Чтобы управлять лазерным пучком в лаборатории, ученым необходимо много разных приспособлений: специальные линзы, дифракционные решетки, волноводы. Сделать их непросто. Управляемое формирование нанорельефа на поверхности стекла превращает пластину стекла в функциональный оптический элемент, преобразующий прошедшее лазерное излучение. Такие преобразованные пучки широко востребованы для реализации «оптического пинцета», прецизионной обработки материалов, высокоразрешающей микроскопии.
На сегодня лучший результат был достигнут при использовании фотолитографии. Тем не менее, процедура очень дорогостоящая из-за большого количества шагов и требует много времени для обработки миллиметровых областей.
Ученые в Университете ИТМО плодотворно развивают метод ЛИМП (лазерно-индуцированная микроплазма) для обработки стекла. Метод ЛИМП реализуется на индустриальных лазерных установках, оснащенных волоконными лазерными источниками. Ключевым в схеме является расположение обрабатываемого стекла на поверхности мишени. Лазерное излучение проходит сквозь прозрачный материал, но интенсивно поглощается мишенью, на поверхности которой образуется плазма. Воздействие плазмы на стекло приводит к формированию микро/нано рельефа.
«Идея применения плазмы, возникающей от лазерного излучения, для обработки прозрачных материалов не нова и с успехом была представлена Вейко Вадимом Павловичем и коллегами еще в 1969 году на заре появления лазеров, ― рассказывает старший научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Максим Сергеев. ― Благодаря этому несколько недель непрерывной механической обработки алмазной фильеры, применяемой для вытяжки проволоки, сокращались до нескольких минут лазерно-плазменной обработки. Появление современных лазерных комплексов позволили по-новому взглянуть на лазерно-плазменную обработку. Метод ЛИМП появился в нашей лаборатории как студенческая инициатива в 2015 году, и за это время он прошел долгий путь развития ― от изучения физики процесса до широкого практического применения в фотонике».
Стекло, мишень и лазер заодно ― как это работает?
Традиционно мишень плотно прижимали к стеклу. Однако здесь возникает проблема — в какой-то момент обработки созданный рельеф на стекле начинает менять лазерный пучок. Чем больше образец похож на готовую линзу или дифракционную решетку, тем больше он влияет на форму и размер луча, который проходит сквозь него. Это накладывает ограничения на разрешающую способность метода. Сотрудникам лаборатории ЛМНТ удалось разобраться с этой проблемой и оптимизировать метод.
Исследователи Университета ИТМО решили модифицировать метод, расположив стекло и графит не вплотную, а с определенным зазором.
«В ходе подготовки диссертации пришлось провести ряд работ для оптимизации метода ЛИМП. В частности, была внесена идея провести эксперимент по определению оптимального зазора между стеклом и мишенью. В эксперименте мы организовали зазор в виде воздушного клина: один край стекла лежал на мишени, а второй был приподнят на микронный воздушный зазор, — объясняет инженер-исследователь, аспирант Университета ИТМО Владимир Рымкевич. — Размер зазора был выбран так, чтобы в конце клина отпечаток трека на стекле отсутствовал».
Действие плазмы на расстоянии не всегда плохо
В результате было показано, что определенный размер зазора обеспечивает уменьшение лазерного пучка, который попадает на мишень. Это приводит к тому, что факел плазмы на поверхности графита также становится чуть меньше.
«Мы провели детальное исследование влияния ключевых параметров метода ЛИМП ― различной мощности излучения и положения перетяжки на результат обработки. Обработка проводилась как в фокальной плоскости, так в сходящемся или расходящемся пучке, — уточнил Владимир Рымкевич. — В результате мы обнаружили, что на некотором зазоре между графитом и стеклом появлялись проплавления, при том с ростом мощности излучения они появлялись ближе к началу клина. К тому же, в сходящемся пучке проплавления начинались раньше, чем при обработке в фокусе, и еще раньше, чем при обработке в расходящемся пучке. Затем мы измерили размеры треков как в графите, так и в стекле и получили значимые для метода ЛИМП зависимости».
Микросъемка процесса обработки стекла методом ЛИМП с воздушным клином. Сверху стекло, снизу мишень
Теоретические расчеты оптической системы с учетом микролинзы и угла разлета плазмы успешно коррелируют с полученными экспериментальными данными в проведенном исследовании. В частности, ученые оценили геометрическую эффективность усовершенствованного метода. Она составила 27%, что свидетельствует о том, что большая часть плазменного факела не достигает стекла. Эти расчеты будут полезны при составлении энергетической модели метода.
«Также был выявлен еще один интересный момент. За счет зазора мы можем отводить частицы пенографита, которые также оказывают влияние на процесс записи. Это второстепенный момент, но также приятный», — дополняет Владимир Рымкевич.
Востребованность метода ЛИМП
В схемах лазерной микро- и нанообработки не обойтись без применения специальных фазовых оптических преобразователей для изменения очертания исходного лазерного пучка или расщепления. Сотрудники лаборатории ЛМНТ рассчитали и изготовили такие элементы методом ЛИМП в результате детальных исследований особенностей воздействия лазерной плазмы на поверхность стекла. Среди таких элементов есть массивы микролинз, фазовые решетки, спиральные пластины, фазовые маски.
«Метод ЛИМП ― это уникальный точечный инструмент, который мы смогли оптимизировать для создания фазовых оптических преобразователей, ― рассказывает научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Роман Заколдаев. ― Сегодня мы изготавливаем и применяем эти элементы в интерференционных оптических схемах для записи наноструктур на поверхности различных материалов».
Итог
Исследования условий фокусировки в методе ЛИМП позволили ответить на важные вопросы: «Какие требования следует предъявлять к условиям фокусировки?», «Влияет ли воздушный зазор на результат обработки?». Кроме того, предложенная модель открывает путь к построению полноценной теплофизической модели, что в перспективе позволит прогнозировать результаты обработки стекла с помощью метода ЛИМП и сделает его более управляемым.
«Проведенные исследования показали далеко не весь скрытый потенциал применения ЛИМП для обработки стекол с возможностью дальнейшего повышения разрешающей способности, эффективности обработки и производительности метода, ― говорит Максим Сергеев. ― С учетом рельефа поверхности стекла как оптической системы, формы плазменного факела и расстояния воздушного зазора можно получать впечатляющие результаты по обработке стекла. Это, в свою очередь, открывает новые горизонты для создания более сложных микрооптических элементов».
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-71-10103)
Статья: Vladimir S.Rymkevich, Maksim M.Sergeev, Roman A.Zakoldaev. Laser microplasma as a spot tool for glass processing: Focusing conditions.Journal of Materials Processing Technology, 2021/10.1016/j.jmatprotec.2021.117061
