CC BY
63ВКВО-2019- Стендовые
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИППС СТРУКТУР С ПОМОЩЬЮ ПОЛНОСТЬЮ ВОЛОКОННОГО ИСТОЧНИКА ЧИРПИРОВАННЫХ ДИССИПАТИВНЫХ СОЛИТОНОВ
Кузнецов А.Г.1, Харенко Д.С.1'2, Бронников К.А.1'2, Достовалов А.В.1, Бабин С.А.1'2
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН 630090, г. Новосибирск 2 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16172
Лазерное структурирование материалов для изменения или придания новых свойств их поверхности бурно развивается в последнее десятилетие [1]. Так было показано изменение смачиваемости поверхности [2], структурной окраски [3], увеличение биосовместимости титановых имплантов [4] и др. С практической точки зрения для дальнейшего развития данных технологий требуется разработать технологию относительно дешевого структурирования поверхности на сравнительно больших площадях. Процесс образования лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИПСС) может оказаться эффективным решением данной задачи, поскольку образование периодических структур (с периодом Л < X, где X - длина волны лазерного излучения) происходит в области фокусировки лазерного излучения за счет механизма самоорганизации при существенно большем по сравнению с периодом структур диаметре пучка. Основная гипотеза, объясняющая формирование ЛИПСС, основывается на интерференции падающего излучения и излучения, рассеянного от поверхности материала или возбужденного поверхностного плазмона, в результате чего на поверхности материала формируется периодическая модуляция интенсивности излучения, в максимумах которой при превышении определенного порогового значения происходит процесс абляции материала [5]. При этом периодическая структура имеет, как правило, выделенное направление - перпендикулярно направлению поляризации падающего излучения. В [6] было продемонстрировано формирование нового типа ЛИППС -термохимических, которые формируются не за счет абляции, а вследствие окисления металла, поэтому в данном случае происходит рост рельефа в высоту и структуры не загрязняются продуктами абляции, что важно для многих практических применений. Другие особенности данного типа структур состоят в следующем: высокая степень упорядоченности структур, ориентация параллельно поляризации падающего излучения, зависимость периода структур не только от длины волны излучения, но и толщины металлической пленки.
В данной работе проводится исследование возможности создания термохимических ЛИППС структур с помощью волоконного лазерного источника, генерирующего чирпированные солитоны. Задающий лазер с синхронизацией мод выполнен в кольцевой схеме, состоящей из двух функциональных частей: короткого участка из стандартного одномодового волокна, в котором происходит синхронизация мод за счёт эффекта нелинейного вращения поляризации, и длинного участка из волокна с сохранением состояния поляризации, в котором формируется диссипативный солитон [7]. Генерируемые импульсы растягиваются в отрезке PM-волокна длиной ~200 м и направляются на вход тейпера [8]. Легированное ионами Yb3+ тейперное волокно представляет собой конусообразный световод с двойной оболочкой длиной 6 метров с диаметром сердцевины 15 мкм на его входе и 100 мкм на выходе. С узкой стороны мощность накачки составляла 25 Вт, а с широкого конца мощность варьировалась от 0 до 70 Вт. Усиленный полезный сигнал с выхода тейпера направляется дихроичным зеркалом на двухпроходной компрессор с парой дифракционных решеток (1500 штрихов/мм) и сжатый импульс анализируется с помощью системы FROG [9]. Задающий осциллятор генерировал последовательность сильно-чирпованных импульсов длительностью 10 пс с частотой повторения 13 МГц. Средняя мощность задающего лазера составила 20 мВт, центральная длина волны 1053 нм, а ширина спектра излучения ~13 нм. При мощности накачки усиливающего тейпера с широкого конца 40 Вт выходная мощность полезного сигнала составила ~20 Вт, что соответствует пиковой мощности несжатого импульса 150 кВт (энергия импульса 1.5 мкДж). Длительность сжатого импульса при 10 Вт выходной мощности составила 827 фс, т.о. максимальная пиковая мощность достигала 1.8 МВт.
С помощью разработанного волоконного источника ультракоротких импульсов были изучены особенности формирования высокоупорядоченных оксидных периодических структур на поверхности металлов и полупроводников при различных условиях облучения.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №18-32-00459.
330 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВ0-2019 Стендовые
Литература
1. A. Y. Vorobyev and C. Guo, "Direct femtosecond laser surface nano/microstructuring and its applications, " Laser Photon. Rev., vol. 7, no. 3, pp. 385-407, May 2012
2. P. Bizi-Bandoki, S. Benayoun, S. Valette, B. Beaugiraud, and E. Audouard, "Modifications of roughness and wettability properties of metals induced by femtosecond laser treatment, " Appl. Surf. Sci., vol. 257, no. 12, pp. 5213-5218, 2011
3. A. Y. Vorobyev and C. Guo, "Colorizing metals with femtosecond laser pulses, " Appl. Phys. Lett., vol. 92, no. 4, pp. 041914-3, 2008
4. E. Fadeeva, S. Schlie, J. Koch, and B. N. Chichkov, "Selective Cell Control by Surface Structuring for Orthopedic Applications, " J. Adhes. Sci. Technol., vol. 24, no. 13-14, pp. 2257-2270, Jan. 2010
5. J. Sipe, J. Young, J. Preston, and H. Van Driel, "Laser-induced periodic surface structure. I. Theory, " Phys. Rev. B, vol. 27, no. 2, pp. 1141-1154, 1983
6. B. Oktem, I. Pavlov, S. Ilday, H. Kalaycioglu, A. Rybak, S. Yava§, M. Erdogan, and F. O. Ilday, "Nonlinear laser lithography for indefinitely large-area nanostructuring with femtosecond pulses, " Nat. Photonics, vol. 7, no. 11, pp. 897-901, Oct. 2013
7. D. S. Kharenko, E. V Podivilov, A. A. Apolonski, and S. A. Babin, "20 nJ 200fs all-fiber highly chirped dissipative soliton oscillator, " Opt. Lett., 37 (19), 4104-4106 (2012)
8. V. Filippov, Y. Chamorovskii, J. Kerttula, K. Golant, M. Pessa, and O. G. Okhotnikov, "Double clad tapered fiber for high power applications, " Opt. Express, 16 (3), 1929 (2008)
9. D. S. Kharenko, A. E. Bednyakova, E. V Podivilov, M. P. Fedoruk, A. Apolonski, and S. A. Babin, "Feedback-controlled Raman dissipative solitons in a fiber laser., " Opt. Express, 23 (2), 1857-62 (2015)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 331
