CC BY
31
УДК 53.03, 53.043
DOI 10.21685/2072-3040-2019-1-9
Б. Б. Костишко, В. В. Светухин, И. О. Явтушенко
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
НА СТРУКТУРИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
Аннотация.
Актуальность и цели. Лазерное структурирование материалов является одним из наиболее активно развивающихся направлений исследований, что связано как с огромным практическим потенциалом, так и с наблюдением большого количества новых эффектов взаимодействия новых видов лазерного излучения с поверхностью различных материалов. Целью данной работы являлся анализ факторов, влияющих на параметры структур, формирующихся при короткоимпульсном лазерном облучении.
Материалы и методы. Для лазерной обработки поверхности металла использовался фемтосекундный лазер с длиной волны линейно поляризованного излучения 1064 нм. Обработка образцов производилась как на воздухе, так и сквозь слой жидкости (дистиллированная вода и изопропиловый спирт).
Результаты. Методами атомно-силовой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии зафиксирована внутренняя структура формирующегося при облучении линейно-периодического рельефа. Получены режимы формирования двумерной решетчатой структуры методом поворота вектора поляризации излучения. Определены особенности влияния жидкой среды на структурирование поверхности лазерным излучением.
Выводы. Линейнопериодическая структура, формируемая при облучении поверхности материалов короткоимпульсным излучением может изменять свой период при применении внешней жидкой среды, параметры которой позволяют уменьшать размерность структур.
Ключевые слова: наноструктурирование, плазмон-поляритонная модель, лазерное структурирование, упорядоченные наноструктуры.
B. B. Kostishko, V. V. Svetukhin, I. O. Yavtushenko
RESEARCH OF THE EFFECT OF DIFFERENT FACTORS ON THE STRUCTURING OF METALS BY FEMTOSECOND LASER PULSES
Abstract.
Background. Laser structuring of materials is one of the most actively developing areas that are associated with enormous practical potential, and with the observation of a large number of new types of interaction of new types of laser radiation involving various materials. The purpose of this paper is to analyze the influence of structures influencing parameters on the formation of short-pulsed laser irradiation.
Materials and methods. For laser processing of the metal surface, a femtosecond laser with a wavelength of linearly polarized radiation of 1064 nm was used. The
© Костишко Б. Б., Светухин В. В., Явтушенко И. О., 2019. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
samples were processed both in air and through a layer of liquid (distilled water and isopropyl alcohol).
Results. The internal structure formed by irradiation of the linear-periodic relief is fixed by the methods of AFM and SEM. Regimes for the formation of a two-dimensional lattice structure by the rotation of the radiation polarization vector are obtained. Specific features of the influence of the liquid medium on the surface structuring by laser radiation are determined.
Conclusions. The linear-periodic structure formed by irradiating the surface of materials with short-pulse radiation can change.
Keywords: nanostructuring, Plasmon-polariton model, laser structuring, ordered nanostructures.
Введение
Высокая плотность излучения, а также сверхмалая длительность фем-тосекундных лазерных импульсов при определенных условиях приводят к возникновению на поверхности облучаемой структуры упорядоченных изменений рельефа - оптически наведенные решетки, которые сохраняются и после прекращения лазерного воздействия [1-3]. По мере образования рельефа поверхности меняется ее поглощающая и рассеивающая способности, возникает обратная связь, причем до сих пор существует несколько подходов к ее описанию и остаются вопросы о том, каков знак этой обратной связи, каковы ее физические механизмы и какова степень влияния параметров излучения и характеристик облучаемой поверхности на получаемую поверхностную структуру [4-6]. Кроме того, несмотря на большой объем экспериментальных данных, отсутствует анализ влияния особенностей самого материала облучаемой поверхности и окружающей среды на формирующуюся структуру. Фундаментальность происходящих процессов [7], а также прикладная привлекательность получаемых результатов [8-10] определяют большое количество научных работ, посвященных данной тематике [2-11].
Материалы и методика
В качестве экспериментальных образцов использовались цилиндры из стали 9ХС высотой 15 mm и диаметром 20 mm. Выбор инструментальной стали 9ХС сделан по причине ее широкого использования для создания инструментов и деталей машин, а лазерная обработка позволяет улучшить их характеристики [12].
Облучаемая поверхность (торец цилиндра) предварительно подвергалась автоматической механической полировке с использованием полирующей суспензии (с зерном до 1 мкм). Подготовленная поверхность облучалась иттербиевым волоконным лазером FIANIUM со следующими характеристиками: длина волны X = 1064 nm, частота следования импульсов v = 1 MHz; длительность импульса т = 300 fs; средняя мощность до 2 W; пучок линейно поляризован (р-поляризация). Эксперимент проводился как на воздухе (эксперимент 1), так и с погружением образца в жидкую фазу (эксперимент 2). Фокусировка лазерного луча на поверхность образца осуществлялась при помощи кварцевой линзы с фокусным расстоянием f = 100 mm. Образцы закреплялись на трехкоординатном поворотном столике, который перемещался для фокусировки пучка на плоскости образца и ее контролируемого вращения вокруг двух взаимно перпендикулярных осей (рис. 1). Изменение направ-
ления поляризации лазерного пучка осуществлялось при помощи пластинки А/4. Снимки поверхности образца осуществлялись с помощью сканирующего электронного микроскопа PHENOM PRO-X.
Рис. 1. Экспериментальная установка
Результаты и их обсуждение
Как уже отмечалось ранее нами [13] и другими исследователями [11, 14], при определенной интенсивности и длительности воздействия корот-коимпульсного лазерного излучения на поверхности материалов в зоне облучения возникают высокоупорядоченные периодические структуры, ориентация которых определяется направлением вектора поляризации используемого излучения. Так, на рис. 2 представлена полученная при облучении на воздухе структурированная поверхность металла с характерным периодом повторения линейного рельефа порядка длины волны А = 1064 нм, шириной модифицированных дорожек ~ 350 нм и высотой ~ 500 нм (рис. 3).
Рис. 2. Линейно-периодический рельеф (облучение на воздухе)
Рис. 3.Топология формирующейся при облучении структуры
Образование лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур в настоящее время достаточно хорошо описывается в рамках плаз-мон-поляритонной модели (ППМ), основывающейся на интерференции возбужденных поверхностных плазмон-поляритонов с падающим излучением [2, 3, 15].
Кроме того, методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) удалось зафиксировать внутреннюю структуру самих линейных участков (рис. 4). Формирующаяся линия состоит из отдельных выступов с характерным размером порядка 400 нм организованных в единую конфигурацию перпендикулярно вектору поляризации лазерного излучения. Таким образом, формирование рельефа происходит фрагментально с учетом дефектов и неоднородно-стей, всегда присутствующих на поверхности образца. И наряду с модифицированными участками (линейный рельеф) наблюдаются области исходной поверхности.
Рис. 4. АСМ-снимок рельефа
Ориентация линейно периодического рельефа зависит от вектора поляризации лазерного излучения. В данной работе опробована возможность записи двумерных периодических структур за счет вращения вектора поляризации Е. Облучение проводилось последовательно для двух взаимно-перпендикулярных ориентацией вектора Е (рис. 5). В результате на уже сформированный линейный периодический рельеф накладывалась новая линейно-периодическая структура, частично модифицирующая исходную (рис. 6).
Рис. 5. Решетка, полученная наложением двух взаимно-перпендикулярных поляризаций лазерного излучения
Рис. 6. Топология области облучения
Подбор режимов облучения позволяет сделать преобладающим либо исходный линейно-периодический рельеф, либо вновь наведенный. А в промежутках основной структуры наблюдается второстепенная (рис. 6). Следовательно, в зависимости от условий облучения возможно формирование двумерных структур даже при последовательной обработке поверхности.
Еще одним фактором, определяющим вид формируемых при облучении структур, является внешняя среда. Помещение образца под слой жидкости (рис. 1) приводит не только к изменению геометрических параметров структуры, но и к более радикальным последствиям. В частности, происходит поворот образующегося рельефа на 90° относительно облучения на воздухе, кроме того, структура становится более сжатой и происходит модификация уже всей поверхности в целом (рис. 7). При этом степень воздействия на поверхность при прочих равных параметрах в жидкости многократно увеличивается. В исследованиях использовалось два типа жидкости (дистиллированная вода, изопропиловый спирт - С3Н80), отличающихся своими смачивающими свойствами, тепловодностью (0,6062 и 0,135 Вт/м^К соответственно) и другими параметрами. При контролируемой толщине слоя жидкости и близких оптических параметрах наблюдались некоторые изменения формирующихся структур.
Рис. 7. Структура, формирующаяся при облучении в дистиллированной воде
В дистиллированной воде структура образуется более разупорядочен-ная, в то же время с меньшим, чем в спирте, характерным размером: дистиллированная вода - 350 нм, изопропиловый спирт - 450 нм. На рис. 7, 8 представлены изображения формирующихся при облучении структур в анализируемых жидкостях. Определяющую роль в характеристиках получаемых структур играет появление дополнительной среды со своими оптическими параметрами, а также особые условия теплопередачи и отвода газа, что в итоге приводит к уменьшению периодичности микрорельефа и более радикальной модификации поверхности.
Заключение
Таким образом, линейно-периодическая структура, формируемая при облучении поверхности материалов короткоимпульсным излучением, может изменять свой период при применении внешней жидкой среды, параметры которой позволяют уменьшать размерность структур.
Рис. 8. Структура, формирующаяся при облучении в изопропиловом спирте (с различным увеличением)
Зависимость ориентации формируемого при облучении рельефа позволяет получать двумерные решетки даже последовательным облучением.
Библиографический список
1. Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения / Дж. Рэди. - Москва : Мир, 1974. - 468 с.
2. Баженов, В. В. Интерференция поверхностных электромагнитных волн и периодические структуры, образующиеся при воздействии интенсивного света на поверхность полупроводника / В. В. Баженов, А. М. Бонч-Бруевич и др. // Письма в Журнал технической физики. - 1984. - Т. 10, № 24. - С. 1520-1527.
3. Макаров, Г. Н. Применение лазеров в нанотехнологии: получение наночастиц и наноструктур методами лазерной абляции и лазерной нанолитографии / Г. Н. Макаров // Успехи физических наук. - 2013. - Т. 183, № 7. - С. 673-718.
4. Хомич, В. Ю. Механизмы и модели прямого лазерного наноструктурирования материалов / В. Ю. Хомич, В. А. Шмаков // Успехи физических наук. - 2015. -Т. 185, № 5. - С. 489-499.
5. Образование периодических поверхностных структур при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов / М. Б. Агранат, С. И. Анисимов, С. И. Ашитков и др. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1999. - Т. 115, № 2. - С. 675-688.
6. Федянин, Д. Ю. Поверхностные плазмон-поляритоны с отрицательной и нулевой групповыми скоростями, распространяющиеся по тонким металлическим пленкам / Д. Ю. Федянин, А. В. Арсенин, В. Г. Лейман, А. Д. Гладун // Квантовая электроника. - 2009. - Т. 39, № 8. - С. 745-750.
7. Борн, M. Основы оптики / M. Борн, Э. Вольф. - Москва : Наука, 1970. - 720 с.
8. Степихова, М. В. Инверсная населенность уровней энергии ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия / М. В. Степихова, Д. М. Жигунов, В. Г. Шегуров // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2005. - Т. 81, № 10. -С. 614-617.
9. Лазеры и технология : сб. / под ред. Стельмаха М. Ф. - Москва : Энергия. 1975. -182 с.
10. Парфенов, В. А. Лазерная микрообработка материалов : учеб. пособие / В. А. Парфенов. - Санкт-Петербург : Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. - 59 с.
11. Макин, В. С. Диссипативные наноструктуры и универсальность Фейгенбаума в неравновесной нелинейной динамической системе металл-мощное поляризованное ультракороткоимпульсное излучение / В. С. Макин, Р. С. Макин, А. Я. Воробьев, Гуо Чунлей // Письма в Журнал технической физики. - 2008. - Т. 34, № 9. - С. 55-64.
12. Бирюков, В. Лазерное упрочнение и легирование сталей / В. Бирюков // Фотоника. - 2011. - № 3. - С. 34-37.
13. Особенности структурирования поверхности металла фемтосекундными лазерными импульсами высокой мощности / И. О. Явтушенко, М. С. Явтушенко, И. О. Золотовский и др. // Письма в Журнал технической физики. - 2015. - Т. 41, № 15. - С. 60-68.
14. Фемтосекундная лазерная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана / Е. В. Голосов, В. И. Емельянов, А. А. Ионин, Ю. Р. Колобов и др. // Письма в журнал технической физики. -2009. - Т. 90, № 2. - С. 116-120.
15. Громов, Г. Г. Образование двумерной решетки на поверхности InSb под действием лазерного излучения / Г. Г. Громов, В. Б. Уфимцев // Письма в Журнал технической физики. - 1983. - Т. 9, № 10 - С. 580-582.
References
1. Redi Dzh. Deystvie moshchnogo lazernogo izlucheniya [High power laser radiation]. Moscow: Mir, 1974, 468 p. [In Russian]
2. Bazhenov V. V., Bonch-Bruevich A. M. et al. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Letters to the Journal of technical physics]. 1984, vol. 10, no. 24, pp. 1520-1527. [In Russian]
3. Makarov G. N. Uspekhi fizicheskikh nauk [Advances in the physical sciences]. 2013, vol. 183, no. 7, pp. 673-718. [In Russian]
4. Khomich V. Yu., Shmakov V. A. Uspekhi fizicheskikh nauk [Advances in the physical sciences]. 2015, vol. 185, no. 5, pp. 489-499. [In Russian]
5. Agranat M. B., Anisimov S. I., Ashitkov S. I. et al. Zhurnal eksperimental'noy i teoret-icheskoy fiziki [Journal of experimental and theoretical physics]. 1999, vol. 115, no. 2, pp. 675-688. [In Russian]
6. Fedyanin D. Yu., Arsenin A. V., Leyman V. G., Gladun A. D. Kvantovaya elektronika [Quantum electronics]. 2009, vol. 39, no. 8, pp. 745-750. [In Russian]
7. Born M., Vol'f E. Osnovy optiki [Optics basics]. Moscow: Nauka, 1970, 720 p. [In Russian]
8. Stepikhova M. V., Zhigunov D. M., Shegurov V. G. Pis'ma v Zhurnal eksperi-mental'noy i teoreticheskoy fiziki [Letters to the Journal of experimental and theoretical physics]. 2005, vol. 81, no. 10, pp. 614-617. [In Russian]
9. Lazery i tekhnologiya: sb. [Lasers and technology: collected articles]. Ed. by Stel'makh M. F. Moscow: Energiya. 1975, 182 p. [In Russian]
10. Parfenov V. A. Lazernaya mikroobrabotka materialov: ucheb. posobie [Laser microprocessing of materials: teaching aid]. Saint-Petersburg: Izd-vo SPbGETU «LETI». 2011, 59 p. [In Russian]
11. Makin V. S., Makin R. S., Vorob'ev A. Ya., Guo Chunley Pis'ma v Zhurnal tekhnich-eskoy fiziki [Letters to the Journal of technical physics]. 2008, vol. 34, no. 9, pp. 55-64. [In Russian]
12. Biryukov V. Fotonika [Photonics]. 2011, no. 3, pp. 34-37. [In Russian]
13. Yavtushenko I. O., Yavtushenko M. S., Zolotovskiy I. O. et al. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Letters to the Journal of technical physics]. 2015, vol. 41, no. 15, pp. 60-68. [In Russian]
14. Golosov E. V., Emel'yanov V. I., Ionin A. A., Kolobov Yu. R. et al. Pis'ma v zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Letters to the Journal of technical physics]. 2009, vol. 90, no. 2, pp. 116-120. [In Russian]
15. Gromov G. G., Ufimtsev V. B. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Letters to the Journal of technical physics]. 1983, vol. 9, no. 10, pp. 580-582. [In Russian]
Костишко Борис Борисович
младший научный сотрудник, Научно-исследовательский технологический институт имени С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, 42)
E-mail: 79050354885@yandex.ru
Kostishko Boris Borisovich Junior researcher, Technological Research Institute S. P. Kapitsa, Ulyanovsk State University (42 L'va Tolstogo street, Ulyanovsk, Russia)
Светухин Вячеслав Викторович
доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Научно-производственный комплекс «Технологический центр» (Россия, г. Зеленоград, площадь Шокина, 1)
E-mail: svetukhin@mail.ru
Svetukhin Vyacheslav Viktorovich Doctor of physical and mathematical sciences, professor, leading researcher, Research and production complex "Tekhnologichesky tsentr" (1 Shokin square, Zelenograd, Russia)
Явтушенко Игорь Олегович
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Научно-исследовательский технологический институт имени С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (Россия, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, 42)
E-mail: yavigor@mail.ru
Yavtushenko Igor' Olegovich Candidate of physical and mathematical sciences, senior staff scientist, Technological Research Institute S. P. Kapitsa, Ulyanovsk State University (42 L'va Tolstogo street, Ulyanovsk, Russia)
Образец цитирования:
Костишко, Б. Б. Исследование влияния различных факторов на структурирование металлов фемтосекундными лазерными импульсами / Б. Б. Костишко, В. В. Светухин, И. О. Явтушенко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2018. -№ 1 (45). - С. 105-114. - БОТ 10.21685/2072-3040-2019-1-9.
