ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-11-06-16

УДК: 535.015; 535.317

Формирование бесселевых световых пучков с субволновым диаметром осевого максимума для диагностики и нелинейной фотолитографии полупроводниковых материалов

Белый В.Н., Курилкина С.Н., Хило Н.А., Ропот П.И.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Белый В.Н., Курилкина С.Н., Хило Н.А., Ропот П.И. Формирование бесселевых световых пучков с субволновым диаметром осевого максимума для диагностики и нелинейной фотолитографии полупроводниковых материалов // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 11. С. 6–16. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-11-06-16

 

Belyi V.N., Kurilkina S.N., Khilo N.A., Ropot P.I. Formation of Bessel light beams with subwavelength diameter of axial maximum for diagnostics and nonlinear photolithography of semiconductor materials [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 11. P. 6–16. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-11-06-16

Ссылка на англоязычную версию:

V. N. Belyi, S. N. Kurilkina, N. A. Khilo, and P. I. Ropot, "Formation of Bessel light beams with a subwavelength diameter of the axial maximum for diagnostics and nonlinear photolithography of semiconductor materials," Journal of Optical Technology. 90 (11), 639-645 (2024).  https://doi.org/10.1364/JOT.90.000639

Аннотация:

Предмет исследования. Схемные решения оптических систем для формирования векторных бесселевых световых пучков с субволновым диаметром осевого максимума. Цель работы. Разработка оптических схем формирования бесселевых световых пучков с большой числовой апертурой на основе использования комбинации рефрактивных и отражательных конических оптических элементов и определение способов применения векторных бесселевых световых пучков нулевого и высших порядков для формирования трехмерных цилиндрических и трубчатых микроструктур в приповерхностных областях твердых тел (в частности в кремнии). Метод. В настоящей работе для решения этой задачи предлагается применять схемы на основе отражательных конических оптических элементов. Первая из них — на основе комбинации рефрактивных и отражательных конических элементов, вторая — подобная первой, но для исключения зависимости потерь на отражение от поляризации, а также для достижения более высокого значения числовой апертуры в ней используется дополнительный оптический элемент в виде усеченного конуса. Основные результаты. Предложены два типа оптических схем, позволяющих формировать векторные бесселевы пучки нулевого и высших порядков. Показано, что особенностями данных пучков являются большая числовая апертура и высокое отношение длины области бездифракционности к диаметру основного максимума бесселевого пучка. Это достигается за счет включения в оптические схемы отражательных конических элементов. Проанализировано влияние состояния поляризации векторных бесселевых световых пучков на поперечный профиль формируемого поля. Получены аналитические выражения для радиального распределения интенсивности векторных бесселевых пучков ТН- и ТЕ- поляризаций (и двух их суперпозиций), в которых обеспечивается субволновый размер осевого максимума. Выявлены условия формирования трехмерных микроструктур в приповерхностных областях полупроводниковых пластин с помощью векторных бесселевых световых пучков. Показано, что при воздействии ТЕ-поляризованного бесселева пучка вследствие процессов нелинейной фотолитографии в полупроводниковой пластине возможно формирование трубчатых структур, в то время как при воздействии ТН-поляризованного, а также суперпозиции ТЕ- и ТН- поляризованных бесселевых пучков оказывается возможной реализация как трубчатых, так и цилиндрических микроструктур. При этом за счет варьирования угла конуса имеется возможность управления типом формируемых микроструктур и их размером. Практическая значимость. Показана перспективность предложенных формирователей векторных бесселевых световых пучков для применений в оптической микроскопии субмикрометрового разрешения и нелинейной фотолитографии в полупроводниках.

Ключевые слова:

бесселевы световые пучки, аксикон, отражательная оптика, векторные пучки, поляризация

Благодарность:
исследования проведены при финансовой поддержке БФФИ в рамках научного проекта № Ф22ТУРЦ¬003

Коды OCIS: 140.0140, 230.0230, 240.0240

Список источников:
  1. Durnin J., Miceli J.J.Jr., Eberly J.H. Diffraction free beams // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 1499–1501. htpps://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.1499
  2. McGloin D., Dholakia K. Bessel beams: Diffraction in a new light // Contemporary Phys. 2005. V. 46. № 1. P. 15–28. htpps://doi.org/10.1080/0010751042000275259
  3. Duocastella M., Arnold C.B. Bessel and annular beams for materials processing // Laser Photonics Rev. 2012.V. 6. № 5. P. 1–15. htpps://doi.org/10.1002/lpor.201100031
  4. Khonina S.N., Kazanskiy N.L., Karpeev S.V., et al. Bessel beam: Significance and applications // A Progressive Rev. Micromachines. 2020. V. 11. № 11. P. 997. htpps://doi.org/ 10.3390/mi11110997
  5. Ren Y.-X., He H., Tang H., et al. Non-diffracting light wave: Fundamentals and biomedical applications // Front. Phys. 2021. V. 9. P. 698343. htpps://doi.org/10.3389/fphy.2021.698343
  6. McLeod J. H. The axicon: A new type of optical element // JOSA. 1954. V. 44. № 8. P. 592–597. https://doi.org/10.1364/JOSA.44.000592
  7. Chattrapiban N., Rogers E.A., Cofield D., et al. Generation of nondiffracting Bessel beams by use of a spatial light modulator // Opt. Lett. 2003. V. 28. № 22. P. 2183–2185. htpps://doi.org/ 10.1364/OL.28.002183
  8. Durnin J., Miceli J.J., Eberly J.H. Comparison of Bessel and Gaussian beams // Opt. Lett. 1988. V. 13. № 2. P. 79–80. https://doi.org/10.1364/OL.13.000079
  9. Snoeyink C. Imaging performance of Bessel beam microscopy // Opt. Lett. 2013. V. 38. № 14. P. 2550–2553. htpps://doi.org/10.1364/OL.38.002550
  10. Thibon L., Lorenzo L.E., Piché M., et al. Resolution enhancement in confocal microscopy using Bessel–Gauss beams // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 3. P. 2162–2177. htpps://doi.org/10.1364/OE.25.002162
  11. Mazloumi M., Dawson E., Sabat R.G. Hierarchical concentric surface patterns and metasurfaces on azobenzene molecular glass films using axicon interference lithography // Opt. Mater. 2023. V. 136. P. 113428. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113428
  12. Leutenegger M., Ringemann C., Lasser T., et al. Fluorescence correlation spectroscopy with a total internal reflection fluorescence STED microscope (TIRF-STED-FCS) // Opt. Exp. 2012. V. 20. P. 5243–5263. htpps://doi.org/10.1364/OE.20.005243
  13. Schreiber B., Elsayad K., Heinze K.G. Axicon-based Bessel beams for flat-field illumination in total internal reflection fluorescence microscopy // Opt. Lett. 2017. V. 42. P. 3880–3883. htpps://doi.org/10.1364/OL.42.003880
  14. Tokel O., Turnali A., Makey G., et al. In-chip microstructures and photonic devices fabricated by nonlinear laser lithography deep inside silicon // Nat. Phot. 2017. V. 11. P. 639–645. htpps://doi.org/10.1038/s41566-017-0004-4
  15. Turnali A., Ishraq A., Makey G., et al. spatial-control of laser-written in-chip si structures with Bessel beams // Conf. Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics. (CLEO/Europe-EQEC). June 23–27, 2019. htpps://doi.org/10.1109/CLEOE-EQEC.2019.8873401.
  16. Rushin S, Leizer A. Evanescent Bessel beams // JOSA. 1998. V. A15. P. 1139–1143. https://doi.org/10.1364/JOSAA.15.001139
  17. Kurilkina S.N., Belyi V.N., Kazak N.S. Features of evanescent Bessel light beams formed in structures containing a dielectric layer // Opt. Comm. 2010. V. 283. P. 3860–3868. htpps://doi.org/10.1016/j.optcom.2010.05.076
  18. Muhanna K Al-Muhanna, Kurilkina S.N., Belyi V.N., et al. Energy flow patterns in an optical field formed by a superposition of evanescent Bessel light beams // J. Opt. 2011. V. 13. P. 105703. htpps://doi.org/10.1088/2040-8978/13/10/105703
  19. Rui G., Wang X., Cui Y. Manipulation of metallic nanoparticle with evanescent vortex Bessel beam // Opt. Exp. 2015. V. 23. № 20. P. 25707–25716. htpps://doi.org/10.1364/OE.23.025707
  20. Grosjean T., Courjon D., Van Labeke D. Bessel beams as virtual tips for near-field optics // J. Microscopy. 2003. V. 210. № 3. P. 319–323. htpps://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2003.01163.x
  21. Şahin R. Bessel and Bessel vortex beams generated by blunt-tip axicon // Turkish J. Phys. 2018. V. 42. № 1. P. 47–60. htpps://doi.org/10.3906/fiz-1707-8
  22. Belyi V.N., Khilo N.A., Kazak N.S., et al. Propagation of high-order circularly-polarized Bessel Beams and vortex generation in uniaxial crystals // Opt. Eng. 2011. V. 50. P. 059001. htpps://doi.org/10.1117/1.3572109
  23. Yuh-Yan Yu, Chin-Kai Chang, Ming-Wei Lai, et al. Laser ablation of silicon using a Bessel-like beam generated by a subwavelength annular aperture structure // Appl. Opt. 2011. V. 50. № 34. P. 6384–6390. htpps://doi.org/10.1364/AO.50.006384
  24. Khilo N.A. Conical diffraction and transformation of Bessel beams in biaxial crystals // Opt. Comm. 2013. V. 286. P. 1–5. htpps://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.07.030