[发明专利]形成光学器件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件的形成，例如通过向表面施加激光束来该改变该表面的光学特性而形成光学器件。

背景技术

已知有许多不同的在表面上制作光学器件的技术。例如，有各种公知的制作计量标尺(例如相位标尺或幅度标尺)的技术。

幅度标尺通常包括一表面，该表面包括一些特征，这些特征确定在操作中由读取头从标尺接收的光的幅度。例如，反射式幅度标尺可以包括在表面上的精确确定的位置处形成的一系列反射式和非反射式线条。当读取头在该表面之上移动时，该读取头能够基于反射式线条和非反射式线条的位置和数量来精确地确定其位置。一般来说，虽然反射式线条和非反射式线条在表面上的横向位置必须被精确地确定，但是反射式线条和非反射式线条在该表面上面的竖直轮廓对于幅度标尺器件来说是第二重要的。可以使用各种技术来制作幅度标尺器件。

相位标尺具有分布在表面之上的一系列标记，各标记都具有精确确定的高度，并且被形成为在各标记之间具有精确确定深度的井(well)。在操作时，由读取头施加的光既从各标记的顶部反射又从标记之间的井反射，并且该读取头能够利用已知技术检测到所反射的光的建设性干涉或破坏性干涉。典型地，形成标记是为了在表面上提供矩形波状结构，并且标记之间的井的深度通常等于由读取头施加的光的波长的一半。标记的高度的变化、或井的深度的变化、或表面上存在显著粗糙度都会导致可通过相位标尺上的读取头测量获得的信噪比显著恶化。因此，相位标尺通常利用光刻技术形成，光刻技术尽管耗时但是能够提供具有足够分辨率的表面特征。

已经建议使用激光烧蚀技术从表面去除相当的材料量来形成相位标尺特征。然而，这种激光烧蚀技术会导致井具有粗糙表面，从而影响它们的反射性并增加信噪比。而且，如果将相当的材料量从表面烧蚀掉，已经发现一些材料会沉积在表面上的其他地方，因而干涉相位标尺的操作。

在以本申请人的名义的WO2006/120440中已经描述了一种形成相位标尺器件的另选方法。根据该方法，向标尺基板施加适当强度的激光束，导致基板材料软化并从激光束的焦点移开，而不大量去除材料。激光束的作用不会使反射性下降，且标尺上的每个点都保持反射性而不会显著粗糙化。在整个基板上将光束反复施加不同位置以构造具有期望轮廓的相位标尺器件。所得到的轮廓具有标记和带有圆化边缘的井，但是发现虽然具有这种圆化而不是方波形的轮廓，所得到的器件仍然可以令人满意地作为相位标尺器件发挥作用。在WO 2006/120440中描述的工艺可能比光刻技术更快速高效，并且实现起来更便宜。

在S F Rastopov和A T Sukhodol’skii(1987Sov.J.量子电子，第17卷1091页)中描述了向表面施加激光束移除材料以形成具有期望轮廓的光学器件。该文献中描述的方法用来形成衍射光栅。在表面上提供二元液体溶液的薄液体层，并且施加激光辐射，激光辐射致使挥发物从被局部加热驱动的溶液局部汽化，这又导致质量转移，而质量转移导致形成材料的表面轮廓。激光辐射被反复施加以构造形成衍射光栅结构的期望轮廓。质量转移归因于马兰哥尼效应(Marangoni effect，还被不同地称为吉布斯-马兰哥尼效应、马兰哥尼对流和热毛细管对流)，马兰哥尼效应是一种物理现象，其中两种流体之间的界面处的表面张力梯度导致质量转移。

US 5,907,144描述了利用通过向磁盘的边缘上的金属表面施加脉冲激光束导致的热毛细管或表面张力来致使金属从被辐射区域流走。激光束被施加至不同位置以形成包括条形码结构的弯曲反射器。

焊接文献描述了用于操纵工件轮廓的方法，包括通过在受控条件下适当施加激光辐射而致使对材料进行雕刻。从焊接文献可知，通过改变金属的氧含量或硫含量可以改变或逆转液体金属的表面张力梯度。还已知在激光处理过程中使用CO2辅助气体，这能够改变金属的氧含量。然而，焊接文献通常涉及的是形成大尺度机械结合或结构而不是形成光学器件。在许多情况下，在焊接情况下表面张力作用都是不期望的。

发明内容

在本发明的第一独立方面中，提供了一种形成光学器件的方法，该方法包括：向表面的目标区域施加激光束，从而选择性地加热所述表面的材料，以由此由于表面张力梯度而提供材料转移，其中所述表面是这样的，即在液态时，所述表面的较低温度的部分具有比相邻的所述表面的较高温度的部分低的表面张力。因而，由于表面张力梯度引起的材料转移可以包括材料转移至所述目标区域，例如从所述目标区域的较低温度部分转移至所述目标区域的较高温度部分。