Трехмерная лазерная запись изображений на пленках аморфного кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 728.38: 621.397

ТРЕХМЕРНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ПЛЕНКАХ АМОРФНОГО КРЕМНИЯ

Аскар Асанбекович Кутанов

Институт физико-технических проблем и материаловедения им. академика Ж. Жеенбаева Национальной Академии наук Кыргызской Республики, 720071, Кыргызская Республика, г. Бишкек, пр. Чуй, 265а, доктор технических наук, академик НАН КР, зав. лабораторией «Лазерные технологии», тел. (996)312-64-26-77, e-mail: askarktnv@gmail.com

Нурбек Сыдык уулу

Институт физико-технических проблем и материаловедения им. академика Ж. Жеенбаева Национальной Академии наук Кыргызской Республики, 720071, Кыргызская Республика, г. Бишкек, пр. Чуй, 265а, научный сотрудник, лаборатории «Лазерные технологии», тел. (996)312-64-26-77, e-mail: s.nurbek@mail.ru

Замиргуль Мукамбетовна Казакбаева

Кыргызско-Турецкий университет Манас, 720042, Кыргызская Республика, г. Бишкек, пр. Мира, 56, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры компьютерной инженерии, тел. (996)312-49-27-88, e-mail: zamirgul@gmail.com

Представлены результаты трехмерной лазерной записи изображений на пленках аморфного кремния интерференционного фильтра сфокусированным излучением одномо-дового полупроводникового лазера с Х= 405 nm. Прямая лазерная запись проводилась на пленки аморфного кремния толщиной ~1-3 мкм при изменении глубины фокуса записи в объеме регистрирующей среды. При локальном воздействии сфокусированным излучением на слой аморфного кремния наносекундными импульсами происходит его переход в кристаллическое состояние. За счет рассеяния света на оптических неоднородностях среды после лазерной записи и различной фазы рассеянных волн визуально можно наблюдать трехмерные сцены. Предложенный способ трехмерной лазерной записи на слое аморфного кремния а-Si привлекателен для создания 3D принтера для записи изображений и дот мат-рикс голограмм.

Ключевые слова: трехмерная лазерная запись, слой аморфного кремния, лазер Blu-ray, Рэлеевское рассеяние, точечные голограммы, лазерное излучение, 3D принтер.

3D LASER IMAGE RECORDING ON AMORPHOUS SILICON LAYER

Askar A. Kutanov

Institute of physics-technical problems named after academician J. Jeenbaev National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, 265а, Prospect Chui St., Bishkek, 720071, Kyrgyz Republic, D. Sc., NAS KR Academician, Head of Laboratory of Laser Technologies, phone: (996)312-64-26-77, e-mail: askarktnv@gmail.com

Nurbek Sydyk uluu

Institute of physics-technical problems named after academician J. Jeenbaev National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, 265а, Prospect Chui St., Bishkek, 720071, Kyrgyz Republic, Researcher, Laboratory of Laser Technologies, phone: (996)312-64-26-77, e-mail: s.nurbek@mail.ru

Zamirgul M. Kazakbaeva

Kyrgyz Turkish Manas University, 56 Prospect Mira, Bishkek, 720042, Kyrgyz Republic, Ph. D., Associate Professor, Department of Computer Engineering, phone: (996)312-49-27-88, e-mail: zamirgul@gmail.com

The results of three-dimensional laser recording of images on the amorphous silicon layer of the interference filter by focused radiation from a semiconductor laser with X = 405 nm is demonstrated. Direct laser recording was carried out to the amorphous silicon layer with a thickness of ~ 1-3 p,m under change in the depth of the recording focus in the recording medium volume. Local amorphous silicon transition to a crystalline state occurs under interaction of focused radiation to a-Si layer with nanosecond pulses. Due to light scattering on optical inhomogeneities after laser recording on a-Si layer and different phase of the scattered waves, the three-dimensional scenes are well observed for human eyes. This method of 3D laser recording on a-Si is attractive for creating a 3D image printer.

Key words: 3D laser recording, amorphous silicon film, Blu Ray laser, Rayleigh scattering, Dot holograms, laser radiation, 3D printer.

Введение

Прямая лазерная запись на слое аморфного кремния является привлекательной для записи дифракционных структур без мокрой химической обработки, и открывает новые возможности изготовления и применений дифракционных структур с использованием лазерного записывающего устройства [1-4]. Один из простых применений дифракционных структур - это антиотражающие покрытия на основе субволновых решеток [3] с периодом около половины длины волны света. Применение скоростных сканирующих систем интерференционной литографии (СИЛ) или голографического принтера [1-3], формирующих дифракционные структуры путем последовательной записи небольших фрагментов или ячеек, привлекательно для получения дифракционных структур, дот матрикс голограмм, создания микро- и наноструктур с помощью лазерного излучения. С помощью СИЛ микроструктурирование поверхности осуществляется путем последовательной записи микрорешеток, сформированных интерференцией двух когерентных сфокусированных лазерных пучков и регистрацией в светочувствительном материале.

Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование возможностей трехмерной лазерной записи в объеме толстой пленки аморфного кремния под действием наносекундных импульсов сфокусированного лазерного излучения. Исследование возможностей использования пленок аморфного кремния в качестве трехмерной среды для прямой лазерной записи и создания 3D принтера.

Эксперименты

Экспериментальная часть работы базируется на отработанной технологии получения толстых пленок аморфного кремния магнетронным нанесени-

ем и на экспериментальных результатах по разработке интерференционных фильтров, полученных методом магнетронного нанесения пленок аморфного кремния на предварительно нанесенный металлический слой на стеклянной подложке [4, 5].

На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки. Для прямой записи на аморфном кремнии использовался одномодовый полупроводниковый лазер с X = 405 пт мощностью 120 мВт. Лазерный пучок коллимировался асферической линзой, а затем фокусировался микрообъективом на регистрирующую среду. Глубина фокуса изменялась для записи отдельных фрагментов изображения. Перетяжка формируемого лазерного пучка позволяла сохранять необходимую плотность энергии записи на аморфном кремнии. Компьютер контролировал длительность лазерных импульсов, их частоту, и движение координатного стола. Для прямой лазерной записи использовались пленки аморфного кремния различной толщины ~1-3 мкм. При взаимодействии сфокусированного лазерного луча на слой а-Б1 происходит локальная кристаллизация и формирование рельефной структуры [6].

ЛИ

х

г-л

Генератор импульсов

-1 аД^Д

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

За счет рассеяния Рэлея на локальных оптических неоднородностях показателя преломления среды, возникших при трехмерной лазерной записи, можно наблюдать трехмерные сцены за счет различной фазы рассеянных волн (рис. 2).

Рис. 2. Фотография 3Б изображения записанного на пленке а-Б1

Визуально наблюдается одно изображение над другим (рис. 2) для прямой лазерной записи в толстых пленках аморфного кремния. За счет изменения длительности импульса лазерного излучения и изменения размера записываемых структур на а-Б1 изменяется спектр рассеянного на них излучения от источника света со сплошным спектром. Экспериментально продемонстрировано, что в зависимости от размера элементов записанной структуры наблюдается рассеянное излучение в голубом или бордовом цвете. Для определения длины волны рассеянного излучения использовался метод сравнения. Измерения выполнялись на УФ спектрофотометре БР8-100. Длина волны рассеянного излучения в голубой области спектра на структуре записи на аморфном кремнии составила 490±10 нм. Интенсивность рассеянного света пропорциональна концентрации плотности точечных элементов записи (~ К).

На рис. 3 приведены фотографии изображения буквы Н, записанных на поверхности и в глубине слоя а-Б1, снятых для различных углов падения света на пластинку.

нн

а)

б)

Рис. 3. Фотографии изображения двух букв Н, записанных на поверхности (а) и в глубине слоя а-Б1 (б)

При наблюдении в нулевом порядке отраженного света от поверхности слоя аморфного кремния изображение, записанное в глубине слоя аморфного кремния, становится скрытым. Таким образом, регистрация изображения в глубине слоя аморфного кремния может использоваться в качестве скрытого изображения для применений в области защиты от копирования.

Благодаря высокому разрешению записи с изменением показателя преломления и отсутствию мокрой химической обработки, прямая лазерная запись на пленках аморфного кремния является привлекательной для записи дифракционных структур, создания микро- и наноструктур с помощью сфокусированного лазерного излучения.

Заключение

Экспериментально показаны возможности использования пленок аморфного кремния в качестве трехмерной среды для оптической лазерной записи. Представлены результаты трехмерной лазерной записи изображений в объеме слоя аморфного кремния. За счет изменения длительности импульса лазерного излучения и изменения размера записываемых структур на а-Б1 изменяется спектр рассеянного на них излучения от источника света со сплошным спектром. Предложенный способ трехмерной лазерной записи на а-Б1 привлекателен для создания 3D принтера с записью изображений и дот матрикс голограмм.

Благодарности

Нурбек Сыдык уулу выражает признательность Всемирной Федерации ученых, Лозанна, Швейцария, за предоставление стипендии для молодых ученых на проведение исследований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Poleshchuk A. G., Kutanov A.A. et al. Microstructuring of Optical Surfaces: Technology and Device for Direct Laser Writing of Diffractive Structures Optoelectronics/ Instrumentation and Data Processing.- 2010.- Vol. 46. - No. 2. - pp. 171-180.

2. Кутанов А.А., Снимщиков И.А., Сыдык уулу Н. Исследование лазерной записи на пленках аморфного кремния для интерференционной литографии // Журнал Доклады НАН КР. - 2015. - №2 . - С.19-26.

3. Schopf R. E. Antireflective Submicrometer Surface-Relief Gratings for Solar Applications / Schopf R. E. T. Hultsch, J. Lotz, et al. // Solar Energ. Mater. Solar Cells. - 1998. - 54 (1). -pp. 333-342

4. Kutanov, A.A., Snimshikov I., & Sydyk uulu N. (2015). Direct Laser Recording on Amorphous Silicon Film. Physics Procedia 2015. - Vol. 73. - pp. 82-86.

5. Kutanov, A.A., Sydyk uulu, N., Snimshikov I., & Kazakbaeva, Z.M. (2016). Interference filter with amorphous silicon layer and direct laser recording on it. Journal of Physics: Conference Series. - Vol. 737.- N. 1. (012025).

6. Полещук А.Г., Кутанов А.А.,. Бесмельцев В.П, Снимщиков И.А. Устройство для записи дифракционных элементов. - Евраз. патент № 007874, 2007. - Опубл. Бюл. № 1.

REFERENCES

1. Poleshchuk A. G., Kutanov A.A. et al. Microstructuring of Optical Surfaces: Technology and Device for Direct Laser Writing of Diffractive Structures Optoelectronics/ Instrumentation and Data Processing. - 2010. - Vol. 46. - No. 2. - pp. 171-180.

2. Кутанов А.А., Снимщиков И.А., Сыдык уулу Н. Исследование лазерной записи на пленках аморфного кремния для интерференционной литографии // Журнал Доклады НАН КР. - 2015. - №2 . - С.19-26.

3. Schopf R. E. Antireflective Submicrometer Surface-Relief Gratings for Solar Applications/ Schopf R. E. T. Hultsch, J. Lotz, et al.//Solar Energ. Mater. Solar Cells. - 1998. - 54 (1). -pp.333-342

4. Kutanov, A.A., Snimshikov I., & Sydyk uulu N. (2015). Direct Laser Recording on Amorphous Silicon Film. Physics Procedia. - 2015.- Vol. 73. - pp.82-86.

5. Kutanov, A.A., Sydyk uulu, N., Snimshikov I., & Kazakbaeva, Z.M. (2016). Interference filter with amorphous silicon layer and direct laser recording on it. Journal of Physics: Conference Series. - Vol. 737.- N. 1. (012025).

6. Полещук А.Г., Кутанов А.А.,. Бесмельцев В.П, Снимщиков И.А. Устройство для записи дифракционных элементов. - Евраз. патент № 007874, 2007. - Опубл. Бюл. № 1.

© А. А. Кутанов, Нурбек Сыдык уулу, З. М. Казакбаева, 2018