., Shkel A. M. Effect of annealing on mechanical quality factor of fused quartz hemispherical resonator // Proc. IEEE ISISS. 2014. P. 1—4.Ahamed M.J., Senkal D., Shkel A.M. Proc. IEEE ISISS, 2014, рр. 1–4.Wang Y., Shkel A. M. Study on surface roughness improvement of Fused Quartz after thermal and chemical postprocessing // Proc. IEEE ISISS. 2016. P. 101—104.Wang Y., Shkel A.M. Proc. IEEE ISISS, 2016, рр. 101–104.Ahamed M. J., Senkal D., Shkel A. M. Improvement of side-wall roughness in deep glass etched MEMS vibratory sensors // Proc. IEEE ISISS. 2014. P. 1—2.Ahamed M.J., Senkal D., Shkel A.M. Proc. IEEE ISISS, 2014, рр. 1–2.

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