CC BY
25
УДК 535
ОСОБЕННОСТИ МОДИФИКАЦИИ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА ИМПУЛЬСАМИ ПИКОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА
Александр Григорьевич Верхогляд
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, зав. лабораторией, тел. (383)306-58-68, e-mail: [email protected]
Марина Андреевна Завьялова
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Алексей Владимирович Солдатенко
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, конструктор, тел. (383) 306-62-18, e-mail: [email protected]
Михаил Федорович Ступак
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, заместитель директора по научной работе, тел. (383)306-55-98, е-mail: [email protected]
В работе описан экспериментальный стенд для исследования процессов прямого формирования наноструктур в кварце импульсами пикосекундного УФ лазера. Приведены результаты экспериментов по абляции кварцевого оптического стекла.
Ключевые слова: абляция, наноструктуры, кварцевое стекло, пикосекундные лазерные импульсы, волновой датчик Шека - Гартмана.
MODIFICATION FEATURES OF SILICA GLASS BY PICOSECOND LASER PULSES
Aleksander G. Verhoglyad
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Laboratory Head, tel. (383)306-58-68, e-mail: [email protected]
Marina A. Zavyalova
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., junior researcher, tel. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Aleksey V. Soldatenko
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., designer, tel. (383)306-62-18, e-mail: [email protected]
Michael F. Stupak
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., leading research, Deputy Director on Science, tel. (383)306-55-98, е-mail: [email protected]
The experimental laser system for studying the processes of nanostructures direct formation by picosecond laser pulses is described. The experimental results on silica ablation are presented.
Key words: ablation, nanostructure, a silica glass, picosecond laser pulses, Shack - Hartmann wavefront sensor.
Прогресс в развитии лазерной техники открывает новые возможности для прецизионной обработки материалов. Так, использование лазеров с ультракороткими (длительностью 1-100 фемто и 1-100 пикосекунд) импульсами позволяет реализовать новые принципы формирования трехмерных структур на поверхности различных материалов с субмикронным разрешением, поскольку модификация поверхности осуществляется в пределах сфокусированного лазерного пятна с минимальным тепловым воздействием на материал вне зоны обработки [1-4]. Это ключевое достоинство широко используется для обработки материалов методом лазерной абляции (ЛА). Унос вещества с поверхности происходит после окончания лазерного импульса, поэтому не возникает эффекта экранирования лазерного излучения плазмой факела. Вследствие меньших потерь энергии лазерного излучения, абляция материалов начинается при более низких энергиях импульса по сравнению с более длинными импульсами. Обработанная ультракороткими импульсами поверхность имеет более совершенный характер, и возможна высокоточная воспроизводимая обработка материалов без структурных дефектов [5].
Однако, для определения оптимального режима обработки и создания технологии на его основе, необходимо учитывать, что качественные характеристики формируемых объектов определяются десятками физико-химических процессов, в большинстве случаев нестационарных, которые, в свою очередь, зависят от большого количества параметров лазерной системы и свойств материала. Особенно это актуально для оптических материалов - кварца, кварцевого стекла и др., для которых значение критической температуры оказывает большое влияние на качество обрабатываемой поверхности. Это связано с тем, что перегрев мишени определяется термодинамическими и оптическими свойствами облучаемого материала и может быть пренебрежимо малым для металлов и значительным для диэлектриков и полупроводников [6].
Таким образом, актуальной является задача создания задела в области разработки технологии высокоточной записи нано- и микроструктур на трехмерных оптических поверхностях методами ЛА сверхкороткими (пикосекундны-ми) импульсами и создание высокотехнологичного лазерного комплекса на ее основе.
Описание экспериментального стенда для отработки технологии прямого формирования наноструктур в материале прозрачной подложки импульсами пикосекундного УФ лазера
Для разработки технологии прямой записи профиля на трехмерной поверхности с помощью абляции пикосекундными УФ лазерными импульсами
был спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд, представленный на рис. 1. В нем используется высокотехнологичный лазерный комплекс на базе твердотельного лазера с диодной накачкой DUETTO-OEM V3.4 (Switzerland), который имеет следующие характеристики: средняя мощность 10-15 Вт, частота следования импульсов 50 кГц - 8 МГц, энергия импульсов до 200 мкДж, длина волны X = 355 нм, длительность импульса 10 пс. В состав комплекса входит блок выделения одиночного импульса для определения пороговой плотности мощности, скорости абляции, глубины и формы кратера.
Рис. 1. Экспериментальный стенд для отработки технологии прямой записи профиля на трехмерной поверхности прозрачных материалов с помощью абляции пикосекундными УФ лазерными импульсами
Для коллимирования и фокусировки излучения в записывающее пятно диаметром порядка 1,08 мкм (для микрообъектива 20 крат) используется оптический тракт, все элементы которого изготовлены из кварца и обладают высокотемпературной устойчивостью (порог разрушения 50-500 МВт/см2). Он состоит из коллиматора, полупрозрачного зеркала, системы зеркал и микрообъектива. Заготовка из оптического материала перемещается с помощью трехкоор-динатного столика Standa с шагом 0,2 мкм по осям Х, Y, 7. Контроль абляция осуществляется с помощью волнового датчика Шека-Гартмана [7] фирмы Thorlabs (модель WFS150-7AR), позволяющего измерять радиус кривизны волнового фронта отраженного от объекта излучения. По изменению радиуса кривизны можно контролируется размер записывающего пятна на образце и оперативно оценивается глубина образовавшегося кратера. Также процесс абляции
можно контролировать визуально по искажениям волнового фронта отраженного излучения. Данный метод прост в реализации и позволяет оперативно контролировать процесс абляции без съема образца.
Для записи тестовых структур в прозрачных материалах разработано специальное программное обеспечение. Оно позволяет проводить модификацию поверхностей в старт-стопном режиме. При этом многоимпульсная обработка осуществляется либо послойно, либо за один проход.
Экспериментальные результаты
Для исследования механизмов ЛА использовалось кварцевое оптическое стекло марки КУ (ГОСТ 15130-86). При разных уровнях плотности мощности лазерного излучения была проведена запись структур в виде квадрата, внутри которого располагалась матрица кратеров (рис. 2). Форма и глубина кратеров, оставленных после ЛА на поверхности стеклянных образцов, исследовались с помощью атомно-силового (АСМ) микроскопа и интерференционного микро-скопа-нанопрофилометра (МНП). С помощью микроскопов оценивались степень оплавления краев кратера, степень разбрызгивания и растрескивания материала проб, а так же повторяемость топологии кратера.
в) г)
Рис. 2. Микроструктуры в виже квадрата 60 х 60 мкм, полученные с помощью
ЛА в кварцевом оптическом стекле при следующих плотностях мощности:
а) 1.482*1013 Вт/см2; б) 5.043*1012 Вт/см2; в) 2.423*1012 Вт/см2;
г) 5.676*1011 Вт/см2
Для записи контура квадрата использовался многоимпульсный режим обработки, который необходим для упрощенного поиска нано- и микроструктур
на поверхности стекла. Осесимметричные кратеры, сосредоточенные внутри, получены в результаты одноимпульсной обработки. На рис. 3 приведен интер-ферограмма кратеров, полученных при плотности мощности 1.482*1012 Вт/см2. Все они имеют хорошее качество края, плоское дно, при этом видно, что ЛА не вызывает плавления образца.
Рис. 3. Изображения кратеров, полученных с помощью интерференционного микроскопа-нанопрофилометра (МНП): диаметр - 1 мкм, глубина 109 нм
Заключение
Таким образом, в ходе данной работы разработан экспериментальный лазерный стенд для отработки технологии лазерной абляции оптических прозрачных материалов. Разработан метод контроля и визуализации процесса абляции на основе датчика Шека-Гартмана (погрешность измерения расстояния до поверхности Аа = 0,1 мкм).
В ходе исследований получены систематические экспериментальные данные и сформирован электронный атлас 3D-изображений кратеров в кварцевом оптическом стекле, полученных с помощью ЛА сверхкороткими импульсами. Данный атлас демонстрирует влияние параметров излучения лазера на качество и воспроизводимость характеристик нано- и микроструктур на поверхности кварца. Получена экспериментальная зависимость глубины абляции от плотности мощности лазерного излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Zavestovskaya I. N., Eliseev P. G., Krokhin O.N. Nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high-intensity and ultrashort laser pulses // Applied Surface Science. - 2005. - Vol. 248. - P. 313-315.
2. Analysis of the nonlinear absorption mechanisms in ablation of transparent materials by high-intensity and ultrashort laser pulses // I. N. Zavestovskaya, P. G. Eliseev, O. N. Krokhin, N. A. Men'kova // Appl. Phys. - 2008. - A. - Vol. 92. -P. 903-906.
3. Завестовская И. Н., Канавин А. П., Менькова Н. А. Кристаллизация металлов в условиях сверхбыстрого охлаждения при обработке материалов ультракороткими лазерными импульсами // Оптический журнал. - 2008. - Т. 75, № 6. -С. 13-19.
4. Kanavin A. P., Uryupin S. A. Nonlocal heat transfer in nanostructures // Physics Letters A. -2008. - Vol. 372. - P. 2069-2072.
5. Bulgakova N. M., Bourakov I. M. Phase explosion under ultrashort laser ablation: modeling with analysis of metastable state of melt // Appl. Surf. Sci. - 2002. - Vol. 197. - 198C. - P. 44-47.
6. Завестовская И. Н., Менькова Н. А., Крохин О. Н. Анализ нелинейных механизмов поглощения света при облучении диэлектриков и шарокозонных полупроводников лазерными импульсами фемтосекундной длительности // Научная сессия МИФИ. Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. Лазерная физика. Фотоника и информационная оптика. Физика конденсированного состояния вещества. - 2008. - Т. 2. - С. 121-123.
7. Датчик Шака - Гартмана как элемент системы контроля высокомощных лазерных пучков / А. Г. Полещук, А. Г. Седухин, В. Г. Максимов, В. А. Тартаковский, В. И. Трунов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013». Дифракционные и интерференционные системы и приборы : сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. - С. 93-97.
© А. Г. Верхогляд, М. А. Завьялова, А. В. Солдатенко, М. Ф. Ступак, 2017
