La presente invención propone un método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva de una forma simple y económica.

Este método incluye los siguientes pasos: (a) situar un substrato próximo a un material de partida, ambos ubicados en el interior de una cámara; (b) irradiar el substrato de forma que la radiación luminosa lo atraviese; (c) exponer el material de partida a la radiación transmitida a través del substrato, de modo que al incidir la radiación sobre el material de partida se produzca su evaporación o sublimación; (d) depositar la fase de vapor del material de partida sobre el substrato; y (e) irradiar el depósito de material de manera concurrente y uniforme a través del substrato durante el proceso de deposición, a fin de aumentar la estabilidad de la estructura óptica a altas intensidades luminosas de trabajo. La estructura óptica fabricada presenta funcionalidad óptica refractiva a causa de su composición y perfil, así como un aumento en elumbral de daño a intensidades luminosas elevadas

Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva.

Referencias citadas

J. H. McLeod, "The axicon: a new type of optical element", J. Opt. Soc. Am. 44 (1954) 592.

A. V. Kolobov y Ka. Tanaka, en "Photoinduced Phenomena in Amorphous Chalcogenides: From Phenomenology to Nanoscale", Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices, Vol. 5, Hari Singh Nalwa, ed. (Academic Press, San Diego, 2001), p. 47.

A. Zakery, Y. Ruan, A. V. Rode, M. Samoc y B. Luther-Davies, "Low-loss waveguides in ultrafast laser-deposited As2S3 chalcogenide films ", J. Opt. Soc. Am. B 20 (2003) 1844.

Campo de la invención

La presente invención se contextualiza en el campo de las estructuras ópticas con funcionalidad refractiva, y los métodos para fabricarlas.

Estado de la técnica

Las estructuras ópticas tienen una gran importancia en todos aquellos campos tecnológicos en los que se necesita modular la distribución espacial de la luz. Ante tal demanda, se hace necesaria la optimización de las técnicas de fabricación de estructuras ópticas simples, así como la producción de estructuras ópticas con nuevas funcionalidades.

La mayor parte de los métodos empleados para la fabricación de estructuras ópticas refractivas a media escala de tamaño utilizan procesos repetitivos de tallado y de pulido, o procesos de moldeo en caliente [US 6,668,588 B1], previos a tratamientos posteriores más complejos. Alternativamente, para la fabricación de estructuras a pequeña escala, se han desarrollado diferentes procesos basados en múltiples etapas complejas de micromecanizado superficial, o de fotolitografía [US 5,345,336], así como métodos más recientes que proponen la ablación de superficies de plásticos o vidrios [US 5,053,171], o la modificación estructural, asistida por calor, de superficies de vidrios dopados con semiconductores [US 5,737,126], mediante el uso de láseres. Por otro lado, por su relación con la invención aquí expuesta y reclamada, son de destacar los métodos de deposición asistidos por luz que se emplean en procesos de producción de tecnologías planares [US 6,110,291], los cuales persiguen el crecimiento sobre un substrato, de una capa uniforme de compuestos conductores, semiconductores o superconductores, con el propósito de integrar dispositivos ópticos [US 6,924,457 B2] y/o electrónicos planares, tanto activos como pasivos.

La presente invención describe un método sencillo para la fabricación de estructuras ópticas refractivas, que tiene su base en el control, asistido por luz, del perfil de un material semiconductor que será depositado sobre un substrato que es transparente a la radiación de trabajo a la que va destinada la estructura óptica que se pretende fabricar. El método permite extender la funcionalidad de las estructuras ópticas fabricadas, a altas intensidades luminosas.

Al entender de los firmantes, las patentes citadas en esta sección son, hasta donde ha alcanzado nuestra búsqueda, aquellas que recogen las actividades inventivas más relevantes en el contexto de la que aquí se presenta, y sobre ellas puede demostrarse la actividad inventiva que los firmantes reclaman para la presente invención.

Bases de la invención

La presente invención describe un método sencillo, aunque no obvio, para la fabricación asistida por luz de estructuras ópticas, que se sustenta en las siguientes evidencias físicas:

1. Fragmentos estructurales de los elementos constituyentes de compuestos semiconductores pueden ser eyectados de un sólido al irradiarlos con luz de energía fotónica comparable (del orden de magnitud) a su gap óptico, con una intensidad lo suficientemente elevada. Esta intensidad depende del tipo de material semiconductor.

2. La fase de vapor generada, o pluma de plasma, se condensa sobre un substrato ubicado en las proximidades del material de partida, dando lugar a un depósito de este material sobre el substrato.

3. La morfología del depósito está relacionada con las características de la pluma o fase de vapor, las cuales dependen de la distribución espacial de la intensidad de la radiación luminosa sobre el material blanco, la radiancia espectral de la fuente luminosa, la distancia entre el material blanco y el substrato, la presión y la atmósfera en la cámara, la temperatura del material de partida, la temperatura del substrato, y el tiempo de irradiación.

4. La iluminación concurrente sobre el depósito en crecimiento puede afectar las propiedades físico-químicas del material que forma dicho depósito, como consecuencia de su efecto sobre la estructura en formación.

Sobre la base de las anteriores evidencias, los firmantes de la presente patente proponen un método sencillo, no obvio, para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva, según se define en la reivindicación independiente 1.

Un escenario preferido para la invención, no exclusivo en lo que se refiere al material usado, ni a la configuración del sistema de fabricación, es aquel en el que un haz láser continuo, con una longitud de onda de 532 nm, y con una distribución gaussiana de la intensidad luminosa, atraviesa perpendicularmente un substrato transparente de caras planoparalelas antes de alcanzar un material blanco situado a pocos milímetros del substrato. Tal material blanco es un disco (pastilla) de alrededor de 1 cm de diámetro y 2 mm de espesor, formado por polvo compactado de una aleación de un semiconductor amorfo V-VI (por ejemplo, una aleación de As y S), que es sensible a la energía fotónica de la radiación luminosa procedente de una fuente láser de Nd:YAG (2.33 eV). Las caras enfrentadas del substrato y de la pastilla son paralelas.

La configuración descrita produce un depósito con un perfil asférico que genera una función óptica como la ilustrada en la Figura 1, y que es característica de las estructuras ópticas denominadas axicons [McLeod]. Los axicons, como se representa en la Figura 2, a diferencia de las lentes con perfiles esféricos convencionales, se caracterizan por concentrar la energía luminosa a lo largo de un segmento focal extendido sobre el eje óptico, y mantener la resolución lateral invariante frente a la propagación sobre este segmento focal.

La transparencia de los semiconductores V-VI en la región espectral infrarroja (IR) [Kolobov y Tanaka] garantiza la estabilidad de las estructuras ópticas fabricadas en esta ventana espectral, lo que la convierte pues en la región espectral de trabajo preferida.

No obstante, los firmantes de la presente patente han observado que las estructuras ópticas producidas según el escenario preferido descrito, y posiblemente debido a la iluminación concurrente y uniforme del material que está siendo depositado, presentan una mayor transparencia óptica, y un umbral de daño más elevado a la radiación láser empleada en el proceso de fabricación, en comparación con el del material de partida. Se ha observado experimentalmente un aumento en la intensidad de daño de más de un orden de magnitud en aleaciones de composición As₂₀S₈₀, con respecto a la intensidad soportada por el material de partida.

Por otra parte, por su relevancia con la presente invención, se ha demostrado [Zakery et al.] que el recubrimiento de un depósito calcogenuro amorfo con una capa de polimetil metacrilato (PMMA), aumenta varios órdenes de magnitud el umbral de daño a la radiación para la que la aleación calcogenura, sin recubrimiento alguno, sería sensible.

Con...

1. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva, caracterizado porque comprende las siguientes fases operativas:

(a) situar un substrato (6), que es transparente tanto a la radiación de trabajo a la que va destinada la estructura óptica fabricada como a la radiación empleada en la fabricación, próximo a un material de partida (5), ambos ubicados en el interior de una cámara (1);

(b) irradiar el substrato (6) de forma que la radiación luminosa lo atraviese;

(c) exponer el material de partida (5) a la radiación transmitida a través del substrato (6), de modo que al incidir la radiación sobre el material de partida (5) se produzca su evaporación o sublimación;

(d) depositar la fase de vapor del material de partida (5) sobre el substrato (6);

(e) irradiar el depósito de material de manera concurrente y uniforme a través del substrato (6) durante el proceso de deposición, a fin de aumentar la estabilidad de la estructura óptica a altas intensidades luminosas de trabajo.

2. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicación 1, caracterizado porque la radiación luminosa implicada en el proceso es continua o pulsada.

3. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la radiación luminosa implicada en el proceso es monocromática o policromática.

4. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la radiación luminosa implicada en el proceso es coherente o incoherente.

5. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el material de partida (5) es un lingote o una pastilla formada a partir del polvo prensado del material a depositar.

6. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el material de partida (5) es una mezcla homogénea o heterogénea de aleaciones semiconductoras que contengan algún elemento calcógeno (O, S, Se y/o Te) y otros reactivos, que actúen como elementos tanto pasivos, como activos, para una determinada radiación luminosa.

7. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el proceso se realiza a presión y atmósfera controladas.

8. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la fase de vapor o plasma presente en el proceso procede de la evaporación y/o sublimación del material de partida (5) mediante la acción conjunta del calentamiento y la radiación luminosa.

9. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la temperatura del substrato (6) es diferente de la temperatura ambiente.

10. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la estructura óptica refractiva fabricada presenta una función óptica que es la correspondiente a una lente asférica de tipo axicónico.

11. Método para la fabricación de estructuras ópticas con funcionalidad puramente refractiva según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las caras enfrentadas del material de partida (5) y el substrato (6) son paralelas.

12. Estructura óptica con funcionalidad puramente refractiva obtenida mediante el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.