Метод лазерно-индуцированной микроплазмы для формирования оптических элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рымкевич Владимир Сергеевич

• Рымкевич Владимир Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Рымкевич Владимир Сергеевич

Реферат

Synopsis

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Лазерно-индуцированное травление оптических материалов (обзор литературы)

1.1. Абляция с помощью плазмы (LIPAA)

1.2. Влажное травление (LIBWE)

1.3. Сухое травление (LIBDE)

1.4. Травление лицевой стороны (LIFE)

1.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 2. Лазерно-индуцированная микроплазма как точечный инструмент структурирования

2.1 Описание метода ЛИМП

2.2. Режимы генерации плазмы

2.2.1. Длина волны излучения

2.2.2. Частота следования импульсов

2.2.3. Расходимость излучения

2.2.4. Рельеф мишени

2.3. Обоснование выбора параметров инструмента

2.3.1. Длительность импульса

2.3.2. Порог генерации плазмы, обеспечивающий начало травление стекла

2.4 Выводы к Главе

ГЛАВА 3. Моделирование механизма обработки стекла

3.1 Угол разлета плазменного факела

3.2 Модель ЛИМП на основе теплового баланса

3.3 Вывод к Главе

ГЛАВА 4. Примеры использования ЛИМП

4.1 Дифракционные фазовые решетки

4.2 Случайные фазовые пластины

4.3 Выводы к Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А - Оттиски статей

7

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы.

Оптические материалы - материалы, природного или синтетического происхождения, такие как кристаллы, стекла, полимеры, прозрачные для излучения с длиной волны из определенного диапазона. Оптические материалы служат основой для изготовления линз, окон, призм, а также сложных в изготовлении дифракционных фазовых оптических элементов. Материалы выбираются, исходя из требований к физико-химическим характеристикам изготавливаемого элемента. В видимом и ближнем ИК диапазоне существует больше количество пригодных оптических материалов. Несмотря на то, что в последнее время стали широко распространены оптические материалы на основе полимеров: фотополимеры, поликарбонаты и т.д. [1, 2], среди материалов, пригодных для использования в видимой и ближней ИК области спектра, лидирующую позицию до сих пор удерживает плавленый кварц. Основными достоинствами плавленого кварца как оптического материала являются высокая пропускающая способность в диапазоне длин волн от 0.4 до 2.0 мкм и однородность структуры [3, 4]. Очевидными преимуществами плавленого кварца является его лучевая и термическая стойкость, а также стабильность других физико-химических характеристик, что обеспечивает длительный срок эксплуатации формируемых элементов[5].

Обработка материалов на основе плавленого кварца является сложным процессом, для осуществления которого используются различные технологии, отличающиеся друг от друга производительностью и качеством получаемых структур. Наиболее используемыми среди них являются такие технологии, как литография [6], оплавление фоторезиста [7], тиснение [8], микроструйная печать [9], прямая лазерная запись [10].

В последнее время получили широкое распространение методы обработки оптических материалов на основе лазерно-индуцированного

травления. Общим принципом, объединяющим все подобные методы создания микроструктур на поверхности образца из оптического материала, является отсутствие прямого воздействия лазерного излучения на материал образца, а инициирование излучением процессов в материале подложки (далее мишени), которая находится в тесном контакте с обрабатываемой поверхностью образца. Поглощающая мишень может быть жидкой, как в методе лазерно-индуцированного влажного травления тыльной поверхности (LIBWE) [11], металлической пленкой, как в методах лазерно-индуцированного сухого травления тыльной поверхности (LIBDE) [12] и лазерно-индуцированного травления лицевой поверхности (LIFE) [13], или металлической пластиной, как в методе лазерно-индуцированного травления с помощью плазмы (LIPAA) [14]. В другом случае мишень выполняется из сильно поглощающего излучения материала, например, графита, как в методе лазерно-индуцированной микроплазмы (ЛИМП) [15]. Представленные примеры такой обработки, имеют частный характер и в большинстве случаев не оптимальны: накладывают значительные ограничения на используемую длину волны, требуют дополнительного дорогостоящего оборудования, используют токсичные материалы, либо отсутствуют строгие требования к процессу обработки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод лазерно-индуцированной микроплазмы для формирования оптических элементов»

Цель работы.

Целью диссертационной работы является определение значимых параметров лазерно-индуцированной микроплазмы, как метода для локальной микро- и нанообработки оптических материалов, и выявление оптимальных условий для формирования оптических элементов.

Задачи работы.

1. определение значимых параметров, влияющих на условия лазерно-индуцированной обработки оптических материалов из современных источников литературы;

2. провести исследование лазерно-индуцированной сжатой микроплазмы, генерируемой на границе стекло-прессованный графит, и выявить ее значимые параметры, как метода для обработки прозрачных материалов;

3. оценить эффективность обработки кварцевого стекла лазерно-индуцированной микроплазмой, индуцированной наносекундными импульсами ближнего ИК в условиях плотного контакта пластин образца и мишени;

4. продемонстрировать возможности метода для формирования оптических элементов путем изготовления и последующего тестирования дифракционных фазовых элементов на примере решеток и случайных фазовых пластин.

Научная новизна работы.

1. В методе обработки оптических материалов ЛИМП выполнена обоснованная оптимизация материала мишени и качества её поверхности, длины волны и длительности лазерных импульсов, индуцирующих плазменный факел.

2. Впервые показано влияние шероховатости мишени на результат обработки стекла микроплазменным факелом при тесном контакте мишени и образца.

3. Впервые показано влияние смещения фокальной плоскости от границы раздела на перефокусировку пучка рельефом образца, образующимся в процессе записи треков, и кардинальное изменение геометрии формируемых треков.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Показана необходимость контроля параметров мишени в методах лазерно-плазменной обработки, в которых используется твердотельная мишень.

Метод лазерно-индуцированной микроплазмы применен для изготовления многоуровневых дифракционных фазовых элементов для модификации распределения интенсивности пучка в плоскости обработки.

Положения, выносимые на защиту.

1. Лазерно-индуцированная микроплазма от графитовой мишени с шероховатостью 0.2 мкм, размещенной в плотном контакте с кварцевым стеклом, обеспечивает формирование рельефа глубиной от 0.15 до 2.0 мкм при длительности импульсов излучения от 4 до 200 нс, количеством импульсов, приходящихся в область лазерного пятна, не более 900 и плотности мощности не менее 2.2 МВт/см2.

2. На эффективность передачи энергии от микроплазмы стеклу, кроме условий облучения, оказывает влияние угол разлета плазменного факела, зависящий от положения перетяжки пучка относительно мишени, формы кратера в мишени, формы лунки в кварцевом стекле и зазора между ними.

3. Фазовые дифракционные решетки с синусоидальным профилем, расщепляющие лазерный пучок на ±1 порядок, изготавливаются методом лазерно-индуцированной микроплазмы при плотности мощности от 0.22 до 0.48 ГВт/см2, длительности импульса в 100 нс и количестве импульсов, приходящихся в область лазерного пятна, не менее 5.

4. Многоуровневые случайные фазовые пластинки, используемые для гомогенизации лазерных пучков, изготавливаются методом лазерно-индуцированной микроплазмы при плотности мощности от 2 МВт/см2 до 0.48 ГВт/см2, длительности импульса в 50 нс и количестве импульсов, приходящихся в область лазерного пятна, не менее 20.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: International Symposium "Fundamentals of Laser Assisted Micro-and Nanotechnologies" (FLAMN-19) (30.06.2019-04.07.2019); IX Международная конференция по фотонике и информационной оптике (29.01.2020 - 31.01.2020); IX Конгресс молодых ученых (онлайн формат) (15.04.2020 - 18.04.2020); 1st International Electronic Conference on Applied Sciences (10.11.2020-30.11.2020); Юбилейный X Конгресс молодых ученых

(14.04.2021 - 17.04.2021); XI Международная конференция по Фотонике и Информационной оптике (26.01.2022 - 28.01.2022); XI Конгресс молодых ученых 2022 года (04.04.2022 - 08.04.2022).

Достоверность научных достижений.

Достоверность полученных результатов исследований, являющихся основой диссертационной работы, подтверждаются их воспроизводимостью и согласованием с данными, приводимыми другими исследователями в области лазерно-плазменных технологий обработки стекол. Экспериментальные данные анализировались статистическими методами обработки физических измерений, обеспечивающих их достоверность.

Публикации.

Основная часть материалов диссертационной работы представлена в 27 научных работах, среди которых 5 статей из научных журналов и изданий из перечня Web of Science и Scopus, 2 из перечня ВАК РФ и 1 патент.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы из 87 наименований. Материалы работы представлены на 275 страницах, включая 93 рисунка и 6 таблиц.

Содержание работы

Введение

Во введении рассмотрена актуальность работы, поставлены цели и задачи, описана научная новизна, представлена теоретическая и практическая значимость полученных результатов и сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Глава 1

В первой главе приведен обзор литературы по методам лазерно-плазменного травления стекол и их значимых параметрах обработки. В разделе 1.1 рассмотрен метод лазерно-индуцированной абляции с помощью плазмы, являющийся основоположником методов лазерно-плазменного травления стекол. Показано, что кроме плотности энергии требуется следить за таким

параметром обработки как величина зазора между мишенью и образцом. В разделе 1.2 приведен обзор метода лазерно-индуцированного влажного травления тыльной поверхности стекла, показана возможность использования в роли мишени поглощающих жидкостей. В разделе 1.3 рассмотрен метод лазерно-индуцированного сухого травления, показано, что в качестве мишени может использоваться напыленный на образец слой серебра и одноимпульсная обработка, снижающая дефекты, вызванные механическими вибрациями во время травления. В разделе 1.4 рассмотрен метод лазерно-индуцированного травления лицевой стороны, показана важность толщины мишени. Раздел 1.5 отражает основные выводы к первой главе, в частности, определяет основные факторы, влияющие на процесс лазерно-индуцированного травления, и содержит оптимизационные рекомендации для обработки стекол методом лазерно-индуцированной микроплазмы, которые требуют исследования.

Глава 2

Вторая глава посвящена исследованию и оптимизации параметров обработки плавленого кварца лазерно-индуцированной микроплазмой (ЛИМП). Раздел 2.1 посвящен определению метода ЛИМП, как лазерно-плазменного метода структурирования поверхности стекол и причине выбора неизменного параметра в виде материала мишени. Метод ЛИМП заключается в облучении лазерным излучением, проходящим через образец, мишени в виде графитовой пластины, с последующим образованием плазменного факела с энергией достаточной для модификации материала образца. Выбор в качестве мишени пластины графита был обусловлен его низкой температуропроводностью, низким отражением в оптическом диапазоне и малой атомной массой частиц, предотвращающей их глубокое проникновение в материал образца при обработке. Причиной выбора материала мишени в качестве неизменяемого параметра в процессе оптимизации, является сильная зависимость параметров лазерной обработки (длина волны, плотность энергии) от выбранного материала. Показано, что модификация образца основана на трех механизмах: ударном и тепловом воздействии, а также

ионной бомбардировке. В разделе 2.2 рассматриваются режимы генерации плазмы в зависимости от выбранных параметров обработка. В разделе 2.2.1 приводится выбор оптимальной длины волны излучения для использования с графитовой мишенью на основании его коэффициента отражения (рис. 1):

Рисунок 1 - Коэффициент отражения графита Энергетически оптимальная длина волны для использования с графитовой мишенью (Яа = 1.46 мкм) - 1064 нм, однако всего лишь 10% разница в отражении в диапазоне от 100 нм до 1.064 нм, позволяет применять любые коммерчески доступные лазерные источники. В разделе так же показано, что при увеличении длины волны (и соответсвенной смене мишени), происходит уменьшение энергии факела и структурирование образца происходит только за счет ударного и теплового воздействия. В разделе 2.2.2 представлено исследование влияния частоты следования импульсов на глубину формируемого рельефа. Было обнаружено что при одинаковом перекрытии лазерного пучка О=1 -V / (/ ■ й), где V - скорость передвижения пучка, мм/с, f

- частота следования импульсов, кГц, ё - диаметр пятна, мкм; глубина формируемого рельефа отличается (рис. 2).

1.6 -

v- 50 мм/с f=20 кГц V- 100 мм/с /=50 кГц

ю >. с

СП 1

0.8 -

1.0 -

10

12

14

16

Рср (Вт)

Рисунок 2 - График зависимости глубины рельефа на поверхности КУ-1 от средней мощности лазерного излучения Проведя тепловой расчет нагрева мишени при параметрах обработки, изобарженных на рисунке 2 и длительности импульса 50 нс, было обнаружено что нагревание области в случае частоты в 50 кГц идет быстрее. Вероятнее всего именно скорость нагрева связана с наличием разницы в глубине формируемого рельефа при увеличении средней мощности излучения. На практике было замечено, что на частотах превышающих 60 кГц при постоянной скорости сканирования в 2 мм/с, глубина формируемых структур на поверхности стекла прекращает увеличиваться и имеет случайный характер. Данный эффект был связан с резким ростом лунки в мишени, с рассеянием в образованном объеме энергии плазменного факела до значений, позволяющих только поддерживать температуру размягчения стекла. Раздел 2.2.3 посвящен исследованию смещения фокальной плоскости от границы мишень-образец на расстояния, не превышающие длину Релея для используемого объектива и излучения. Было обнаружено, что углубление перетяжки лазерного излучения под поверхность мишени способствует увеличению глубины и уменьшению поперечного размера формируемого рельефа (рис. 3).

Рисунок 3 - Зависимости воздушного зазора от глубины (а, в, д) и ширины (б, г, е) дорожек на поверхности стекла, полученные при различных условиях фокусировки пучка - расходящийся пучок ф1-03), фокальная плоскость ^1-

F3) и сходящийся пучок (С1^3). Было предположено, что подобное явление связано с перефокусировкой излучения микролинзой, образующейся на образце. Произведенный расчет размера пучка на дне кратера в мишени по модели распространении гауссовых пучков Когельника [17] доказал верность предположения о перефокусировке излучения микролинзой [18]. В разделе 2.2.4 была показана важность обеспечения одинакового качества поверхности графитовой мишени. Мишени

с различной шероховатостью и пористостью были подвергнуты одинаковому воздействию ^ = 6.1 Дж/см2, т = 50 нс,/= 40 кГц, V = 300 мм/с, заливка 400 лин/мм) в процессе обработки плавленого кварца ЛИМП. Обнаружено, что шероховатость мишени, в значительной степени влияет как на глубину, так и на шероховатость поверхности образца (рис. 4)

Рисунок 4 - Графики изменения глубины структуры на (а) мишени и (б) образце; шероховатости поверхности структуры (в) и Ел (г) на образце от

шероховатости графитовой мишени разной пористости Различия в глубинах и шероховатостях обычного и пористого графита объясняется несколькими факторами: пористая мишень в зоне лазерного воздействия содержит меньше материала, переходящего в плазменный факел, тем самым снижая его ударное воздействие, разрушение соседних пор в мишени, кардинально увеличивающих объем лунки, что приводит к рассеянию энергии плазменного факела в этом объеме. По итогам исследования, рекомендуется использовать мишень, отполированную до шероховатости Яа = 200 нм, для достижения максимальной эффективности обработки ЛИМП. Раздел 2.3 посвящен обоснованию выбора параметров «инструмента» - плазменного факела как теплового источника,

модифицирующего поверхность плавленого кварца. В разделе 2.3.1 исследуется оптимальная длительность импульса лазерного излучения, которая влияет на время жизни плазменного факела. Очевидно, что при меньшем времени воздействия теплового источника на материал область модификации будет так же уменьшена. Было исследовано время жизни плазменного факела в условиях ограничения распространения при генерации ультракороткими импульсы (220 фс - 3 пс) и импульсами наносекундного диапазона (4 нс - 200 нс) (рис. 5)

(а)

8.0- « • • •

7.570-

"с? " '

1 й с , , "' " 1 ■

< •___*-

Ъ ■__^--i---■

¿6.0- .—r-r ■

_l ■ 5.5-

■ Д. (не)

5.0 - • L (не)

-Линейная аппр. Д

• Доверительный интервал Л

4.5- -

—.—.-1-1-1—i—--1-1-1-1-1—i—,—--1-1-1-1—|—.—i—--1-1-1 и ".-i i | ■ ■ ■ | i . ■ | i i ■ | ■ i . | . ■ i | ■ . i | i . ■ | i i . | . i ■ | . ■ i |

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Т (фс) Т (не)

Рисунок 5 - Задержка плазмообразования А и время жизни плазмы L в зависимости от длительности импульса лазерного излучения для диапазона а)

220 фс - 3 пс; б) 4 нс - 200 нс Было выявлено, что на время жизни плазменного факела, и соответственно время его воздействия на образец, влияет длительность лазерного импульса, причем, из-за особенностей взаимодействия излучения с веществом [19], время жизни плазменного факела не может быть ниже 6 нс. В связи с этим, нижняя граница рекомендуемой длительности импульса составляет единицы наносекунд. В разделе 2.3.2 рассматривается необходимый минимум плотности энергии, который необходимо направить в область обработки размером с диаметр лазерного пятна. Выявлено, что необходимое условие травления плавленого кварца от N импульсов, является как минимум двухкратное превышение суммарного энергетического вклада в область диаметром с размер пучка, энергии разложения SÍO2. Данное утверждение было экспериментально подтверждено при рассмотрении эффективности

(6) 220 ] . Д (нс)-

200- • Мне)

■ -Линейная аппроксимация 'A' (R2 = 0-97)

180- -Коренная аппр. 'L' (R2 = 0.92)

■--Экпоненциальная аппр. 'L' (R2 = 0.99)

"---У = т

20 : -tit!

передачи энергии от лазерного излучения к мишени, эффективности преобразования этой энергии в плазменный факел и передачи энергии от плазменного факела к материала образца. Определение энергетической эффективности лазерно-индуцированной микроплазмы проводилась на установке с использованием короткофокусных объективов 8х и 10х. Импульсная плотность мощности варьировалась от 1-107 до 4-108 Вт/см2 при частоте следования импульсов в диапазоне от 10 до 70 кГц и скорости сканирования в 2 мм/с. В эксперименте была записана серия треков с варьрованием параметров средней мощности и частоты следования импульсов при скорости сканирования. Полученные треки были измерены методом контактной профилометрии, а их геометрические параметры ширины и глубины были объединены на графиках (рис. 6).

Рисунок 6 - Ширина (Э) и глубина (Н) треков в образце и в графитовой мишени записанные лазерным пучком в фокальной плоскости объектива: а) 8х; б)10х С увеличением импульсной плотности мощности наблюдается одинаковый, для каждого из использованных объективов, рост ширины треков в мишени и образце. В то же время, глубина треков в мишени растет быстрее, чем в образце. Метод ЛИМП с энергетической точки зрения можно определить

тремя параметрами: энергией поглощенного мишенью лазерного излучения, энергией плазменного факела от мишени и энергией, затрачиваемой на травление образца. Энергия поглощенного мишенью излучения учитывает количество импульсов и среднюю мощность, пришедшую в область воздействия; энергия плазменного факела включает в себя теплоту сгорания и ионизации объема удаленного материала графитовой мишени; энергия травления объединяет энергию разложения и диссоциации объема вытравленного кварцевого стекла. Рассматривая зависимости приведенных энергий от импульсной плотности мощности, видно, что вне зависимости от выбранного объектива с увеличением плотности мощности происходит увеличение эффективности передачи энергии от излучения к мишени, однако происходит уменьшение эффективности передачи от плазмы к стеклу (рис. 7).

Рисунок 7 - Зависимость энергий от импульсной плотности мощности для объективов: а) 8х; б) 10х. Елаз — общая энергия поглощенных лазерных импульсов, Еграф — энергия плазменного факела, Естекл — энергия на

травление образца.

С ростом плотности мощности излучения происходит увеличение глубины трека в мишени, одновременно с этим происходит уменьшение

эффективности передачи энергии от мишени к образцу. Снижение энергоэффективности с увеличением глубины трека может быть объяснено увеличением свободного пространства, в котором расширяется плазменный факел - плазменный факел занимает больший объем, теряя при этом большую часть своей энергии. При увеличении частоты следования импульсов происходит снижение эффективности передачи энергии излучения к мишени. Это связано с выходом на многоимпульсный режим обработки, когда глубина рельефа в мишени, за время прохода лазерного пятна расстояния равного его диаметру, увеличивается до величин, которые достаточны для снижения энергии плазменного факела у поверхности образца до значений недостаточных для начала травления. Раздел 2.4 содержит в себе выводы к Главе 2, в частности рекомендации по оптимизации процесса ЛИМП. Рекомендуется использовать лазерный источник с длиной волны в диапазоне от 200 нм до 1064 нм, обеспечивающий минимальную длительность импульса в 1 наносекунду. Следует использовать максимально возможную частоту следования импульсов, чтобы перекрытие О не превышало 99% или 975 импульсов в область размером с диаметр пучка в фокально плоскости, углубленной на несколько микрон в мишень. Требуется контролировать качество рельефа мишени и поддерживать её шероховатость на уровне 200 нм.

Глава 3

В Главе 3 приведено моделирование некоторых механизмов процесса ЛИМП и их сравнение с экспериментальными данными. В разделе 3.1 рассмотрены ключевые закономерности, влияющие на угол разлета и форму плазменного факела в области лазерного воздействия. Форма плазменного факела определялась следующими факторами: углом сходимости лазерного пучка, в том числе, положением перетяжки пучка относительно границы раздела двух сред, а также формой лунок в прозрачном образце и в мишени. При моделировании форму лунки в образце и в мишени было принято описывать в виде шарового сегмента, что соответствовало многочисленным экспериментальным данным. Рассмотрено последовательное преобразование

лазерного пучка на пути его распространения от коллиматора волоконного лазера до границы соприкосновения прозрачного образца и мишени из поглощающего излучение материала. На выходе из коллиматора лазерный пучок с радиусом ш мм и углом расходимости в1 фокусировался положительной (/1 > 0) Е-Ше1а линзой, либо объективом с фокусным расстоянием/1. Зная расходимость исходного лазерного пучка был определен радиус его перетяжки и длина Рэлея по выражениям для распространения многомодовых Гауссовых пучков [17]. Лунка, формировавшаяся в прозрачном материале после первых импульсов, представляла собой отрицательную (/2 < 0), плоско-вогнутую микролинзу, которая в дальнейшем увеличивала расходимость лазерного пучка. Форму этой лунки, в первом приближении, было решено рассматривать как сферическую поверхность, преломляющую падающее излучение. Отметим здесь, что первая линза была длиннофокусной, по сравнению со второй, т.е./1 >>/2, которая обладада большой толщиной Н2 = Иё - Н3 (И8 << Иё). Согласно рассчетам микролинза и последняя перетяжка пучка после ее формирования располагались выше границы раздела двух сред и оказывалась в прозрачном образце над зоной облучения. При этом в зону обработки приходил пучок расходящегося излучения. Габариты пучка в последней перетяжке равнялись: в3 = 20.7 мрад, ш03 = 24.98 мкм, = 0.632 мм, а величина кривизны волнового фронта Яыег составила 15.296 мм. Стоит отметить, что приведенные результаты расчета соответствуют радиусу лунки в стекле т8 = 24 мкм, при увеличении размера лунки отношение ширина/глубина лунки не сохранялось, поэтому ее кривизна, а следовательно и фокусное расстояние, изменялись с каждым последующим импульсом. Однако, последовательность вычислений сохранялась, что позволяло оценить динамику изменения основных характеристик перетяжки лазерного пучка в процессе формирования и роста лунки. Ранее экспериментально было обнаружено, что индикатриса рассеяния или угол разлета плазменного факела зависел от следующих факторов:

- профиль интенсивности лазерного пучка, задающий форму теплового источника;

- расходимость лазерного пучка или кривизна волнового фронта в лазерном пятне;

- профиль испаряющейся поверхности в виде лунки или ее кривизна;

- интенсивность плазменного факела, достаточная для разрушения стекла. Для упрощения предположим, что профиль интенсивности плазменного факела повторял профиль Гауссова пучка, а кривизна фронта распространения плазмы определялась волновым фронтом лазерного пучка, инвертированным в обратную сторону от поверхности мишени. Тогда, в случае сходящегося лазерного пучка на поверхности мишени формировался вогнутый фронт распространения плазмы, а при расходящемся - выгнутый. Следующие лазерные импульсы приходили в лунку, которая также влияла на рассеяние плазменного факела, поэтому было рассмотрено два случая рассеяния плазменного факела: после первого и последующих лазерных импульсов. Угол рассеяния считался относительно нормали ко дну кратера в мишени. Размер лунки находился исходя из тепловой модели нагрева графитовой мишени тепловым источником. Для описания теплового источника рассматривалась задача об импульсном нагреве полубесконечного тела с распределением интенсивности в сечении пучка по закону Гаусса. Сравнив площади вытравленной поверхности на образце и площадь пучка на поверхности лунки в мишени был определен угол разлета плазменного факела, эффективно разрушающего материал образца из плавленого кварца, значение которого составило 27.4%. Опираясь на угол разлета плазменного факела, экспериментальные данные по размерам вытравленной лунки в образце, была определена энергетическая эффективность плазменного факела, которая определялась как отношение площади проекции распределения интенсивности на поверхности мишени, к площади вытравленной лунки в образце и составляла 52.8%.

В разделе 3.3 приводится оценочная модель изменения объема кратера в стекле при воздействии серии лазерных импульсов (1-1000, т = 50 нс, средней мощности излучения Рс = 2.75 Вт, частоте следования импульсов V = 15 кГц), при условии упрощенного рассмотрения плазмы с точки зрения идеального газа. Будем считать, что энергия, дополнительно поглощенная в плазме после испарения графита, которая и расходуется на разрушение стекла, будет уменьшаться от импульса к импульсу из-за загрязнения стекла пенографитом и т.п. При следующих импульсах атомизируется этот же объем графита, но свойства плазмы определяются свободным объемом в стекле и в графите после предыдущего импульса и адиабатическим расширением. Полученная кривая зависимости глубины кратера от количества импульсов, была сопоставлена с экспериментальными данными (рис. 8).

0,0000 4-.-1-■-1-, От---,---1-.-,—

0 500 1000 0 200 000 «00 600 1ЙОО

Количество импульсов Количество импульсов

Рисунок 8 - а) промоделированная кривая изменения глубины кратера от количества импульсов; б) экспериментальные данные изменения глубины

кратера

Полученная зависимость в целом удовлетворительно описывала наблюдаемый в эксперименте рост кратера. Раздел 3.4 содержит основные выводы по Главе 3.

Глава 4

В четвертой главе продемонстрировано практическое использование метода лазерно-индуцированной микроплазмы для изготовления дифракционных оптических элементов: синусоидальных дифракционных фазовых решеток с периодом от 70 до 200 мкм и многоуровневых случайных фазовых пластин для гомогенизации лазерного излучения. Раздел 4.1 посвящен расчету и

изготовлению синусоидальной дифракционной фазовой решетки (ДФР) на двух материалах: кремнии и плавленом кварце методом ЛИМП. При изготовлении решеток на кремнии был использован СО2 лазер и мишень в виде пластины плавленого кварца. Глубина сформированного рельефа контролировалась плотностью мощности лазерного излучения и скоростью сканирования. Экспериментально было обнаружено, что при увеличении плотности мощности, при скорости сканирования в 0.5 мм/с, глубина рельефа увеличивается вплоть до 6 мкм. Изготовление дифракционной решетки с площадью S = 25 мм2 при скорости сканирования V = 0.5 мм/с заняло около 15 минут. В отличие от обработки ЛИМП на основе графитовой мишени, в данном случае из-за схожести состава мишени и образца последний не загрязнялся частицами мишени и этап очистки не требовался. На рисунке 9а показано фото ДФР с периодом р = 70 мкм и средней глубиной рельефа И = 3 мкм (первая решетка), которая была сформирована при плотности мощности = 0.59 МВт/см2. На рисунке 9б показана ДФР с периодом р = 90 мкм, Ь = 5 мкм, = 0.82 МВт/см2 (вторая решетка), и на рис. 9в - ДФР с р = 100 мкм, И = 6 мкм, = 1.23 МВт/см2 (третья решетка).

Рисунок 9 - Оптическая микроскопия поверхности ДФР с периодом а) р = 70 мкм; б) р = 90 мкм; в) р = 100 мкм Методом контактной профилометрии была получена информация о геометрии второй и третьей ДФР. Профиль поверхности с достаточной точностью аппроксимировался синусоидальной функцией. Взаимодействие электромагнитного излучения с ДФР вело к изменению его фазы и расщеплению одного пучка на несколько вследствие дифракции. В данном

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рымкевич Владимир Сергеевич, 2022 год

Список литературы

1. Naessens K., Ottevaere H., Van Daele P., Baets R. Flexible fabrication of microlenses in polymer layers with excimer laser ablation // Applied surface science.

- 2003. - T. 208. - C. 159-164.

2. Hsieh H.-T., Lin V., Hsieh J.-L., Su G.-D. J. Design and fabrication of long focal length microlens arrays // Optics Communications. - 2011. - T. 284, № 21. - C. 5225-5230.

3. Ottevaere H., Cox R., Herzig H.-P., Miyashita T., Naessens K., Taghizadeh M., Volkel R., Woo H., Thienpont H. Comparing glass and plastic refractive microlenses fabricated with different technologies // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. - 2006. - T. 8, № 7. - C. S407.

4. Свойства кварцевого стекла. / Леко В. К., Мазурин О. В., Г. В. Б.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1985.

5. Berthold J., Jacobs S., Norton M. Dimensional stability of fused silica, invar, and several ultra-low thermal expansion materials // Metrología. - 1977. - T. 13, № 1. -C. 9.

6. Baglin J. Ion beam nanoscale fabrication and lithography—a review // Applied Surface Science. - 2012. - T. 258, № 9. - C. 4103-4111.

7. Feng L., Sihai C., Huan L., Yifan Z., Jianjun L., Yiqing G. Fabrication and characterization of polydimethylsiloxane concave microlens array // Optics & Laser Technology. - 2012. - T. 44, № 4. - C. 1054-1059.

8. Chang C., Yang S. Y., Sheh J. A roller embossing process for rapid fabrication of microlens arrays on glass substrates // Microsystem technologies. - 2006. - T. 12, № 8. - C. 754-759.

9. W. ROYALL COX T. C., DONALD J. HAYES. Micro-Optics Fabrication by Ink-Jet Printing // Optics & Photonics News. - 2001.

10. Naessens K., Ottevaere H., Baets R., Van Daele P., Thienpont H. Direct writing of microlenses in polycarbonate with excimer laser ablation // Applied optics. -2003. - T. 42, № 31. - C. 6349-6359.

11. Niino H., Kawaguchi Y., Sato T., Narazaki A., Gumpenberger T., Kurosaki R. Surface micro-structuring of silica glass by laser-induced backside wet etching with ns-pulsed UV laser at a high repetition rate // J. Laser Micro/Nanoeng. - 2006. - T. 1, № 1. - C. 39-43.

12. Hopp B., Vass C., Smausz T., Bor Z. Production of submicrometre fused silica gratings using laser-induced backside dry etching technique // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - T. 39, № 22. - C. 4843.

13. Lai S., Lorenz P., Ehrhardt M., Han B., Hirsch D., Zagoranskiy I., Lu J., Zimmer K. Laser-induced frontside etching of silicon using 1550-nm nanosecond laser pulses // Optics and Lasers in Engineering. - 2019. - T. 122. - C. 245-253.

14. Hanada Y., Sugioka K., Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA): fundamental and industrial applications // High-Power Laser Ablation VI.

- T. 6261 -International Society for Optics and Photonics, 2006. - C. 626111.

15. Zakoldaev R. A., Sergeev M., Kostyuk G., Veiko V. Laser-induced black-body heating (LIBBH) as a method for glass surface modification // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2015. - T. 10, № 1. - C. 15-19.

16. Papoular R. J., Papoular R. Some optical properties of graphite from IR to millimetric wavelengths // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. -2014. - T. 443, № 4. - C. 2974-2982.

17. Kogelnik H., Li T. Laser beams and resonators // Applied optics. - 1966. - T. 5, № 10. - C. 1550-1567.

18. Rymkevich V. S., Sergeev M. M., Zakoldaev R. A. Laser microplasma as a spot tool for glass processing: Focusing conditions // Journal of Materials Processing Technology. - 2021. - T. 292. - C. 117061.

19. Вейко В. П., Шахно Е. А., Яковлев Е. Б. Эффективное время термического воздействия сверхкоротких лазерных импульсов на диэлектрики // Квантовая электроника. - 2014. - T. 44, № 4. - C. 322-324.

20. Goodman J. W. Introduction to Fourier optics. 3rd // Roberts and Company Publishers. - 2005.

21. Kostyuk G. K., Zakoldaev R. A., Koval V. V., Sergeev M. M., Rymkevich V. S. Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting // Optics and Lasers in Engineering. - 2017. - T. 92. - C. 63-69.

22. Lewis C., Weaver I., Doyle L., Martin G., Morrow T., Pepler D., Danson C., Ross I. Use of a random phase plate as a KrF laser beam homogenizer for thin film deposition applications // Review of scientific instruments. - 1999. - T. 70, № 4. -C. 2116-2121.

23. Рымкевич В., Заколдаев Р., Сергеев М., Костюк Г. Использование лазерно-индуцированной микроплазмы для изготовления многоуровневых фазовых пластин // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2017. -T. 60, № 5. - C. 431-439.

24. Кононенко В. В., Конов В. И., Пименов С. М., Прохоров A. М., Павельев В. С., Сойфер В. А. Алмазная дифракционная оптика для СО 2-лазеров // Квантовая электроника. - 1999. - T. 26, № 1. - C. 9-10.

25. Tyrer J. R., Noden S. C., Hilton P. A. Diffractive optical elements for manipulation of high-power CO2 laser radiation: a feasibility study // High-Power Lasers: Applications and Emerging Applications. - T. 2789 -International Society for Optics and Photonics, 1996. - C. 174-185.

26. Taghizadeh M. R., Blair P., Balluder K., Waddie A. J., Rudman P., Ross N. Design and fabrication of diffractive elements for laser material processing applications // Optics and lasers in Engineering. - 2000. - T. 34, № 4-6. - C. 289307.

27. Ebata K., Fuse K., Kurisu K., Okada T., Hirai T., Nanba H. Optical properties of ZnSe diffractive optical elements for spot array generation // Wave-Optical Systems Engineering. - T. 4436 -International Society for Optics and Photonics, 2001. - C. 140-150.

28. Harris D. C., Sheng Y. Infrared window and dome materials // Tutorial texts in optical engineering. - 1992. - T. 10.

29. Pavelyev V., Borodin S., Kazanskiy N., Kostyuk G., Volkov A. Formation of diffractive microrelief on diamond film surface // Optics & Laser Technology. -2007. - T. 39, № 6. - C. 1234-1238.

30. Brierley C., Beck C., Kennedy G., Metcalfe J., Wheatley D. The potential of CVD diamond as a replacement to ZnSe in CO2 laser optics // Diamond and related materials. - 1999. - T. 8, № 8-9. - C. 1759-1764.

31. Haupt C., Pahlke M., Krupka R., Tiziani H. Computer-generated microcooled reflection holograms in silicon for material processing with a CO 2 laser // Applied optics. - 1997. - T. 36, № 19. - C. 4411-4418.

32. Smolik G. M., Herzig H. P. Binary zero-order diffractive and anti-reflective optical elements in silicon for the mid-infrared // Optics letters. - 2017. - T. 42, № 16. - C. 3233-3235.

33. Thienpont H., Mohr J., Zappe H., Nakajima H. Micro-Optics 2012 -SPIE, 2012.

34. Becker E., Ehrfeld W., Hagmann P., Maner A., Munchmeyer D. Fabrication of microstructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation lithography, galvanoforming, and plastic moulding (LIGA process) // Microelectronic engineering. - 1986. - T. 4, № 1. - C. 35-56.

35. MacFarlane D., Narayan V., Tatum J., Cox W., Chen T., Hayes D. Microjet fabrication of microlens arrays // IEEE photonics technology letters. - 1994. - T. 6.

- C. 1112-1114.

36. Ding X., Yasui Y., Kawaguchi Y., Niino H., Yabe A. Laser-induced back-side wet etching of fused silica with an aqueous solution containing organic molecules // Applied Physics A. - 2002. - T. 75, № 3. - C. 437-440.

37. Ehrhardt M., Lorenz P., Bayer L., Han B., Zimmer K. Studies of the confinement at laser-induced backside dry etching using infrared nanosecond laser pulses // Applied Surface Science. - 2018. - T. 427. - C. 686-692.

38. Sarma U., Joshi S. N. Machining of micro-channels on polycarbonate by using Laser-Induced Plasma Assisted Ablation (LIPAA) // Optics & Laser Technology. -2020. - T. 128. - C. 106257.

39. Kostyuk G., Sergeev M., Zakoldaev R., Yakovlev E. Fast microstructuring of silica glasses surface by NIR laser radiation // Optics and Lasers in Engineering. -2015. - T. 68. - C. 16-24.

40. Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Direct fabrication of microgratings in fused quartz by laser-induced plasma-assisted ablation with a KrF excimer laser // Optics letters. - 1998. - T. 23, № 18. - C. 1486-1488.

41. Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation of fused quartz using the fourth harmonic of a Nd+: YAG laser // Applied Physics A.

- 1998. - T. 67, № 5. - C. 545-549.

42. Zhang J., Sugioka K., Midorikawa K. High-speed machining of glass materials by laser-induced plasma-assisted ablation using a 532-nm laser // Applied Physics A. - 1998. - T. 67, № 4. - C. 499-501.

43. Jiang Y., Pillai S., Green M. A. Realistic silver optical constants for plasmonics // Scientific reports. - 2016. - T. 6, № 1. - C. 1-7.

44. Wang J., Niino H., Yabe A. One-step microfabrication of fused silica by laser ablation of an organic solution // Applied Physics A: Materials Science & Processing. - 1999. - T. 68, № 1.

45. Kopitkovas G., Lippert T., David C., Wokaun A., Gobrecht J. Fabrication of micro-optical elements in quartz by laser induced backside wet etching // Microelectronic Engineering. - 2003. - T. 67. - C. 438-444.

46. Kopitkovas G., Lippert T., David C., Wokaun A., Gobrecht J. Surface micromachining of UV transparent materials // Thin solid films. - 2004. - T. 453. -C. 31-35.

47. Kopitkovas G., Lippert T., David C., Canulescu S., Wokaun A., Gobrecht J. Fabrication of beam homogenizers in quartz by laser micromachining // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. - 2004. - T. 166, № 1. - C. 135 -140.

48. Vass C., Osvay K., Veso T., Hopp B., Bor Z. Submicrometer grating fabrication in fused silica by interferometric laser-induced backside wet etching technique // Applied Physics A. - 2008. - T. 93, № 1. - C. 69-73.

49. Hopp B., Smausz T., Csizmadia T., Budai J., Oszko A., Szabo G. Laser-induced backside dry etching: wavelength dependence // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2008. - T. 41, № 17. - C. 175501.

50. Lorenz P., Ehrhardt M., Zimmer K. Laser-induced front side etching of fused silica with KrF excimer laser using thin chromium layers // physica status solidi (a). - 2012. - T. 209, № 6. - C. 1114-1118.

51. Djurisic A. B., Li E. H. Optical properties of graphite // Journal of applied physics. - 1999. - T. 85, № 10. - C. 7404-7410.

52. Станкус С. В., Савченко И. В., Агажанов А. Ш., Яцук О. С., Жмуриков Е. И. Теплофизические свойства графита МПГ-6 // Теплофизика высоких температур. - 2013. - T. 51, № 2. - C. 205-209.

53. Koval' V. V., Sergeev M. M., Zakoldaev R. A., Kostyuk G. K. Changes in the spectral characteristics of quartz-glass plates when they are processed with laser-induced plasma // Journal of Optical Technology. - 2017. - T. 84, № 7. - C. 447 -452.

54. Hoffman J., Chrzanowska J., Kucharski S., Moscicki T., Mihailescu I., Ristoscu C., Szymanski Z. The effect of laser wavelength on the ablation rate of carbon // Applied Physics A. - 2014. - T. 117, № 1. - C. 395-400.

55. Veiko V. P., Volkov S. A., Zakoldaev R. A., Sergeev M. M., Samokhvalov A. A., Kostyuk G. K., Milyaev K. A. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media // Quantum Electronics. - 2017. - T. 47, № 9. -C. 842.

56. Kostyuk G., Zakoldaev R., Sergeev M., Veiko V. Laser-induced glass surface structuring by LIBBH technology // Optical and Quantum Electronics. - 2016. - T. 48, № 4. - C. 1-8.

57. Harilal S., Hassanein A., Polek M. Late-time particle emission from laser-produced graphite plasma // Journal of Applied Physics. - 2011. - T. 110, №2 5. - C. 053301.

58. Gresko V., Rymkevich V., Samokhvalov A., Veiko V., Sergeev M. CO 2 laser-induced micro-plume treatment of silicon: technique and application // Optical and Quantum Electronics. - 2019. - T. 51, № 12. - C. 1-10.

59. Chandler-Horowitz D., Amirtharaj P. M. High-accuracy, midinfrared (450 cm-1< ю< 4000 cm- 1) refractive index values of silicon // Journal of Applied physics.

- 2005. - T. 97, № 12. - C. 123526.

60. Kischkat J., Peters S., Gruska B., Semtsiv M., Chashnikova M., Klinkmuller M., Fedosenko O., Machulik S., Aleksandrova A., Monastyrskyi G. Mid-infrared optical properties of thin films of aluminum oxide, titanium dioxide, silicon dioxide, aluminum nitride, and silicon nitride // Applied optics. - 2012. - T. 51, № 28. - C. 6789-6798.

61. Phillip H., Taft E. Kramers-Kronig analysis of reflectance data for diamond // Physical Review. - 1964. - T. 136, № 5A. - C. A1445.

62. Kitamura R., Pilon L., Jonasz M. Optical constants of silica glass from extreme ultraviolet to far infrared at near room temperature // Applied optics. - 2007. - T. 46, № 33. - C. 8118-8133.

63. Рыкалин Н., Углов А., Зуев И., Кокора А. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов // м.: Машиностроение. - 1985. - T. 496. - C. 3.

64. Hanada Y., Sugioka K., Miyamoto I., Midorikawa K. Double-pulse irradiation by laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) and mechanisms study // Applied surface science. - 2005. - T. 248, № 1. - C. 276-280.

65. Shkuratova V., Kostyuk G., Sergeev M., Zakoldaev R., Yakovlev E., Medvedev O. Rapid fabrication of spiral phase plate on fused silica by laser-induced microplasma // Applied Physics B. - 2020. - T. 126, № 4. - C. 1-6.

66. Zapka W., Ziemlich W., Leung W., Tam A. "Laser cleaning" removes particles from surfaces // Microelectronic engineering. - 1993. - T. 20, № 1-2. - C. 171-183.

67. Karstens W., Smith D. Y. Optical Properties of Graphite // APS Meeting Abstracts. - T. 1 -, 2004. - C. 11012.

68. Smith D., Shiles E., Inokuti M., Palik E. Handbook of optical constants of solids // Handbook of Optical Constants of Solids. - 1985. - T. 1. - C. 369-406.

69. Handbook of carbon, graphite, diamonds and fullerenes: processing, properties and applications. / Pierson H. O.: William Andrew, 2012.

70. General chemistry. / Pauling L.: Courier Corporation, 1988.

71. Zakoldaev R. A., Kostyuk G. K., Rymkevich V. S., Koval V. V., Sergeev M. M., Veiko V. P., Yakovlev E. B., Sivers A. N. Fast Fabrication of Multilevel Phase Plates Used for Laser Beam Correction // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2017.

- T. 12, № 3. - C. 281-285.

72. Олейник А. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ // Металлообработка: оптимизация и современные технологии -, 2019. - C. 170-174.

73. Справочник по физике. / Яворский Б. М., Детлаф А. А.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.

74. Шубин А. Курс общей физики: Учебное пособие для инж.-эконом. специальностей вузов.-2-е изд // М.: Высшая школа. - 1976.

75. Тажибаев К. Деформация и разрушение горных пород // Фрунзе: Илим. -1986. - C. 106.

76. Савватимский А. Плавление графита и свойства жидкого углерода // М.: Физматкнига. - 2013.

77. Zhang Q.-L., O'Brien S. C., Heath J. R., Liu Y., Curl R. F., Kroto H. W., Smalley R. E. Reactivity of large carbon clusters: spheroidal carbon shells and their possible relevance to the formation and morphology of soot // The Journal of Physical Chemistry. - 1986. - T. 90, № 4. - C. 525-528.

78. Лейдлер К. Кинетика органических реакций // Пер. с англ. М. - 1966.

79. Rajkumar N., McMullin J. V-groove gratings on silicon for infrared beam splitting // Applied optics. - 1995. - T. 34, № 14. - C. 2556-2559.

80. Srikanth G. Measurement of period of interference patterns with sub-micron period // Optics & Laser Technology. - 2007. - T. 39, № 5. - C. 918-921.

81. Neauport J., Ribeyre X., Daurios J., Valla D., Lavergne M., Beau V., Videau L. Design and optical characterization of a large continuous phase plate for Laser Integration Line and laser Megajoule facilities // Applied optics. - 2003. - T. 42, №2 13. - C. 2377-2382.

82. Yang C., Zhang R., Xu Q., Ma P. Continuous phase plate for laser beam smoothing // Applied optics. - 2008. - T. 47, № 10. - C. 1465-1469.

83. Wang J., Niino H., Yabe A. One-step microfabrication of fused silica by laser ablation of an organic solution // Applied Physics A: Materials Science & Processing. - 1999. - T. 68, № 1. - C. 111-113.

84. Hopp B., Smausz T., Vass C., Szabo G., Böhme R., Hirsch D., Zimmer K. Laser-induced backside dry and wet etching of transparent materials using solid and molten tin as absorbers // Applied Physics A. - 2009. - T. 94, № 4. - C. 899-904.

85. Hopp B., Smausz T., Bereznai M. Processing of transparent materials using visible nanosecond laser pulses // Applied Physics A. - 2007. - T. 87, № 1. - C. 7779.

86. Hanada Y., Sugioka K., Midorikawa K. Laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA): fundamental and industrial applications // High-Power Laser Ablation 2006 -International Society for Optics and Photonics, 2006. - C. 626111-62611115.

87. Zakoldaev Roman, Sergeev Maksim, Kostyuk Galina, Vadim V. Laser-induced black-body heating (LIBBH) as a method for glass surface modification // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2015. - T. 10, № 1. - C. 15-19.

88. Shkuratova V., Rymkevich V., Kostyuk G., Sergeev M. Laser-induced microplasma as effective tool for phase elements fabrication on amorphous and crystalline materials // Journal of Laser Micro Nanoengineering. - 2018. - T. 13, №2 3. - C. 211-215.

Список иллюстративного материала

Рисунок 1 - Коэффициент отражения графита..................................................13

Рисунок 2 - График зависимости глубины рельефа на поверхности КУ-1 от

средней мощности лазерного излучения............................................................14

Рисунок 3 - Зависимости воздушного зазора от глубины (а, в, д) и ширины (б, г, е) дорожек на поверхности стекла, полученные при различных условиях фокусировки пучка - расходящийся пучок (01-03), фокальная плоскость ^1-

F3) и сходящийся пучок (С1-С3).........................................................................15

Рисунок 4 - Графики изменения глубины структуры на (а) мишени и (б) образце; шероховатости поверхности структуры Кг (в) и Яа (г) на образце от

шероховатости графитовой мишени разной пористости..................................16

Рисунок 5 - Задержка плазмообразования А и время жизни плазмы L в зависимости от длительности импульса лазерного излучения для диапазона а)

220 фс - 3 пс; б) 4 нс - 200 нс..............................................................................17

Рисунок 6 - Ширина (О) и глубина (Н) треков в образце и в графитовой мишени записанные лазерным пучком в фокальной

плоскости объектива: а) 8х; б)10х........................................................................18

Рисунок 7 - Зависимость энергий от импульсной плотности мощности для объективов: а) 8х; б) 10х. Елаз — общая энергия поглощенных лазерных импульсов, Еграф — энергия плазменного факела, Естекл — энергия на травление

образца....................................................................................................................19

Рисунок 8 - а) промоделированная кривая изменения глубины кратера от количества импульсов; б) экспериментальные данные изменения глубины

кратера....................................................................................................................23

Рисунок 9 - Оптическая микроскопия поверхности ДФР с периодом

а) р = 70 мкм; б) р = 90 мкм; в) р = 100 мкм.......................................................24

Рисунок 10 - Схема тестирования ДФР, состоящая из СО2 лазера (1), ДФР (2), линзы (3) и термобумаги (4). Для наглядности излучение обозначено красным..................................................................................................................25

Рисунок 11 - пятна полученные с использованием ДФР с периодом

р = 100 мкм. Плотность мощности qo = 0.32 МВт/см2.......................................25

Рисунок 12 - а, в, д) Расчитанное значение дифракционной эффективности; б, г, е) Экспериментальное распределение нормализованной интенсивности.

.................................................................................................................................26

Рисунок 13 - Микрофотографии фазовых решеток в отраженном свете (а, Ь); трехмерные профили поверхности ДФР (с, ё); аппроксимация профилей ДФР

синусоидальной функцией (е, 1) [21]...................................................................27

Рисунок 14 - Теоретические значения дифракционной эффективности ДФР и экспериментально измеренные распределения интенсивности для решетки 1

(а, б) и 2 (в, г).........................................................................................................28

Рисунок 15 - Различные представления бинарной фазовой пластины. а) Общий вид; б) Микрофотография поверхности; в) Топология поверхности;

г) Профиль участка поверхности ......................................................................... 29

Рисунок 16 - а) Исходное распределение; б) Пучок с введенной БСФП;

в) Искаженный пучок; г) Искаженный пучок с введенной БСФП..................30

Рисунок 17 - Различные представления бинарной фазовой пластины: а) шаблон ДСФП; б) микрофотография в отраженном свете; в) топология

поверхности; г) профиль участка поверхности.................................................. 31

Рисунок 18 - а) Исходное распределение; б) Пучок с введенной ДСФП;

в) Искаженный пучок; г) Искаженный пучок с введенной ДСФП .................. 31

Рисунок 19 — Схематическое изображение метода КИРАЛ [40].....................77

Рисунок 20 - Зависимость глубины абляции от числа лазерных импульсов при

плотности энергии в 1.5 Дж/см2 и зазоре 2 мм [41]...........................................78

Рисунок 21 - Зависимость скорости абляции от плотности энергии на расстоянии 0.02 (а); 0.8 (Ь); 2.0 (с); 3.0 5.0 (е); 6.0 ф; и 8.0 мм между

мишенью и образцом при 60 лазерных импульсах [41]....................................79

Рисунок 22 - Зависимость скорости травление от расстояния между мишенью и образцом при плотности энергии 1.41 Дж/см2 после воздействия 60 импульсов [41].......................................................................................................80

Рисунок 23 - Зависимость порога травления от расстояния между мишенью и

образцом [41].........................................................................................................81

Рисунок 24 - Схема метода LIBWE, используемого для травления пластины

плавленого кварца излучением KrF лазера........................................................82

Рисунок 25 - Схема TWIN-LIBWE установки [48]...........................................83

Рисунок 26 - Решетки оптимального качества (а) p = 990 нм; F = 330 мДж/см2; 100 импульсов (б) р = 550 нм; F = 330 мДж/см2; 50 импульсов (в) р = 266 нм; F = 525 мДж/см2; 50 импульсов (г) р = 154 нм; F = 500 мДж/см2;

50 импульсов [48]..................................................................................................85

Рисунок 27 - Схема экспериментальной установки LIBDE для обработки

прозрачных материалов [12]................................................................................86

Рисунок 28 - Измеренные скорости травления LIBDE (максимальная глубина травления/количество импульсов (в данном случае 1)) в зависимости от

плотности энергии по сравнению со скоростями травления LIBWE [12]......87

Рисунок 29 - Двухлучевая интерференционная схема для изготовления

решеток на поверхности плавленого кварца методом LIBDE [12]..................88

Рисунок 30 - Атомно-силовое изображение решеток, полученных методом

LIBDE при угле падения а) 14°; и б) 30°............................................................88

Рисунок 31 - Схематическое изображение метода лазерно-индуцированного

травления передней стороны (LIFE)...................................................................90

Рисунок 32 - Зависимость глубины травления плавленого кварца от толщины

слоя хрома при F = 9.3 Дж/см2 и 10 импульсах[50]...........................................91

Рисунок 33 - Принципиальная схема ЛИМП....................................................94

Рисунок 34 - Зависимости фотоакустического сигнала от интенсивности лазерного излучения для свободного (квадраты) и ограниченного (кружки)

распространения микроплазмы [55].................................................................... 95

Рисунок 35 - Коэффициент отражения графита................................................97

Рисунок 36 - Экспериментальная установка для изготовления фазовой дифракционной решетки (1) СО2 лазер, (2) ПК, (3) трех координатный стол,

(4, 5) золотые зеркала, (6) Ое-линза, (7) кристаллический кварц, (8) плавленый

кварц.......................................................................................................................99

Рисунок 37 - Спектр эмиссии факела при У = 0.5 мм/с и q0= 1.23 МВт/см2. Серая линия - спектр эмиссия, красная - аппроксимация интенсивности при

3000 К...................................................................................................................100

Рисунок 38 - График зависимости глубины рельефа на поверхности КУ-1 от

средней мощности лазерного излучения..........................................................101

Рисунок 39 - Средняя температура области лазерного воздействия диаметром d а) после воздействия №го импульса; б) перед началом К-го импульса .... 103 Рисунок 40 - Зависимость глубины формируемых треков от частоты

следования импульсов........................................................................................104

Рисунок 41 - а) Схематичное представление лазерной установки; б) Схематичное представление эксперимента с расходимостью. Красными

линиями помечены положения перетяжки лазерного излучения..................106

Рисунок 42 - а) Микрофотография поверхности стекла, обработанного ЛИМП (т = 50 нс, Е = 3.75 мкДж, и = 2 мм / с, f = 20 кГц) с объективом 10х. Цифры (111) соответствуют /-сдвигам из таблицы 1; (б) Зависимости ширины трека,

сформированного на поверхности стекла........................................................108

Рисунок 43 - Результаты оптической профилометрии микролинз, сформированных на плавленом кварце с помощью ЛИМП при постоянных параметрах лазерной обработки (т = 50 нс, Р = 19 Вт, F-theta линза) и

различных N = 10, 100, 500................................................................................ 109

Рисунок 44 - Схематическое изображение первого эксперимента, определяющего влияние воздушного зазора между мишенью и стеклом на геометрию треков. Красные линии на показывают положение перетяжки

пучка.....................................................................................................................110

Рисунок 45 - Микрофотографии стекла (а) и мишени, обработанной ЛИМП (б) при непрерывном увеличении воздушного зазора. Профили поверхности стекла (в) и (г) мишени (фильтрованный) при воздушном зазоре 10 мкм (отмечены красной линией на а, б)....................................................................111

Рисунок 46 - Зависимости воздушного зазора от глубины (а, в, д) и ширины (б, г, е) дорожек на поверхности стекла, полученные при различных условиях фокусировки пучка - расходящийся пучок (D1-D3), фокальная плоскость (F1-

F3) и сходящийся пучок (C1-C3).......................................................................113

Рисунок 47 - Схематическое изображение профиля мишени с базовой линией

профиля m, выостой выступов Hmax и глубиной впадин Hmin.........................115

Рисунок 48 - CЭМ изображение поверхности графитовой мишени а) «solid» и

б) «porous» с увеличением 60х и 300х................................................................117

Рисунок 49 - Снимок рабочих поверхностей мишеней с различной

шероховатостью..................................................................................................118

Рисунок 50 - CЭМ изображение поверхности графитовых мишеней «porous»

60х и 300х из а) базовая; б) полированная.........................................................119

Рисунок 51 - Схема экспериментальной установки........................................120

Рисунок 52 - Внешний вид поверхности стекла с ячейками после

механической очистки........................................................................................121

Рисунок 53 - Схема записи ячеек в исследования многопроходной обработки

...............................................................................................................................122

Рисунок 54 - зависимость глубины H ячеек на а) мишени; б) стекле от

шероховатости соответствующей мишени Ra.................................................123

Рисунок 55 - Зависимость шероховатостей а) Rz; б) Ra ячеек в стекле от

базовой шероховатости мишени двух типов....................................................124

Рисунок 56 - Зависимость глубины ячеек а) мишени; и б) стекла от количества

проходов N по области в ячейке........................................................................126

Рисунок 57 - Топография поверхностей графитовой мишени и стекла после обработки ЛИМП: а) полированной мишени; б) исходной мишени; стекла после воздействия ЛИМП от в) полированной мишени; г) исходной мишени

...............................................................................................................................126

Рисунок 58 - Зависимость параметров шероховатости Rz и Ra ячеек в мишенях графита «solid» (а, б) и стеклах (в, г) от количества проходов для необработнного (исходного) и полированного случая...................................127

Рисунок 59 - Экспериментальная установка...................................................130

Рисунок 60 - график зависимости плотности энергии от выбранной

длительности импульса......................................................................................131

Рисунок 61 - Задержка плазмообразования А и время жизни плазмы К в зависимости от длительности импульса лазерного излучения для диапазона

а) 220 фс - 3 пс; б) 4 нс - 200 нс........................................................................133

Рисунок 62 - Трехмерные профилограммы поверхности плавленого кварца с формированными треками при длительности импульса а) от 220 фс - 3 пс

(слева направо); б) 4 нс - 200 нс (снизу - вверх).............................................134

Рисунок 63 - Относительное стандартное отклонение глубин треков.........135

Рисунок 64 - Графики зависимости ширины W (а, б) и глубины D (в, г) треков в фемтосекундном (а, в) и наносекундном (б, г) диапазонах (красным

отмечены исключенные данные).......................................................................135

Рисунок 65 - Зависимость задержки плазмообразования Э и времени жизни

плазмы Ь от средней мощности лазерного излучения....................................137

Рисунок 66 - Схематичное представление процесса травления образца

плазменным факелом с учетом энергий...........................................................138

Рисунок 67 - Оптическая микрофотография поверхности мишени и образца

...............................................................................................................................140

Рисунок 68 - Ширина (Э) и глубина (Н) треков в образце и в графитовой мишени записанные лазерным пучком в фокальной плоскости

объектива: а) 8х; б) 10х........................................................................................140

Рисунок 69 - Зависимость энергий от импульсной плотности мощности для объективов: а) 8х; б) 10х. Елаз — общая энергия поглощенных лазерных импульсов, Еграф — энергия плазменного факела, Естекл — энергия на травление

образца..................................................................................................................142

Рисунок 70 - Поглощение пучка лазерного излучения на границе раздела двух сред: графит- кварцевое стекло (а), а также распространение теплового поля с учетом кривизны волнового фронта лазерного пучка (б) в случае расходящегося и сходящегося пучка (в)...........................................................153

Рисунок 71 - Изменение температуры в зависимости от времени наблюдения при длительности импульса т = 50 нс: на поверхности в центре зоны облучения (красная кривая, 1), на глубине 9 мкм в центре зоны облучения (синяя кривая,

2), на поверхности и максимальном для разруш.............................................155

Рисунок 72 - Профиль теплового поля T(r, z) в зоне лазерного облучения спустя различные времена наблюдения. Сеткой отмечена область, где температура мишени меньше температуры атомизации графита Tac = 4300 K.

...............................................................................................................................156

Рисунок 73 - Изображение лунки в мишени и зоны плазменной обработки в прозрачном материале, определяющих максимальный amax и эффективный aeff

углы разлета плазменного факела.....................................................................157

Рисунок 74 - Распределение интенсивности по полярному углу; максимальные

углы проекции и предельные углы эффективности травления......................159

Рисунок 75 - Зависимость ширины пучка на дне кратера в мишени при изменении размера лунки hsp в образце и глубине кратера в мишени 1-5 мкм

...............................................................................................................................160

Рисунок 76 - а) профилограмма лунки от 1 импульса; б) кривая зависимости

глубины лунки от количества импульсов.........................................................165

Рисунок 77 - Результаты расчета. По А - число импульсов, по В - глубина

кратера в см..........................................................................................................171

Рисунок 78 - Зависимость глубины рельефа от плотности мощности при

скорости сканирования V = 0.5 мм/с.................................................................173

Рисунок 79 - Оптическая микроскопия поверхности ДФР с периодом

а) p = 70 мкм; б) p = 90 мкм; в) p = 100 мкм.....................................................174

Рисунок 80 - Трехмерная профилограмма поверхности ДФР с периодом

а) p = 90 мкм; б) p = 100 мкм..............................................................................174

Рисунок 81 - Профиль рельефа ДФР для использования в модели..............175

Рисунок 82 - Схема тестирования ДФР, состоящая из СО2 лазера (1), ДФР (2), ZnSe линзы (3) и термобумаги (4). Для наглядности излучение обозначено красным................................................................................................................176

Рисунок 83 - пятна полученные с использованием ДФР с периодом

р = 100 мкм. Плотность мощности q0 = 0.32 МВт/см2.....................................177

Рисунок 84 - а, в, д) Расчитанное значение дифракционной эффективности; б, г, е) Экспериментальное распределение нормализованной интенсивности. 178 Рисунок 85 - Микрофотографии фазовых решеток в отраженном свете (а, Ь); трехмерные профили поверхности ДФР (с, ё); аппроксимация профилей ДФР

синусоидальной функцией (е, 1) [21].................................................................179

Рисунок 86 - Теоретические значения дифракционной эффективности ДФР и экспериментально измеренные распределения интенсивности для решетки 1

(а, б) и 2 (в, г).......................................................................................................180

Рисунок 87 - а) Экспериментальная установка для микроструктурирования тонких металлических пленок; Примеры микроструктур, сформированных на

пленке с помощью фазовых решеток: б) 1; и в, г) 2........................................181

Рисунок 88 - Различные представления бинарной фазовой пластины.

а) Общий вид; б) Микрофотография поверхности; в) Топология поверхности;

г) Профиль участка поверхности.......................................................................184

Рисунок 89 - а) Исходное распределение; б) Пучок с введенной БСФП;

в) Искаженный пучок; г) Искаженный пучок с введенной БСФП................185

Рисунок 90 - Различные представления бинарной фазовой пластины: а) шаблон ДСФП; б) микрофотография в отраженном свете; в) топология

поверхности; г) профиль участка поверхности................................................186

Рисунок 91 - а) Исходное распределение; б) Пучок с введенной ДСФП;

в) Искаженный пучок; г) Искаженный пучок с введенной ДСФП................186

Рисунок 92 - Схематические изображения а) Спиральной фазовой пластины;

б) Случайной фазовой пластины [88]...............................................................187

Рисунок 93 - Результаты испытаний: а) исходный лазерный пучок для испытаний СФП; б) лазерный пучок после СФП; в) исходный лазерный пучок для испытаний СПФП; г) лазерный пучок после СПФП................................188

Приложение А - Оттиски статей

Optical and Quantum Electronics (2019) 51:397 https://doi.Org/10.1007/sl 1082-019-2121 -4

C02 laser-induced micro-plume treatment of silicon: technique and application

Vladislav Gresko1 -Vladimir Rymkevich1 • Andrey Samokhvalov1 -Vadim Veiko1 • Maksim Sergeev1

Received: 20 September 2019/ Accepted: 15 November 2019/ Published online: 19 November 2019 © Springer Science+ Business Media, LLC, part of Springer Nature 2019

Abstract

A method for treating the surface of crystalline silicon (a-Si) covered with a fused silica (SiCy plate by a laser-induced plume arising from the absorption of C02 laser radiation in glass is presented. The mechanism of micro-plume formation and the effect of this microplume on a-Si sample are considered. The a-Si processing regimes were determined that relate the depth of the formed relief to the radiation power density, the temperature of the micro-plume formed during Si02 irradiation was measured and reached 3000 K. The diffraction phase gratings were designed, manufactured on silicon, and tested, they successfully split 10.6 pm laser beam at 0 and ± 1 diffraction orders. The method belongs to the group of direct writing methods and is easily adapted to different types of diffraction elements on the surface of Si and other materials transparent to 10 pm irradiation.

Keywords Laser-induced treatment • C02 laser ■ Diffraction phase grating ■ Silicon ■ Fused silica

1 Introduction

Laser-induced microplasma (LIMP) processing has recently found widespread application for the structuring of optically transparent materials (Zhang et al. 1998; Zakoldaev et al. 2017; Xu et al. 2017) This technology is based on the fact that radiation is transmitted by the processed sample, but absorbed by the material of a special target, which is located near the treated surface. For example, the LIPAA method (laser-induced plasma-assisted ablation) (Zhang et al. 1998) uses a metal target as an absorbing substance located at a distance of several hundred microns from the sample. As a result of absorption of radiation by the target material, a plume of erosive laser plasma arises, the effect of which leads to the structuring of the sample. LIPAA and other methods of laser-induced processing, similar in principle of operation, have proven themselves in structuring of the surface of glasses and crystals transparent to laser radiation using low-energy nanosecond pulses.

El Vladislav Gresko [e-mail]

1 Department of Laser Systems and Technologies, ITMO University, Kronverksky pr., 49, Saint-Petersburg, Russia

i (9

Check fw updates

LIMP processing has all the advantages of direct laser recording: ease of implementation, high speed, and processing efficiency. However, it requires the use of an additional element—an absorber of laser energy, which has a significant impact on the energy efficiency of the method. In addition, when using LIMP, control over the microprocessing process becomes more complicated, since the resolution and processing quality do not directly depend on the parameters of the laser beam, but are determined by the characteristics of the plasma micro-plume. In this sense, the LIBBH (laser-induced black body heating) option (Kostyuk et al. 2015), in which a graphite plate tightly pressed against the processed sample was used as the target, was a significant improvement in the treatment of LIMP. Also, the role of various factors was analyzed—parameters of the laser pulse—energy, pulse duration and pulse repetition rate, absorbing ability of the target material and its plasma properties, contact density of the target and the sample, etc., value, as well as conclusions about the optimal parameters of the resulting confinement laser-induced plasma (CLIMP) (Veiko et al. 2017).

The physical principles underlying the CLIMP processing, when the material is processed not directly, but through a micro-plume of compressed microplasma, can be used to create a relief on various materials, for example, silicon. Due to its physical, optical, chemical and other properties, silicon is widely used in optics and microelectronics. Typically, photolithography is used to make silicon microstructures, such as diffractive optical elements (DOE) (Morgan et al. 2004). Despite having a higher resolution and the better quality of the resulting structures, photolithography is more complex and has a higher processing cost, especially for small-scale production. One has to put up with these disadvantages if there is a need to make complex multi-level DOEs. When the requirements for resolution and relief quality are not so high, LIMP methods can be used for processing.

The presented study shows the possibility of crystalline silicon processing by a C02 laser-induced micro-plume. The principle of operation of this method is similar to LIPAA and LIBBH processing. As a result of the study, diffraction phase gratings (DPG) on the silicon surface were designed and manufactured, which were then successfully tested and used to split the C02 laser beam.

2 Experimental details

For the processing of the silicon by a laser-induced plume we used a C02 laser with a wavelength of X= 10.6 (im, operating in a quasi-continuous mode with a pulse duration of =200 us and a pulse repetition rate of =5 kHz. The radiation was linearly polarized with a Gaussian beam profile and a divergence of 2 mrad. Crystalline silicon with the following characteristics was used as a sample for processing: thickness Da 300 nm, transparency at the laser wavelength 0.3 (determined experimentally), refractive index n = 3.4179 (Chandler-Horowitz and Amirtharaj 2005), roughness Rz = 0.17 microns. To generate the plume, laser radiation was absorbed in a fused silica plate with an absorption coefficient at the laser radiation wavelength of a = 642.82 cnrT1 (Kischkat et al. 2012). The target plate was in direct contact with the sample plate.

The production of DPG on silicon was carried out using the experimental setup shown in Fig. 1. The operation of a C02 laser (1) was controlled using a computer (2), which also controlled a two-coordinate drive-based Table (3) (DDSM "Thorlabs, Inc"). The laser beam reflected from a system of two gold mirrors (4, 5) and went through a germanium lens (6) with a focal length of/=25 mm, which formed a spot of size d0=30 [im on the

Fig. 1 Experimental setup for

grating fabrication. (1) C02 laser, (2) computer, (3) two-coordinate table, (4, 5) gold mirrors, (6) Ge lens, (7) silicon sample. (8) fused quartz

sample. A silicon sample (7) was located on a movable table. The silicon sample was covered with fused silica (8). The plane of contact between the sample and the target was located in the focal plane of the lens.

During processing, the radiation passed through a transparent sample and was absorbed by the target. The power density (105— 106 W/cm2) in this case was sufficient for the formation of a plume in the form of a high-temperature vapor-gas phase on the surface of fused silica. Under the influence of the plume, the surface of silicon was treated. In the treatment zone, the temperature of the plume was measured by the means of optical emission spectroscopy. An Avantes optical spectrometer with resolution of 0.26 nm and with a fiber output was used. Fiber end was fed to the plume. The recorded spectrum was approximated by the Planck function. At V= 0.5 mm/s and q0= 1.23 MW/cirr, the approximated curve with T = 3000 K quite accurately coincided with the experimental emission spectrum (Fig. 2). At smaller power densities, the temperature was lower.

Such temperature values were not sufficient for the ionization of the target in the vapor-gas phase and plasma formation, and the plume itself mainly consisted of neutral atoms (Si, O), molecules (02, SiO, Si02) and the corresponding particles that make up fused silica. However, the temperature was higher than the evaporation temperature of the sample. Thus, the main mechanism of the relief formation in this case was the shock-thermal elTect of the plume on silicon, leading to its evaporation.

Fig. 2 The emission spectrum of 1,2 -■-1-■-1-■-1-■-1-■-1-■-1-■- 1,2

the plume at V = 0.5 mm/s and <?0= 1.23 MW/cm2. Black line is emission spectrum, red line is intensity approximation on 3000 K

0,0

0,0

400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength

The surface of the formed elements was studied by the means of optical microscopy using a Carl Zeiss Axio Imager microscope in the reflected mode. The gratings topography was studied in detail using a Hommel Tester T8000 contact profilometer.

3 Results and discussion 3.1 DPG study

The depth of the formed relief could be controlled by changing the power density of the laser radiation and scanning speed. It was determined experimentally that with increasing power density, at a scanning speed of V=0.5 mm/s, the relief depth increased up about 6 nm (Fig. 3).

The production of DPG with an area of .S' =25 mm2 at a scan speed of V=0.5 mm/s took about 15 min. In contrast to the LIBBH method, where graphite particles settled on the sample surface after processing, so that an additional cleaning operation was required (Kostyuk et al. 2017), in this work, the destruction products of the target were similar to silicon and did not contaminate the sample surface. This feature excluded an additional cleaning step after processing.

Figure 4 shows a photo of a DPG with p=70 |im and an average relief depth about /; = 3 |am (first grating) which was made with % = 0.59 MW/cm2. Figure 5a shows the DPG with p= 90 |im, /) = 5 |am, <y0 = 0.82 MW/cm2 (second grating), and Fig. 5b shows the DPG with p= 100 urn and /? = 6 |im, q0= 1.23 MW/cm2 (third grating). Using the prolilometry data, three-dimensional images of the second and third DPGs were constructed (Fig. 6).

Interaction with DPG leads to a change in the phase of electromagnetic radiation and the splitting of one beam into several due to diffraction phenomena. In this case, the final intensity distribution depends on the radiation parameters, the material, and the relief parameters of the diffraction element.

To calculate the diffraction efficiency in ± 1 diffraction orders the model for gratings with a V-shaped relief was used (Rajkumar and McMullin 1995). In this case, the

Fig. 3 Dependence of the relief

depth on the power density at the 7 -

scanning speed V = 0.5 mm/s

6-

5-

E

3 4-

3-

2- t

0.4

0.6

0.8

q0 (MW/cm2)

1.0

1.2

Fig. 9 Spots obtained using DPG with a period of 100 pm. Power density during DPG testing

o

0

o

<70=0.32 MW/cm2

L - 11 mm

o

o

o

The results of the calculation with the experimental values of the distribution of the normalized intensity are presented in Fig. 10. The diagrams show that the theoretical values provide a fairly accurate match with the experiment.

With an increase in the period and depth of the relief, the diffraction efficiency of nonzero orders increased. The ratios of diffraction efficiencies of ± 1 and 0 orders were 0.11, 0.5 and 0.84 for the first, second, and third gratings, respectively. The ratio of normalized intensities of ± 1 and 0 orders was 0.13, 0.45 and 0.9. For the grating with the biggest depth, it was possible to obtain almost equal intensity in all orders. The theoretical values of distances from 0 to ± 1 diffraction orders for DPG with /? = 70 pm, /? = 90 pm and /?=100 pm were L (1) = 15 mm, L (1)=12 mm and L (1)=11 mm respectively. The experimental values were 15 mm, 12 mm and 11 mm, respectively. The diameter of the spots in the focal plane of the lens according to the calculations was dsp = 860 pm. The experimental diameter values for all gratings were about 1 mm. Thus, it was found that all the calculated parameters quite accurately coincided with the experimental data.

The third DPG was used in a multi-beam laser treatment scheme for lead film processing. For this purpose, the setup shown in Fig. 1 was used, but a diffraction element was installed between the mirror (5) and the lens (6). The radiation power density during processing was q0 = 1.6 MW/cm2. Darker lines in Fig. 11 correspond to 0 order, lighter to the 1 order.

4 Conclusion

A laser-induced plume arising from the action of C02 laser radiation on fused silica can be used to process crystalline silicon. The study of the emission spectrum of this micro-plume showed that it temperature is -3000 K, and the main processing mechanism was the evaporation of silicon caused by the shock-thermal effect. This method made it possible to form structures on a sample with a depth from 2 to 6 pm with q0= 105—106 W/cm2.

DPGs were produced with different depths and periods, capable of splitting radiation with X = 10.6 pm into 0 and + 1 diffraction orders. The algorithm for calculating the parameters of these gratings made it possible to relatively accurately estimate the diffraction efficiency of orders and the distance between them. A DPG with a maximum depth and a period of 100 pm was able to split radiation with X = 10.6 pm into three beams with almost equal intensity in all orders, which was used for multi-beam laser processing of a lead film.

Fig. 11 Grating recorded on the lead film

Acknowledgements The reported study was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation. Research Agreement No. 14.587.21.0037 (RFMEFI58717X0037).

References

Chandler-Horowitz. D.. Amirtharaj, P.M.: High-accuracy, midinfrared (450 cm —1 < w < 4000 cm"1) refractive index values of silicon. J. Appl. Phys. 97(12), 123526 (2005)

Goodman. J.W.: Introduction to Fourier Optics. Roberts and Company Publishers, Englewood (2005)

Kischkat, J., Peters. S.. Gruska. B., Semtsiv, M., Chashnikova, M., Klinkmuller, M.. Fedosenko, O., Machu-lik. S., Aleksandrova. A.. Monastyrskyi, G.: Mid-infrared optical properties of thin films of aluminum oxide, titanium dioxide, silicon dioxide, aluminum nitride, and silicon nitride. Appl. Opt. 51(28), 6789-6798 (2012)

Kostyuk. G.. Sergeev. M.. Zakoldaev. R.. Yakovlev. E.: Fast microstructuring of silica glasses surface by NIR laser radiation. Opt. Lasers Eng. 68. 16-24 (2015)

Kostyuk. G.K., Zakoldaev, R.A.. Koval, V.V., Sergeev, M.M.. Rymkevich. V.S.: Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting. Opt. Lasers Eng. 92. 63-69 (2017)

Morgan, B., Waits, C.M., Krizmanic. J.. Ghodssi, R.: Development of a deep silicon phase Fresnel lens using gray-scale lithography and deep reactive ion etching. J. Microelectromech. Syst. 13(1), 113-120 (2004)

Rajkumar, N.. McMullin, J.: V-groove gratings on silicon for infrared beam splitting. Appl. Opt. 34(14), 2556-2559(1995)

Veiko, V.P.. Volkov, S.A., Zakoldaev. R.A., Sergeev. M.M.. Samokhvalov, A.A.. Kostyuk. G.K.. Milyaev, K.A.: Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media. Quantum Electron. 47(9). 842-848 (2017)

Xu, S.. Liu. B.. Pan. C.. Ren. L., Tang. B.. Hu, Q.. Jiang. L.: Ultrafast fabrication of micro-channels and graphite patterns on glass by nanosecond laser-induced plasma-assisted ablation (LIPAA) for electro-fluidic devices. J. Mater. Process. Technol. 247. 204-213 (2017). https://doi.Org/10.1016/j.jmatprotec .2017.04.028

Zakoldaev, R.. Kostyuk, G., Rymkevich, V., Koval, V., Sergeev, M., Veiko, V., Ya-kovlev, E., Sivers, A.: Fast fabrication of multilevel phase plates used for laser beam correction. J. Laser Micro Nanoeng. 12(3). 281-285 (2017)

Zhang, J., Sugioka. K. Midorikawa. K: High-speed machining of glass materials by laser-induced plasmaassisted ablation using a 532-nm laser. Appl. Phys. A 67(4), 499-501 (1998)

Publisher's Note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and

institutional affiliations.

Optical and Quantum Electronics (2019) 51:397 https://d0i.0rg/1Q.1007/sl 1082-019-21214

C02 laser-induced micro-plume treatment of silicon technique and application

Vladislav Gresko1 Vladimir Rymkevich1 • Andrey Samokhvalov1 -VadimVeiko1 • Maksim Sergeev1

Received: 20 September 2019 / Accepted: 15 November 2019 / Published online: 19 November 2019 © Springer Science+Business Media, LLC, part of Springer Nature 2019

Abstract

A method for treating the surface of crystalline silicon (a-Si) covered with a fused silica (SiOa) plate by a laser-induced plume arising from the absorption of C02 laser radiation in glass is presented. The mechanism of micro-plume formation and the effect of this microplume on a-Si sample are considered. The a-Si processing regimes were determined that relate the depth of the formed relief to the radiation power density, the temperature of the micro-plume formed during Si02 irradiation was measured and reached 3000 K. The diffraction phase gratings were designed, manufactured on silicon, and tested, they successfully split 10.6 |im laser beam at 0 and ± 1 diffraction orders. The method belongs to the group of direct writing methods and is easily adapted to different types of diffraction elements on the surface of Si and other materials transparent to 10 pm irradiation.

Keywords Laser-induced treatment ■ C02 laser • Diffraction phase grating • Silicon • Fused silica

1 Introduction

Laser-induced microplasma (LIMP) processing has recently found widespread application for the structuring of optically transparent materials (Zhang et al. 1998; Zakoldaev et al. 2017; Xu et al. 2017) This technology is based on the fact that radiation is transmitted by the processed sample, but absorbed by the material of a special target, which is located near the treated surface. For example, the LIPAA method (laser-induced plasma-assisted ablation) (Zhang et al. 1998) uses a metal target as an absorbing substance located at a distance of several hundred microns from the sample. As a result of absorption of radiation by the target material, a plume of erosive laser plasma arises, the effect of which leads to the structuring of the sample. LIPAA and other methods of laser-induced processing, similar in principle of operation, have proven themselves in structuring of the surface of glasses and crystals transparent to laser radiation using low-energy nanosecond pulses.

El Vladislav Gresko gresko. 97 @ mail.ru

1 Department of Laser Systems and Technologies, TTMO University, Kronverksky pr., 49, Saint-Petersburg, Russia

Springer

LIMP processing has all the advantages of direct laser recording: ease of implementation, high speed, and processing efficiency. However, it requires the use of an additional element—an absorber of laser energy, which has a significant impact on the energy efficiency of the method. In addition, when using LIMP, control over the microprocessing process becomes more complicated, since the resolution and processing quality do not directly depend on the parameters of the laser beam, but are determined by the characteristics of the plasma micro-plume. In this sense, the LIBBH (laser-induced black body heating) option (Kostyuk et al. 2015), in which a graphite plate tightly pressed against the processed sample was used as the target, was a significant improvement in the treatment of LIMP. Also, the role of various factors was analyzed—parameters of the laser pulse—energy, pulse duration and pulse repetition rate, absorbing ability of the target material and its plasma properties, contact density of the target and the sample, etc., value, as well as conclusions about the optimal parameters of the resulting confinement laser-induced plasma (CLIMP) (Veiko et al. 2017).

The physical principles underlying the CLIMP processing, when the material is processed not directly, but through a micro-plume of compressed microplasma, can be used to create a relief on various materials, for example, silicon. Due to its physical, optical, chemical and other properties, silicon is widely used in optics and microelectronics. Typically, photolithography is used to make silicon microstructures, such as diffractive optical elements (DOE) (Morgan et al. 2004). Despite having a higher resolution and the better quality of the resulting structures, photolithography is more complex and has a higher processing cost, especially for small-scale production. One has to put up with these disadvantages if there is a need to make complex multi-level DOEs. When the requirements for resolution and relief quality are not so high, LIMP methods can be used for processing.

The presented study shows the possibility of crystalline silicon processing by a C02 laser-induced micro-plume. The principle of operation of this method is similar to LIPAA and LIBBH processing. As a result of the study, diffraction phase gratings (DPG) on the silicon surface were designed and manufactured, which were then successfully tested and used to split the C02 laser beam.

2 Experimental details

For the processing of the silicon by a laser-induced plume we used a C02 laser with a wavelength of X= 10.6 (rm, operating in a quasi-continuous mode with a pulse duration of =200 |rs and a pulse repetition rate of =5 kHz. The radiation was linearly polarized with a Gaussian beam profile and a divergence of 2 mrad. Crystalline silicon with the following characteristics was used as a sample for processing: thickness Da 300 |rm, transparency at the laser wavelength 0.3 (determined experimentally), refractive index n = 3.4179 (Chandler-Horowitz and Amirtharaj 2005), roughness Rz = 0.17 microns. To generate the plume, laser radiation was absorbed in a fused silica plate with an absorption coefficient at the laser radiation wavelength of a = 642.82 cnrT1 (Kischkat et al. 2012). The target plate was in direct contact with the sample plate.

The production of DPG on silicon was carried out using the experimental setup shown in Fig. 1. The operation of a C02 laser (1) was controlled using a computer (2), which also controlled a two-coordinate drive-based Table (3) (DDSM "Thorlabs, Inc"). The laser beam reflected from a system of two gold mirrors (4, 5) and went through a germanium lens (6) with a focal length of/=25 mm, which formed a spot of size d0=30 [im on the

Fig. 1 Experimental setup for

grating fabrication. (1) C02 laser, (2) computer, (3) two-coordinate table, (4, 5) gold mirrors, (6) Ge lens, (7) silicon sample. (8) fused quartz

sample. A silicon sample (7) was located on a movable table. The silicon sample was covered with fused silica (8). The plane of contact between the sample and the target was located in the focal plane of the lens.

During processing, the radiation passed through a transparent sample and was absorbed by the target. The power density (105— 106 W/cm2) in this case was sufficient for the formation of a plume in the form of a high-temperature vapor-gas phase on the surface of fused silica. Under the influence of the plume, the surface of silicon was treated. In the treatment zone, the temperature of the plume was measured by the means of optical emission spectroscopy. An Avantes optical spectrometer with resolution of 0.26 nm and with a fiber output was used. Fiber end was fed to the plume. The recorded spectrum was approximated by the Planck function. At V= 0.5 mm/s and q0= 1.23 MW/cirr, the approximated curve with T = 3000 K quite accurately coincided with the experimental emission spectrum (Fig. 2). At smaller power densities, the temperature was lower.

Such temperature values were not sufficient for the ionization of the target in the vapor-gas phase and plasma formation, and the plume itself mainly consisted of neutral atoms (Si, O), molecules (02, SiO, Si02) and the corresponding particles that make up fused silica. However, the temperature was higher than the evaporation temperature of the sample. Thus, the main mechanism of the relief formation in this case was the shock-thermal elTect of the plume on silicon, leading to its evaporation.

Fig. 2 The emission spectrum of 1,2 -■-1-■-1-■-1-■-1-■-1-■-1-■- 1,2

the plume at V = 0.5 mm/s and <?0= 1.23 MW/cm2. Black line is emission spectrum, red line is intensity approximation on 3000 K

0,0

0,0

400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength

The surface of the formed elements was studied by the means of optical microscopy using a Carl Zeiss Axio Imager microscope in the reflected mode. The gratings topography was studied in detail using a Hommel Tester T8000 contact profilometer.

3 Results and discussion 3.1 DPG study

The depth of the formed relief could be controlled by changing the power density of the laser radiation and scanning speed. It was determined experimentally that with increasing power density, at a scanning speed of V=0.5 mm/s, the relief depth increased up about 6 nni (Fig. 3).

The production of DPG with an area of .S' =25 mm2 at a scan speed of V=0.5 mm/s took about 15 min. In contrast to the LIBBH method, where graphite particles settled on the sample surface after processing, so that an additional cleaning operation was required (Kostyuk et al. 2017), in this work, the destruction products of the target were similar to silicon and did not contaminate the sample surface. This feature excluded an additional cleaning step after processing.

Figure 4 shows a photo of a DPG with p=70 |im and an average relief depth about /; = 3 |am (first grating) which was made with % = 0.59 MW/cm2. Figure 5a shows the DPG with p= 90 |im, /) = 5 |am, <y0 = 0.82 MW/cm2 (second grating), and Fig. 5b shows the DPG with p= 100 urn and /? = 6 |im, q0= 1.23 MW/cm2 (third grating). Using the prolilometry data, three-dimensional images of the second and third DPGs were constructed (Fig. 6).

Interaction with DPG leads to a change in the phase of electromagnetic radiation and the splitting of one beam into several due to diffraction phenomena. In this case, the final intensity distribution depends on the radiation parameters, the material, and the relief parameters of the diffraction element.

To calculate the diffraction efficiency in ± 1 diffraction orders the model for gratings with a V-shaped relief was used (Rajkumar and McMullin 1995). In this case, the

Fig. 3 Dependence of the relief

depth on the power density at the 7 -

scanning speed V = 0.5 mm/s

6-

5-

E

3 4-

3-

2- t

0.4

0.6

0.8

q0 (MW/cm2)

1.0