Модификация фоточувствительной стеклокерамики „Фотуран" ультракороткими лазерными импульсами Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Михаил Аркадьевич Тимофеев — канд. физ.-мат. наук; Научно-исследовательский институт ядерной

физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова; ведущий научный сотрудник; E-mail: tma@dnph.phys.msu.su Геннадий Григорьевич Унтила — канд. физ.-мат. наук; Научно-исследовательский институт ядерной

физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова; старший научный сотрудник; E-mail: guntila@mics.msu.su

Рекомендована Поступила в редакцию

программным комитетом Конференции 08.09.10 г.

УДК 536.42; 539.213.27

Э. И. Агеев, В. П. Вейко, К. К. Киеу

МОДИФИКАЦИЯ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ СТЕКЛОКЕРАМИКИ „ФОТУРАН" УЛЬТРАКОРОТКИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

Рассмотрен процесс лазерно-индуцированной модификации фоточувствительного стеклокерамического материала импульсами пикосекундной длительности для второй гармоники YAG:Nd-лазера, а также проведено сравнение данного процесса с инфракрасным фемтосекундным воздействием.

Ключевые слова: лазерно-индуцированная модификация, пикосекундные импульсы, фоточувствительная стеклокерамика, Фотуран.

Введение. Первые фоточувствительные стеклокерамические материалы (ФСК) появились в конце 1940-х гг. [1]. С момента своего создания они привлекают к себе внимание благодаря уникальной возможности управлять структурно-фазовыми переходами в таких материалах посредством фотоактивации, а также благодаря высоким значениям модуля Юнга и коэффициента пропускания в видимом диапазоне, хорошей химической стабильности и т.д. В состав ФСК входит фотосенсибилизатор, который, поглощая УФ-излучение, осуществляет генерацию фотоэлектронов. В процессе термической обработки данные фотоэлектроны восстанавливают ионы металлов до атомов, что приводит в результате к образованию кластеров металлических наночастиц, на которых затем происходит осаждение кристаллической фазы. Этот механизм широко известен (подробнее см., например, в [2]). При термической обработке изменения в материале происходят только в областях, подвергшихся предварительному облучению. Благодаря подобному двухступенчатому процессу обработки можно управлять такими свойствами ФСК, как оптическая прозрачность, устойчивость материала к химическому травлению. В [3] было показано, что при воздействии излучения импульсного УФ-лазера максимальная глубина создаваемых структур может достигать 1500 мкм (т.е. они располагаются вблизи поверхности). Воздействие излучения С02-лазера вызывает быстрые и обратимые фазовые переходы в стеклокерамике, но вследствие сильного поглощения кварца на длине волны 10,6 мкм также позволяет создавать только поверхностные структуры [4].

При получении трехмерных структур необходимо, чтобы материал был прозрачным для рабочей длины волны, а взаимодействие излучения с веществом происходило бы только в области фокусировки. Данный процесс возможен в случае ультракоротких лазерных импульсов вследствие нелинейных процессов многофотонного поглощения. Другим значительным преимуществом такого воздействия является повышение точности обработки [5]. При ис-

пользовании фемтосекундных лазерных импульсов на длине волны Х=800 нм продемонстрирована возможность создания различных устройств для биотехнологии [6], микрооптики [7], химии [8] и многих других. Однако основной особенностью таких исследований, позволяющей получать трехмерные структуры, как и в случае применения УФ-излучения, остается значительная разница в скоростях травления кристаллической и аморфной фаз, отношение между которыми может достигать 22 [3]. Более подробно механизмы взаимодействия фемто-секундного лазерного излучения с ФСК рассмотрены в работах [9, 10]. Для длины волны Х=10,6 мкм также существуют технологии создания различных микрооптических устройств [11, 12].

В настоящей работе впервые экспериментально продемонстрирована возможность кристаллизации Фотурана (производства фирмы Shott), аналога российского стекла ФС-1, лазерными импульсами пикосекундной длительности на длине волны 532 нм.

Эксперимент. В качестве материала во всех экспериментах использовался ФСК Фотуран. Это литий-алюмосиликатное стекло, состоящее из SiO2, Li2O, Al2O3 и K2O, а также содержащее стабилизирующие оксидные добавки. В качестве фотоактивного компонента выступает церий, а роль центров нуклеации играет серебро. Более подробно свойства Фотурана рассмотрены в работе [2].

Для облучения использовалась вторая гармоника пикосекундного YAGNd-лазера (PL2143, EXPLA), частота следования импульсов 10 Гц, длительность импульса 30 пс, максимальная энергия в импульсе до 15 мДж. Фокусировка пучка осуществлялась 10х объективом с фокусным расстоянием 16 мм и NA=0,25. При контроле энергии лазерного излучения были использованы френелевский ослабитель для точного управления и встроенное усиление лазера — для грубого. Измерение энергии лазера проводилось до и после образца при помощи однока-нального измерителя мощности и энергии Gentec SOLO 2 вместе с измерительной головкой Gentec QE25. Для точного позиционирования образца использовалась система из автоматических координатных столиков, управляемых микрошаговым контроллером (производства Standa). Схема также позволяла осуществлять позиционирование объектива вдоль оси Х для точной фокусировки лазерного излучения, диаметр пятна в фокусе составлял примерно 15 мкм.

Термическая обработка после лазерного облучения проводилась по стандартному режиму [13]. Затем получаемые структуры были исследованы методами оптической микроскопии и спектроскопии.

Обсуждение результатов. Первая серия экспериментов была выполнена по следующей схеме: фокусировка излучения осуществлялась на глубине порядка 500 мкм внутри материала, затем пучок смещался параллельно поверхности при различных значениях скорости сканирования и плотности энергии облучения. На рис. 1 представлены линейные шаблоны, записанные в Фотуране при скорости сканирования 0,01, 0,05 и 0,10 мм/с (a — слева направо и б — справа налево) и плотности энергии облучения 8=8 Дж/см до (a) и после (б) термообработки; мощность лазерного излучения 0,14 Вт. Как и ожидалось, после термообработки облученные области приобретают коричневый оттенок, в то время как необлученные и по-прежнему аморфные области не претерпевают каких-либо изменений.

Полученные экспериментальные зависимости представлены на рис. 2 и 3. На рис. 2 показана зависимость толщины линии b после термообработки от плотности энергии облучения при различных скоростях сканирования (1 — v = 0,01; 2 — 0,05; 3 — 0,10 мм/с); на рис. 3 — от скорости сканирования при различных значениях плотности энергии облучения (1 — s = = 26,8; 2 — 39,5; 3 — 54,7; 4 — 70,1; 5 — 86,7; 6 — 104,2; 7 — 116 Дж/см2).

Для сравнения кристаллических структур, образующихся при пикосекундных и фемто-секундных воздействиях, аналогичным образом внутри Фотурана были записаны линейные шаблоны при фемтосекундном облучении (средняя мощность облучения в диапазоне от 2 до 10 мВт, длительность импульса 100 фс, частота следования импульсов 1 кГц). Последующая

термообработка этих образцов была проведена в двух различных режимах: первый — нагрев до 500 °С со скоростью 5 °С/мин, выдержка при данной температуре в течение 1 часа; затем нагрев до 605 °С со скоростью 3 °С/мин и аналогичная выдержка с последующим естественным охлаждением до комнатной температуры (рис. 4, а), второй включал себя выдержку в течение 6 ч при температуре 520 °С (рис. 4, б).

8,19 мкм

п

'.»:4ц

20 мкм

б)

П

11,74 мкм

Ь, мкм 30

20 10

30

20

10

6,01 мкм

п

9,01 мкм

20 мкм

I-1

Рис. 1

10 15 20 25 30 е, Дж/см2

Рис. 2

0

5

Ь

мкм

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 V, мм/с

Рис. 3

Толщина линий составляет порядка 10 и 30 мкм для рис. 4, а и б соответственно. Необходимо отметить, что результаты, представленные на рис. 4, а находятся в хорошем соответствии с результатами, полученными в статье [9] для фемтосекундной кристаллизации. Следует обратить внимание, что для учета различной длительности импульса необходим

переход от плотности энергии к плотности мощности. Рис. 4, б демонстрирует такую же тенденцию для размеров области кристаллизации, как и в работе [14], для образцов, подвергавшихся травлению в 8 %-ной плавиковой кислоте, а именно — увеличение размеров с ростом энергии облучения. Это подтверждает, что структуры, возникающие при воздействии пико-секундного лазера на длине волны 532 нм, имеют схожее происхождение с получаемыми при облучении ИК фемтосекундным лазером.

Рис. 4

Для демонстрации возможности создания расположенных в объеме материала структур при помощи данного метода был проведен дополнительный эксперимент. Образцы Фотурана были отполированы с торца, через который осуществлялся ввод излучения в материал. При перемещении образца область фокусировки излучения смещалась от заднего торца к переднему, и наоборот. Таким образом, была показана возможность создания структур, расположенных на глубине от 1 до 5 мм от поверхности.

Согласно [15], облучение фемтосекундным лазером приводит к генерации свободных фотоэлектронов за счет последовательного межзонного возбуждения через энергетические состояния, соответствующие дефектам в материале, таким образом, общее число фотонов, участвующих в этой фотореакции, равняется 6. Энергия фотонов в случае облучения пикосе-кундным лазером на длине волны 532 нм

0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0

соответствует 2,33 эВ; и для промежуточного возбуждения на примесной энергетический уровень 3,6±0,3 эВ [16] требуется как минимум 2 фотона, и еще 2 фотона для перехода в зону проводимости.

На рис. 5 приведены спектры пропускания исходного материала и образцов Фотура-на (т — коэффициент пропускания), кристаллизованных при различных значениях плотности энергии (1 — исходное стекло; 2 — в = = 19,6; 3 — 29,4; 4 — 42,2; 4 — 62,3 Дж/см2).

Из рисунка видно, что оптические свойства Фотурана также могут быть изменены в соответствии с параметрами воздействия. Вероятно, различным значениям плотности энергии соответствуют различные размеры возникающих структур, поскольку рассеяние света в основном определяется характеристиками кристаллитов.

Выводы. На основе фазового перехода от аморфного к кристаллическому были получены микроструктуры внутри ФСК Фотуран за счет локального воздействия пикосекундных импульсов для второй гармоники YAG:Nd-лазера с последующей температурной обработкой.

«¡да—

300

500

700

X, нм

Рис. 5

Показано, что путем контроля таких параметров обработки, как плотность энергии облучения и скорость сканирования, в материале могут быть получены расположенные в объеме материала структуры, размерами и оптическими свойствами которых также можно управлять. Данный метод может найти применение в области биотехнологий, оптики или для создания микрожидкостных устройств.

По-видимому, в основе механизма взаимодействия в случае воздействия пикосекундных лазерных импульсов на длине волны 532 нм с энергией кванта 2,33 эВ лежит двухфотонное

3+

поглощение, обеспечивающее образование Ce ионов. Данный процесс требует меньшей энергии для осуществления кристаллизации, чем в случае ИК фемтосекундного облучения вследствие более высокой вероятности реализации процессов многофотонного поглощения для длины волны 532 нм.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 10-02-00208-а и Государственного контракта № П1134.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Stookey S. D. Photosensitive Glass // Ind. Eng. Chem. 1949. Vol. 41, N 4. P. 856—861.

2. Livingston F. E., Helvajian H. Photophysical processes that lead to ablation-free microfabrication in glass-ceramic materials // 3D laser microfabrication. Principles and Applications, Weinheim: WILEY-VCH, 2006. P. 287—339.

3. Hansen W. W, Janson S. W., Helvajian H. Direct-write UV-laser microfabrication of 3D structures in lithium-aluminosilicate glass // Proc. SPIE. 1997. Vol. 2991. P. 104—112.

4. Veiko V. P., Nikonorov N. V., Skiba P. A. Phase-structural modification of glass-ceramic induced by laser radiation // J. Opt. Technol. 2006. Vol. 73, N 6. P. 419—424.

5. Gattas R. R., Mazur F. Femtosecond laser micromachining in transparent materials // Nature Photonics. 2008. Vol. 2. P. 219—225.

6. Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Microfabrication of 3D hollow structures embedded in glass by femtosecond laser for Lab-on-a-chip applications // Appl. Surface Sci. 2005. Vol. 248. P. 172—176.

7. Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K., Masuda M., Toyoda K., Kawach M., Shihoyama K. Three-dimensional micro-optical components embedded in photosensitive glass by a femtosecond laser // Optics Lett. 2003. Vol. 28, N 13. P. 1144—1146.

8. Dietrich T. R., FreitagA., Scholz R. Production and characteristics of microreactors made from glass // Chem. Eng. Technol. 2005. Vol. 28, N 4. P. 1—7.

9. Fisette B., Busque F., Degorce J.-Y., Meunier M. Three-dimensional crystallization inside photosensitive glasses by focused femtosecond laser // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88. P. 091 104.

10. Kim J., Berberoglu H., Xu X. Fabrication of microstructures in photoetchable glass ceramic using excimer and femtosecond lasers // J. Microlithography, Microfabrication and Microsystems. 2004. Vol. 3. P. 478—485.

11. Veiko V. P., Kieu Q. K., Nikonorov N. V., Shur V. Ya., Luches A., Rho S. Laser-induced modification of glass-ceramics microstructure and applications // Appl. Surface Sci. 2005. Vol. 248. P. 231—237.

12. Veiko V. P., Kostyuk G. K., Nikonorov N. V., Rachinskaya A. N., Yakovlev E. B., Orlov D. V. Fast and reversible phase-structure modifications of glass-ceramic materials under CO2-laser action // Proc. SPIE. 2007. Vol. 6606. P. 66 060Q.

13. Masuda M., Sugioka K., Cheng Y., Aoki N., Kawachi M., Shihoyama K., Toyoda K., Helvajian H., Midorikawa K. 3-D microstructuring inside photosensitive glass by femtosecond laser excitation // Appl. Phys. A. 2003. Vol. 76. P. 857—860.

14. Cheng C. W., Chen J. S., Lee P. X., Chien C. W. Fabrication of microstructures in Foturan glass using infrared femtosecond laser pulses and chemical etching // Optics and Lasers in Engineering. 2010. Vol. 48. P. 811—815.

15. Hongo T., Sujioka K., Niino H., Cheng Y., Masuda M., Miyamoto I., Takai H., Midorikawa K. Investigation of photoreaction mechanism of photosensitive glass by femtosecond laser // J. Appl. Phys. 2005. Vol. 97. P. 063 617.

16. Fisette B., Meunier M. Three-dimensional microfabrication inside photosensitive glasses by femtosecond laser // J. of Laser Micro/Nanoengineering. 2006. Vol. 1, N 1. P. 7—11.

Эдуард Игоревич Агеев

Вадим Павлович Вейко

Кхань КиокКиеу

Сведения об авторах

— Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; младший научный сотрудник;

E-mail: ageeved@gmail.com

— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерных технологий и экологического приборостроения; зав. кафедрой;

E-mail: veiko@lastech.ifmo.ru

— канд. техн. наук; Университет Аризоны, США

Рекомендована

программным комитетом Конференции

Поступила в редакцию 08.09.10 г.

УДК 66.088:543.4:681.7

Е. Л. Сурменко, И. А. Попов, Т. Н. Соколова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ АНАЛИЗА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАЗЕРНЫХ СВАРНЫХ ШВАХ

Исследовано перераспределение элементов в сварном шве стальных пластин. Методом эмиссионного лазерного спектрального анализа выявлены тенденции к горизонтальной и вертикальной миграции легирующих элементов марганца (к фронтальной стороне шва) и алюминия (к противоположной стороне с концентрацией по средней линии). Исследованы зависимости перераспределения элементов от типа и параметров сварки.

Ключевые слова: лазер, сварка, сварной шов, состав, спектральный анализ, LIBS.

При сварке, когда важны локальность, малая длительность воздействия и внешний вид сварного соединения, наиболее часто используется лазер. Многочисленные исследования показали значительные изменения структуры, элементного состава и физических свойств материала в зоне лазерной обработки [1—3], т.е. высокоинтенсивного лазерного воздействия. Таким образом, распределение легирующих элементов после завершения воздействия лазерных импульсов отличается от начального, т.е. изменяется элементный состав вещества, что может влиять на физические, механические и эксплуатационные свойства материалов.

Основной механизм миграции химических элементов сплава связан с фазовыми превращениями вещества. После начала взаимодействия лазерного излучения с веществом на границе разрушения формируется тонкий слой расплава. Чем выше плотность мощности излучения, тем тоньше слой расплава в обрабатываемом материале для каждого определенного уровня энергии или мощности. Материал при взаимодействии с лазерным излучением может быть обогащен или обеднен легирующими элементами и примесями благодаря различной скорости испарения легирующих элементов и металла-основы, а также различной растворимости веществ в жидкой и твердой фазах. Первый фактор проявляется в том, что при движении границы расплава испаряются атомы примесей с поверхности граничного слоя, а также из переходного слоя, прилегающего к границе. Второй — в том, что граница „жидкая фаза— твердый материал" перемещается во время лазерного воздействия в глубь основного