Метод лазерно-индуцированной микроплазмы при создании волоконного интерферометра Маха-Цендера для сенсорных применений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Цай Шухао

• Цай Шухао
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Цай Шухао

Реферат

Synopsis

Introduction

Chapter 1. Micromachining for optical fiber and sensing applications. Literature review

1.1 Ultraviolet laser micromachining for optical fiber

1.2 Focused ion beam micro & nano machining for optical fiber

1.3 Femtosecond laser micromachining for optical fiber

1.4 Laser-induced micro-plasma for fused silica micromachining

1.5 Problem statement

Chapter 2. Fiber Mach-Zehnder interferometer fabricated by laser-induced micro-plasma following chemical etching and its application in refractive index sensing

2.1 The working principle and fabrication of FMZIs

2.2 The inspection and initial tests of the in-fiber micro-cavities

2.3 The refractive index sensing

2.4 The refractive index sensitivity

2.5 Conclusion for chapter

Chapter 3. Fiber Mach-Zehnder interferometer fabricated by laser-induced micro-plasma

3.1 The FMZI fabrication

3.1.1 The fabrication processes

3.1.2 The evolution of micro-cavity

3.2 The FMZI micro-cavity size adjustment and sensing

3.2.1 The adjustment principle and experiment

3.2.2 The refractive index sensing

3.3 Conclusion for chapter

Chapter 4. Highly sensitive vector magnetic field sensors based on fiber Mach-Zehnder interferometer

4.1 The process of fabrication

4.1.1 The FMZI fabrication

4.1.2 Making the vector magnetic field fiber sensor

4.2 Sensing the vector magnetic field

4.2.1 The field strength

4.2.2 The field orientation

4.3 The interpretation of highly sensitive vector sensing

4.4 Conclusion for chapter

Chapter 5. Fiber Mach-Zehnder interferometer micro-cavity length adjustment in tens of nanometers for sensing system miniaturization

5.1 Fine tuning the interference length of FMZI

5.1.1 The principle of resonant wavelength shift

5.1.2 The micro-cavity length adjustment by chemical etching

5.2 Miniaturization of the FMZI sensing system

5.2.1 From spectral analysis to intensity measurement

5.2.2 The miniaturized FMZI sensing system and measurement

5.3 Conclusion for chapter

Conclusion

Bibliography

Publications

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод лазерно-индуцированной микроплазмы при создании волоконного интерферометра Маха-Цендера для сенсорных применений»

Актуальность темы

Доктор Чарльз Као в 1960-х годах впервые предсказал возможность изготовления оптического волокна с очень низким коэффициентом затухания [1]. Результаты его работы вызвали быстрое развитие технологий связи на основе оптоволокна за последние пятьдесят лет. На основе технологии волоконной связи развивались и волоконно-оптические датчики, которые благодаря своей совместимости с технологией волоконной связи обладают беспрецедентной гибкостью. Кроме того, волоконные датчики обладают такими преимуществами, как малый вес, компактные размеры, устойчивость к электромагнитным помехам, возможность мультиплексирования, одновременное измерение двух или более измеряемых величин и использование в различных средах [2]. В связи с вышеупомянутыми достоинствами интенсивно изучаются различные волоконные датчики, основанные на различных физических принципах работы: волоконная брэгговская решетка, длиннопериодная волоконная решетка, волоконный интерферометр Маха-Цендера, волоконный интерферометр Фабри-Перо, волоконный интерферометр Майкельсона и волоконный интерферометр Саньяка.

Среди всех волоконных датчиков, волоконный интерферометр Маха-Цендера на основе микрополости очень чувствителен к внешней среде [3], в то же время, зона его чувствительности ограничена только удаленной областью сердцевины волокна, что демонстрирует преимущества в областях применения, требующих высокой чувствительности в конкретной точке измерения [4]. Благодаря своей структуре, подобной микрократеру, некоторые другие чувствительные материалы могут быть встроены в эту структуру для расширения измерительных возможностей или характеристик. Основываясь на этом принципе, помимо основной способности измерения показателей преломления, предлагаются другие виды датчиков: датчик температуры,

биосенсор, датчик магнитного поля, датчик солености и т.д. Однако, поскольку оптическое волокно состоит из твердого и хрупкого плавленого кварца, и удаляемая структура довольно глубокая (около половины диаметра волокна), для ее непосредственного изготовления требуется оборудование высокого класса, такое, как сфокусированный ионный пучок, лазер ультрафиолетового диапазона или лазер с ультракороткой длительностью импульса. Таким образом, требуется более доступный метод изготовления микроструктур в оптическом волокне для формирования волоконного интерферометра.

Для микрообработки коммерческого одномодового волокна ^МР-28, материал - кварц) в настоящее время применяется ограниченное количество методов.

Помимо существующих методов, таких как обработка сфокусированным ионным пучком, лазерным излучением ультрафиолетового диапазона и ультракороткими лазерным импульсами, существует еще одна группа методов микрообработки плавленого кварца, называемых лазерно-индуцированной плазменной абляцией [5], которые разработаны для обработки плоских поверхностей оптических деталей, но они так же могут быть применены для оптических волокон. В основе этих методов лежит использование вспомогательного материала для генерации лазерно-индуцированной плазмы, которая удаляет плавленый кварц для создания различных микроструктур на его поверхности. В этой группе методов требуется только обычный наносекундный лазер, что значительно упрощает экспериментальную установку и делает ее доступной для исследовательского сообщества и практической реализации.

Среди этой группы методов микрообработки один, называемый методом лазерно-индуцированной микроплазмы, предложен и разработан в лаборатории под руководством профессора Вейко Вадима Павловича [6]. Метод был успешно применён для микрообработки прозрачных материалов, и создании различных оптических устройств. Основным направлением

применения этого метода является микрообработка поверхности пластин плавленого кварца, микрообработка оптического волокна так же возможна, но не предпринималась.

Целью диссертационной работы является разработка метода изготовления интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости в одномодовом волокне с помощью наносекундной лазерно-индуцированной микроплазмы для создания датчиков показателя преломления жидкостей, датчиков напряженности и направления магнитного поля.

Задачи работы

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

Исследование и анализ существующих методов микрообработки оптического волокна для изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера.

Разработка метода изготовления интерферометра Маха-Цендера на основе микрополостей с помощью наносекундной лазерно-индуцированной микроплазмы и последующем химическим травлением.

Исследование свойств изготовленного волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости и его применимости для измерения показателя преломления жидкостей.

Оценка чувствительности изготовленного датчика путём измерения показателей преломления жидкостей.

Разработка одноэтапного метода изготовления интерферометра Маха-Цендера на основе микрополостей с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы.

Исследование процесса изготовления микрополости в оптическом волокне методом лазерно-индуцированной микроплазмы и регулировки размера микрополости перемещением фокальной плоскости.

Разработка датчика напряженности и направления магнитного поля на основе волоконного интерферометра Маха-Цендера.

Оценка чувствительности изготовленного магнитного датчика путём измерения напряженности магнитного поля.

Разработка прецизионной регулировки размеров микрополостей методом химического травления для миниатюризирования сенсорной системы.

Методы исследования

В диссертации применялись экспериментальные методы исследования. В частности, метод анализа спектра пропускания волоконного образца: широкополосный источник излучения (1250-1650 нм) подключается к волоконным образцам, и спектр пропускания волоконного образца измеряется с помощью оптического анализатора спектра Anritsu MS9710C. Также использовались методы оптической микроскопии для определения параметров изготовленных микрополостей с помощью оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Imager. Измерения напряженности магнитного поля выполнялись магнитометром Gauss-meter DX-102. Обработка экспериментальных данных осуществлялась при помощи программы OriginPRO.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Впервые предложено применение наносекундной лазерно-индуцированной микроплазмы в микрообработке оптического волокна с последующим химическим травлением для разработки волоконных интерферометров Маха-Цендера на основе микрополости.

2. Предложен способ регулировки размера микрополости волоконного интерферометра Маха-Цендера, состоящий в перемещении плоскости фокуса

при взаимодействии лазерно-индуцированной микроплазмы с оптическим волокном.

3. Предложен метод регулировки размера микрополости волоконного интерферометра Маха-Цендера до десятков нанометров химическим травлением, позволяющий настраивать спектр пропускания на необходимую длину волны.

Практическая значимость

Практическая значимость представленной диссертационной работы заключается в предложении методологических, конструктивных и технологических основ создания волоконных интерферометров Маха-Цендера на основе микрополостей, в частности, для сенсорных применений:

1. Применение наносекундной лазерно-индуцированной микроплазмы для микрообработки оптического волокна позволяет создавать микрополости в волокне для изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости.

2. На основе изготовленного волоконного интерферометра Маха-Цендера создан волоконный датчик для определения показателя преломления жидкостей с чувствительностью до -20048 нм/ЯШ.

3. Изготовлен волоконный интерферометр Маха-Цендера на основе микрополости одноэтапным методом лазерно-индуцированной микроплазмы отличается высокой скоростью изготовления - менее 48 с, при этом время обработки не зависит от размера микрополости.

4. Разработан датчик магнитного поля, основанный на комбинации изготовленного волоконного интерферометра Маха-Цендера и магнитной жидкости, который обладает способностью к векторному зондированию с высокой чувствительностью до 64 нм/мТл.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение наносекундной лазерно-индуцированной микроплазмы для микрообработки оптического волокна с последующим химическим травлением позволяет изготовить микрополость в волокне для создания волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости, который может использоваться в качестве датчика показателя преломления жидкости с чувствительностью до -20048 нм/ЯШ.

2. Перемещение плоскости фокусировки по нормали к поверхности графитовой мишени в области формирования лазерно-индуцированной микроплазмы при её взаимодействии с оптическим волокном позволяет одноэтапно, без промежуточного химического травления изготовить волоконный интерферометр Маха-Цендера на основе микрополости с регулируемыми геометрическими размерами.

3. Построение волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе сформированной в волокне асимметричной микрополости с использованием магнитной жидкости при её прямом взаимодействии с оптическим излучением интерферометра, позволяет изготовить магнитный датчик с возможностью векторного зондирования при повышенной до 64 нм/мТл чувствительности.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием надежных физических и математических методов, воспроизводимостью экспериментальных результатов и согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными в ходе работы, и с экспериментальными данными других авторов. Результаты были представлены на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Внедрение результатов работы

Результаты работы были использованы при решении научно-практических задач в компании ООО «ФСЛ Групп», занимающейся разработкой волоконно-оптического оборудования, что подтверждается актом внедрения №1 от 04.09.2023.

Апробация результатов работы

Результаты работы были представлены в виде устных или стендовых докладов на следующих российских и международных конференциях:

1. Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (APCOM-2022), October 2-6, 2022, Vladivostok, Russia.

2. INTERNATIONAL SYMPOSIUM Fundamentals of Laser Assisted Micro- & Nanotechnologies (FLAMN-22), June 27 - 30, 2022, St. Petersburg, Russia.

3. The 10th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies (AOMATT 2021), June 14 - 17, 2021, Chengdu, China.

4. VII конгресс молодых ученых (КМУ-2018), Апреля 17 - 20, 2018 Санкт-Петербург, Россия

Личный вклад автора

Приведенные в диссертации результаты исследований, составляющие её научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его непосредственном активном участии.

Публикации

Основные научные результаты диссертации описаны в 4 статьях, которые индексируются в научных базах данных Scopus и Web of Science.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал диссертации имеет общий объем 187 страниц, в том

числе 146 страниц основного текста, 39 рисунков, 1 таблицу и список из 126 использованных источников.

Содержание работы

Во введении поясняется актуальность диссертации, показывается научная новизна и практическая значимость исследования, уточняются цели и задачи работы.

В главе 1 представлены общие сведения о волоконных датчиках на основе микроструктур, которые обладают следующими преимуществами: малая масса, компактные размеры, невосприимчивость к электромагнитным помехам и возможность использования в различных средах; существующие и возможные методы изготовления микроструктур в оптических волокнах. В разделе 1.1 рассматривается микрообработка оптического волокна лазерным излучением ультрафиолетового диапазона. Описан физический механизм микрообработки плавленого кварца лазерным излучением ультрафиолетового диапазона, приведены геометрические параметры структуры в процессе изготовления и проиллюстрирована одна типовая установка. Обсуждаются недостатки изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости полученной с помощью ультрафиолетового лазера. В разделе 1.2 уделяется внимание нано-и микрообработке оптического волокна сфокусированным ионным пучком. Описан физический механизм и его геометрические параметры. Обсуждаются недостатки изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости полученной с помощью сфокусированного ионного пучка. Раздел 1.3 посвящен микрообработке оптического волокна лазерным излучением фемтосекундной длительности. Процесс микрообработки реализуется на основе многофотонного поглощения. Подробно проиллюстрирована типовая экспериментальная установка и показан процесс изготовления. А также, для оптимизации видимости полосы пропускания спектра, чувствительности, воспроизводимости обсуждаются

характеристики изготовленного волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости. Кроме того, объясняются недостатки изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости фемтосекундным лазером. В разделе 1.4 представлен метод микрообработки плавленого кварца с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы. Основываясь на принципе работы, полученном из анализа литературы, лазерно-индуцированная микроплазма является возможным методом микрообработки оптического волокна, при этом, она обладает некоторыми преимуществами по сравнению с вышеупомянутыми методами.

В главе 2 представлено изготовление волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости полученной с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы и последующего химического травления. Производственный процесс включает в себя волоконный лазер с наносекундной длительностью импульсов и простую настройку. После химического травления микрополости, подвергнутой плазменной обработке, изготовленные волоконные интерферометры Маха-Цендера демонстрируют высокую чувствительность до -20048 нм/Ыи при измерении показателя преломления жидкости от 1,3550 до 1,3638.

Раздел 2.1 описывает принцип работы и процесс экспериментального изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера на основе микрополости полученной с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы и последующего химического травления. Исходя из физического принципа, с помощью уравнений установлены зависимости спектральных характеристик пропускания от геометрических параметров микрополости, в том числе интерференционного провала, свободного спектрального диапазона и чувствительности при измерении показателя преломления от длины Маха-Цендера и эффективной разности показателей.

После теоретического описания экспериментальная схема представлена на рисунке 1. Здесь используемый коммерчески доступный волоконный лазер, легированный иттербием, имеет центральную длину волны 1,064 мкм,

выходную мощность до 20 Вт, частоту повторения 30 кГц и длительность импульса ~100 нс. Отрезок одномодового волокна Corning SMF-28 очищается от покрытия и плотно помещается между тонкой пластиной плавленого кварца и блоком полированного графита. Объектив микроскопа с большим рабочим расстоянием фокусирует импульсы наносекундного лазера на глубине ~100 мкм под поверхностью графита, после прохождения через пластину плавленого кварца и волокно SMF-28. Когда графит перемещается в направлении X со скоростью 0,5 мм/с, сфокусированный лазерный луч вызывает генерацию микроплазмы на графите, которая затем удаляет часть волокна. При этом волокно также служит микро-цилиндрической линзой, а фокусирующее пятно на поверхности графита имеет эллиптическую, а не круглую форму. Для измерения свойств пропускания излучение широкополосного источника вводится в волокно, и спектр проходящего света контролируется с помощью оптического спектроанализатора в процессе обработки.

Рисунок 1 - Установка для микрообработки одномодовых волокон методом лазерно-индуцированной микроплазмы.

После микроплазменной абляции проводится процессы химического травления и очистки. Раствор плавиковой кислоты ОТ (10 мкл, 40 об. %) помещают в микрополость для травления и сглаживания поверхностей. Когда среднее значение пропускания уменьшается до ~5%, в раствор ОТ капают еще 100 мкл деионизированной воды, чтобы замедлить процесс травления. В начале травления общее пропускание уменьшается, но форма спектра остается неизменной. Эффект интерференции начинает проявляться через несколько минут после начала ОТ травления, и спектры пропускания начинают постепенно изменяться с 13 до 38 минут соответственно, что представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Спектры пропускания волоконного интерферометра Маха-Цендера в процессе травления плавиковой кислотой.

Раздел 2.2 посвящен проверке полученной микрополости и первоначальному испытанию волоконного интерферометра Маха-Цендера. Используется три основных параметра для представления геометрии микрополости в форме кратера на рисунке 3(а): ширина дна А, ширина верха В2 и глубина Н, которые составили 39,3, 55,8 и 64,2 мкм соответственно. Хотя их недостаточно для описания микрополости неправильной формы, они являются необходимыми параметрами для объяснения основных свойств пропускания, в особенности 0\ и Н. Спектры пропускания для образца с микрополостью измеряются когда он погружен в различные среды: воздух (черная кривая), воду (красная кривая) или раствор №0 (синяя кривая),

соответственно, как показано на рисунке 3(б). Это указывает на то, что величина свободного спектрального диапазона сокращается, в то же время разница в показателях преломления двух плечей интерферометра увеличивается, поскольку воздушная линия имеет минимальный свободный спектральный диапазон с наибольшей разницей в показателях преломления, что хорошо согласуется с теорией, изложенной в разделе 2.1. Между тем, на основе этих спектров рассчитанная длина Ь волоконного интерферометра Маха-Цендера составляет 39,8 и 40,1 мкм, соответственно. Измеренная ширина дна (Э1 ~ L) на рисунке 3(а) составляет 39,3 мкм, что что подтверждается данными пропускания.

D:=55.8 ЦТ 1

Core i 1 к)

-ГГ~ ~Т--- Di=39.3 цш

50 цт

(б)

со

с

0 «

1

-5 -10 -15 -20 -25-30 -35-40-

-1.0 -1.3333 -1.3357

fA te

*с

1400 1500

Wavelength (nm)

Рисунок 3 - (а) Микроскопическое изображение изготовленной микрополости, погруженной в раствор этанола; (б) Спектры пропускания волоконного интерферометра Маха-Цендера в воздухе, воде и 1,5% растворе

№С1 соответственно.

В разделе 2.3 описано применение изготовленного волоконного интерферометра Маха-Цендера для измерения показателя преломления. Содержание растворов этанола составляет от 40 до 70 об. % с соответствующими показателями преломления от 1,3550 до 1,3638. На рисунке 4(а) показаны спектры пропускания изготовленного датчика на основе волоконного интерферометра Маха-Цендера в различных растворах этанола. Наблюдается, что резонансная длина волны смещается в коротковолновую часть спектра постепенно по мере увеличения показателя преломления раствора этанола. Это хорошо согласуется с теорией о том, что

резонансная длина волны уменьшается по мере увеличения показателя преломления жидкости. Следовательно, показатель преломления растворов этанола может быть получен по сдвигу провалов спектров, как показано на рисунке 4(б). При измерении, с помощью линейной аппроксимации, достигается высокая чувствительность -20048 нм/ЯШ в диапазоне измерения показателя преломления от 1,3550 до 1,3638.

-10-

S -15-Нс -20-

0

1 -25 -£

g -30-(Q

£ -35-40-45--

1200

Wavelength (nm) Refractive Index (RIU)

Рисунок 4 - (а) Спектры пропускания изготовленного датчика интерферометра Маха-Цендера в различных растворах этанола. (б) Сдвиг резонансной длины волны в зависимости от показателя растворов этанола.

В разделе 2.4 рассматривается чувствительность изготовленного волоконного интерферометра Маха-Цендера с различной длиной микрополости. Чтобы исследовать влияние длины интерференции волоконного интерферометра Маха-Цендера для измерения показателя преломления, были изготовлены еще два образца с длинами волоконных микрополостей L (Di) 52 и 70 мкм. Достигнутые значения чувствительности составляют -18565 и -18939 нм/RIU при L = 52 и 70 мкм соответственно. Однако для другого образца волоконного интерферометра Маха-Цендера, в ситуациях, когда L значительно увеличивается, порядок интерференции m также увеличивается так как спектрометр, на котором проводились измерения был настроен на один и тот же спектральный диапазон. В этом случае начальная фаза также могла измениться, учитывая погрешности изготовления микрополости. Таким образом, для образцов волоконного интерферометра Маха-Цендера с различной длиной, эффективная

чувствительность может незначительно колебаться с учетом всех факторов. Раздел 2.5 содержит основной вывод для главы 2.

В главе 3 представлен подробный анализ процесса изготовления волоконного интерферометра Маха-Цендера с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы, а также продемонстрирован простой метод регулировки размера микрополости. Процесс изготовления разделен на 4 этапа: (1) теплопередача, (2) формирование микроплазмы, (3) расширение микроплазмы и абляция, (4) охлаждение и формирование микроструктуры. Основываясь на анализе процесса изготовления, размер микрополости регулируется только перемещением положения плоскости фокусировки, при этом время изготовления не увеличивается. Изготовленные волоконные интерферометры Маха-Цендера обладают высокой чувствительностью до -15811 нм/RIU при измерении показателя преломления жидкости.

В разделе 3.1 описываются процесс изготовления микрополости с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы и её эволюция. По сравнению с абляцией на плавленом кварце, здесь волокно также служит микро-цилиндрической линзой, которая еще раз фокусирует лазерный пучок, как показано на рисунке 5(а). Процесс изготовления микрополостей методом лазерно-индуцированной микроплазмы в волокне разделяют на 4 основных этапа: (1) теплопередача, (2) формирование микроплазмы, (3) расширение микроплазмы и абляция, (4) охлаждение и формирование микроструктуры.

(а) Laser beam (б)

Fused silica

Рисунок 5 - Схема изготовления волоконного интерферометра Маха-

Цендера в зоне обработки с помощью лазерно-индуцированной микроплазмы. (а) Теплопередача, (б) образование микроплазмы, (в) расширение микроплазмы и абляция, (г) охлаждение и формирование

микроструктуры.

Как показано на рисунке 6, размер В2 микрополости практически остается постоянной после 1 -5 сканирований при одинаковых условиях фокусировки, когда поверхность графита совпадает с фокальной плоскостью, размер В2 микрополости остается около 51 мкм, несмотря на увеличение количества сканирований с 1 до 5. Аналогично, на графитовой поверхности, расположенной выше фокальной плоскости на 600 мкм, размер В2 микрополости остается около 101 мкм без влияния числа сканирований. размер В2 микрополости определяется расстоянием между поверхностью графита и фокальной плоскостью, которое будет подробно исследовано в разделе 3.2.

—I—■—I—■—I—■—I—■—I—■—I—^о

0 1 2 3 4 5

Number of scans

Рисунок 6 - Динамика изменения размера D2 микрополости и глубины H микрополости после сканирования микроплазменной обработки от 1 до 5. Мощность лазера 8,5 Вт и 14,5 Вт соответствует поверхности графита, расположенной в фокальной плоскости и выше фокальной плоскости на 600

мкм соответственно.

Глубина Н микрополости изменяется иначе, чем размер В2 микрополости, описанная выше. Глубина Н микрополости увеличивается по мере продолжения микроплазменной обработки, как показано на рисунке 6. Глубина Н микрополости увеличивается преимущественно после 1-го сканирования микроплазменной обработки, поскольку при 1-й обработке, как обсуждалось выше, отсутствует микро-зазор между графитом и волокном, что приводит к увеличению интенсивности лазерно-индуцированной микроплазмы. Позже, исключая случайность экспериментов, глубина Н микрополости продолжает увеличиваться с небольшой тенденцией к замедлению роста, возникающей в результате увеличения микро-зазора между графитом и волокном.

В разделе 3.2 описываются регулировка размеров микрополостей перемещением плоскости фокуса и проверки чувствительности изготовленных волоконных интерферометров Маха-Цендера. Экспериментальная схема регулировки размеров микрополости проиллюстрирована на рисунке 7(а). Размер пятна лазерного пучка на поверхности графита определяется расстоянием d между поверхностью графита и фокальной плоскостью, как показано на рисунке 7(а). Чем больше размер пучка, тем больше размер микрополости. Основываясь на этом принципе, для изготовления образцов волоконного интерферометра Маха-Цендера фиксируется расстояние й от 0 до 600 мкм. Изготовленные образцы наблюдаются с помощью оптического микроскопа, после чего измеряется размер Эг микрополости и длина интерферометра Маха-Цендера, как показано на рисунке 7(б).

Экспериментальные результаты демонстрируют линейную зависимость, что хорошо видно на рис. 7(б). Линейная зависимость размера В2 микрополости от расстояния й объясняется в разделе выше. Для аналогичных кратероподобных микрополостей длина интерферометра Маха-Цендера линейно зависит от расстояния й.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Цай Шухао, 2023 год

-■Û -

лъ-

го-

о

...

aç-

с JD-

Î

К -35-

ЛО

* l ЭИй--1 Í57Ü

-1.Э500-1 Ш

и»«в —ittst

I.KÜB

1-4LÚ 1«0

Wewttongili <nml

1 354 S.lSt 1.Н* 1 ïto ii.162 1 K4-RhTTJ1I:CÍVH Indni iRIM'l

Ид. 6. C4 TjdObmiúfr.ui -риЗш J lb= Lu¿..*t-J FV.~I ысшлi in -üJJaail cdujhJ SllriaL (Ъ) 1Ъе i«nul шиЬ^Ъ Jiifl fe, 13k íb±j ..<J c Úu ikJ x-juli-.ub.. {Fui iiílaj.u-tía LK.UI étf ibc кЬакс^ fc «йЛбяй in fliib. JJÍIIJC к^.атД 13к JCM Ja i. jcfcjjc J X.' âic *ci' Ki¿m uf thÀ Slidt)

with Llit! remits achieved with Ь laser I abri caled a rap Jes [5]. An in, as the indica live par aine 1er is the re л м Lan I wavelength shift instead oí du: intensity ¡l:¡eJl, I lie surface TougluieES due not, :n.guilicautlv a Heel die measurement accuracy .

Util iv.ii i j; the dala J mm tJie .green spfit tr атп {Jut i id ex of 13590) in Pijj, the iiufcjc sensitivity SK¿ b calculated to be -21 OCH rera/RlD based on Eqs. (2) & [iL The liieoTetical а limal.MiL b in good agree mail I wit kin vrilJi the ex]>er im entai value. Another lactor Lo be considered für bulex sensPLg ¡a I lie te injiera lure cruss seiualiv il v. SbLce die lemjwalwe cíe Hicienl of re Inactive i ndex U* el ha nd solution h ai dLe order о I 10""/'С, which b ihlc order ol magín lude higher I kan I lia I fused silica {typically at iJie onler of 10"-'/■CJ, we ha w placed osut .■ml, PLg experiraeiis inside a cleaunwun !■::■ minan ие the Lem]>er ature en ra seusti vity. Tlie cleannwin temperature и inainlained at ±1 which corresponds Loan bulex с I Lange of -10^ о I Ihe el liano 1 ss »In I ion and results in a wavelength shift of ~2 шп hi IJ Le FMZI setup. Titus, die system's bulex rata sure men I iLUcerla pity is Jimiled U> --10"4 due i> the LeinpeiaLure induced relíacl ive index ckaiqge pl I ke cleanruum setup. bi practice, if the index sens i ng dev ice is set at an env iríiimenl of Ьцч: fcraperatraC Il iictuatMiL, the le тгцжг alure cross sensitivity should Le J urther analy ved J or exclus oil.

.3 J. Pisoisaunj

To iuwstigale tlie inll пенсе ti I he interference length ol FMZI tfcvicts I от iiukx sensitg, I wo тем »re Eber micro cavil y sample with len.glk I [ Г>| j of 52 and fiir. have Leen laLricaled. "Hie lalxricaljou

1 ГГ.]

1,Н -

1«9

13W ■

Г

— lílil.

Z мм -

! мш

■s

es

им ■

1 ЕЯ ■

■ Li

■ TD МП

^^Lpg V II od []Z дт

-Lind V II od TD jm

LamHa ■ -185Н Rl

B!=ÛS07ST

LùrtSdi --1Э939 ' RI *27Ш

Rr=(JWfp4

1isw i№t i ira ISM

1ж1«к (RU)

Fig- 7. 71k i«mkl Mibdci^baJiifl Л. Tbc ¡ala uf т w.OutK.ub f-j

FVETL. uf iiikairjгзкг fcxríjh (ú) L « 32 [_ns. jjü Ъ> L - Ю цщ.

procedure is identical lo Üiat pi Secliim 2. To ex]>and ll Le la лег beam on Ute ^ra]>hhe surface, tlie Z stage lias been mowd d«№mwards 20Q and JOD Jim, ns]>ec1jveJy. Meanwhile, llie irndialiii.i; laser jxjwct lias been adj usted to 11.5 and 13 W, nspectively.

When ike sime etlianoJ soJuti^Mis are la led Ut tlie liquid i lile ж .-¡eiL-nut;, Ihe TCHMiairi dips irf boLhsain]d« again .-¡ kill to slur 1er wave Jengtlis as the bulex of solution buraca. Fig. 7 presents the inea sûrement and linear fitting results ol LxriJi sampks. Tlie ackieved senslivili« are IS 565 and 1S4C19 шп/RIÜ für L = S and 70 [яп, re^wctiwly , sightly below thai ttf ÜLe Ural shorterFMZT^ainjjle. fSined oil Eq. [5L, lit; FMZI sensitivity is deckled by ÜLe inler lerence lenjj |Jl I , inlerlereiLce лт, aid biilial pliase . R>t a dillerenl FMZI .-airrjile,

iff. bicreasa slightly., dLe iubrlerence onlerm aid. PLitial jiiase ir¡ may also ckange acc-irdfaiglv due to tlie I a 1* ica I ion di.-jcrqxnLcv. Thus, I от difieren! FMZT samples oJ vaiyiujj leiqjllis, ÜLe el I eel ¡ « seiLslivily may no I be ]}тч»]нт I ional to tlie inlerlerence laiglk L but iiLvtead llucl uales by a snali a ire ж il I with all factors cuis idered, ses our mea sure men I dein<ils traies.

Гц atkiitHiL, due to tlie laiuknn nature of tlie laser induced micro p la an a ablation and liie subsequent etclLbi^ ртмизн, if b unlikely to produce liber micn> cavity sarnjMa of identical pkyscal ]xr<q>erlies ¡ nclu.di iL.ij tlie geome try and sur lace mugluuss. Tluwewr, as we liave ana lyzed and dercMHislraled inSecliuis 2 & .T, as altiig as liie aseii iaJ indicative ]^arameler is dLe пзоши! waveieugtJL at dLe trails miss ¡oil dip with decent frbige contrast, all oilier ]MLyscal ]xiramelen will uol aguificantly alfect. tlie index sensitivity. Tlie overall sensitivity of such fabricated FMZI devices is m tlie close range tí --20OD0 шп/ElL1, regaidJes of small discre]Kflu:ia in tlie phyacal structure. Fn»m sucIl a ]M3S]Kdive, the lairicatkHL rej>ealabilrly of tluse FMZI ^kvica is reasonably well.

Tn tlie rea Ii val i on of liber mi cn> cavities, typically, live scans or more of tlie ns laser pulses are required Jut better coiirul ol the elchiig dejMh; lu^wew, ÜLe number of scans can be reduced if ÜLe scanjLÍiqj .ijjeed is re dit ed. Furl her ire the FMZT lengÜL can be dianged by adjusting the distance between tlie к .cil-; plane and grapkile surlace, as demonstrated earlier, or with objectives trf dillereul sj>ecilicali<iLs. Overall, the micmlabrication metluxl wilh ns pulsed lasers, ewu with one extra stejj in TIF eldiing, b as Пела ble as tlie 1s lasers. While tlie achieved seustivity in index sensiiqj is ctvn]>arable dl LmkIJl scenar iiH, the ns laseT sc keine can be dealt wiIh a s i inj>le r setu]> and muclL тeduced budget for manulacfuring [ 17J.

4. Conclusion

In co]|Juso]l, the micro cavity based pl Ibie FM Zh have been pro posed and demonstrated by the laser induced micro plasma wíÜl ils

С Z IJüt£ M Я ci-goer ti iL

] Iii ж tl fiber I ж ers lir tlie lirrl time. The ] principle ol cjreralUn and ÜLe mi crol abri cation process is presented i il detail. "Die Iran-an is .a ou qjBLira of fabricated FMZTs bnraersed dl various soIuLmhls ara ex]>eri mentally analyzed J<r Lhe hidex tmls tug application. A high .-ml-; il i vi I y d -30048 mfi/RID в adiieved in index ranging Irora 1.3550 № 1J63S I w various elJianol sdutions, which is dl guod agreement with i lie tíie i я ell cal « I irn.aI.MiL. Our study Ülus <3>s3ls up a ltw oriental! ou in raicroraaclijuiug iniспиtrtfttlnfe dl optical Ubers with llie simpler and. mure a Honla Ые ils liber lasers.

The autluFS declare thai they have no Jtiuvni иигцжtiug Unan ciaJ DLterests or ]>ers<iia I relationship Ilia I. coukl have aj:j>eared Lo bdhie nee the wirk reixïled. dl this ixi]>er.

TI le au'Llur acknowledges I he scholarship I тчип I he CIl nia Solidar ship Council (201 the asastance d Evgeniy Yakwlev in

ГГМО Univers by, the supptrl. oí Xi a«» Ke'ai. The au IJ lots also mould like to thank Dr, Xi au Luuhiu at Nanjiiqj University ol Science and Techuoki'gy, Chbia, J «ж bis ig J i ll d discuss mhls and conlial help in the lali

This work is suponed by NSAF, ÖLina {No. U1830123), and the T0alj«ial N aluna I Science 1чкили1а1лт ol Омпа {No. fil627a02L

[1] V. v. Li, 4L Lkù, D. Vf M, Ymj, Г. 1ц HUI*lonpeAlUie тЦ liiitrj

iiiiiiij lui Ll-iJ liba in-line гпл-||-дludcj iiilcifauiiE Icj, Ш PluJ-yuij, TtJun.il.

LdL 22 £2009) 39-11 [2| M. Tet, SL 1л , W. HA, D.-K. КЩ W. ЗШ., 1-fi. ïdhn, 1С öh, j

iiiláibk inkbó übcj il*Ji-7.dubÍa inle fe moda, IEEE РЫЯслмсь

7« Jui4.il 1*U 31 0OO9> Ю27-ЗФН.

ОрйЬ Солльш^ 496 :"JEÜEJ/ 1Z715Û

[3] L JiM¡1, 1. Zbw, i WínJ, 1 У fibg. H Уало, ftnifc«mnd tafcf f¿¡hik*«l лЛ-

Épliâû Jitci íhbímí n iüi ultiJiii.li Jcii^tibc inda. úeibiliid . jradcliii£ шЛ

ajxjimcnU Í^JJL bpfcH 14 £M11} PS91-I7S9fi.

[4] 7.. Ii , С lito. Y. Wj Щ. X. Dtjjr, i. Lili, К YJftg, Q. J. ZIkîu, UlDjjkjbí йьс prL^lik-r iickx ïifati 1шаЗ Чт л, Млdi-Zduida iiïlaJa cunda СЖШЗ ли TWinecue GL« , ÜJÍL Ья . »

[э] X.-Y.. Sun, 3XJC Oí и, X-R. Dung, Н-Т. Ii, Y -W. Hu, X-Y. Пюи, J г A. Du«, Hi.j.lüh Mcááljhc iíiij . Lik-г ii»Jo ЛЪа inline Мл. Ii-Zr lude i inlaJcjumc Ia 1л Ъ-úiMtíl 1>к Рликг.тЛ -лi-J кл шкэv,mi,'Jiiiiiiir длЗ ¿ Iraiika I d-Jiiiiy., 0}iL Зло Tit J и nil. 77 11-lS

[ä| M. ЛЯ*. ЛХ »»airtte, M. Kûl», A. CdduJbb., WJ. Bul, M. Утиц Sc IL*I ib ¡ft juQn и Î.-J кдйкшахмкЗ кл т>л v.mi.JiiiK-J лмй jibinu.-jii«uni Úi-CLk- i VU. li—T.dui-Jí-1 ill le iTaun le А, Лм applied t■ uxull^äk id'oi-. ti и indu

ЯЛЙЩ ШЕЕ Sauiü Jeml 17 {ЗШ7> 35K-áí22 [7] Y. Лии, H. И и .-у, FL-.. Lï, J. Zlu/j, Bñiñ« vi uplfcäJ Gbcj M^Ji-ZduiJa

iñla Je i ene la ь н, i Iii iiaäR^^kjl) U-ikalnJ t>|i JoñlcMcauñl Ыял «J icjcjuif ^Jjilla.Ikwfa, Ojifc. iii EiijUKaiiif 117 üffli} 7-20.

[fi] Z. Ii, С liiö, D. С lim, J. Scag, W. Jin, G.-I1 TtaiJ, F. Zhu, Y. Wftui^, 1 Ht, Y. Wéji¿ Láld-tiír dcht üuñ <í tukiüc úa um ^Jbumiii tu^al ш лп iii-Jiba 4*U.Ji-7.dui-J-r i inlaJaumtSiä Lkâtnùui, OpL FJ.jucü ¡ 3D17I 171Ö5-I7113. [9] 1 Zhto, 1 Juiid. i ШЩ. H, ЗСии, Y. lu, HJ.. Tmi, Л Ц|1 fi J kkb-

Zduhla iiïlaJcjuiDda ИЬа »jku Ъ» 'JK-ilqj pi-^L oot in.,

bjwiü 11 (»]]} 54-âl. PO] FLfi. ¡"J Lfai,, F_ Mi nil, ka iiik глш IlÚlLié. il i ti аль^^к jiI

liutiuè,. uic №luntt2 1 [11] J. ZI и 11.*, KL SujitlU, ÏL MiJ.i iLmri, DifïJ U>ibl№ii vi BÜH^iMmfr IM Jibed 'Jiiilc Ъy lAa-inJuvE-J pLfiiiu- c-lilItlJ jLU.Ekjii Й ¡dl л Elf fuitri OpL

Ir п. 23 tlWfi} И&Й-1+ВВ. П31 FL Buluñc, К. 7 i m тс j, Б . HmucIkhL^L, L>a к. i-Je däliinj; аГ Iu>nJ

duc в OljUui Ца *lliri, AjfJ. Ayl A fil Г3Î3-3X. [13] Б. Hi'jijj, С Vbii, T. Smдг.1,| 7- Виц T'i lJlí. IÍl-ii иГ ïhiLmkàui»£c Jir-aJ

uJiiK 1лга -inJiKC-J Lu.:kahle Ji> dJiiiii. ti lui j>r, J. Pli|i. B. Afipl. Pbja. 35 +S43-+S+7. П41 V.r. Vcil-u, SA Vdkvb, Л А. ТЛкМж к, М.М. Sbjtíl, ЛА iwLfadbi, СХ }¿bl> uk, XA. Mikin, -i iJu-. -nJ intujikiu ЛЛ Ж lüul I-j Matbb u-.l uriiii. Ddibjuiail tzraiu. Qua iiIuiii Fin. üvii. 47 ¡3017] fii:. П31 в. H:.HH, T. kiut, T. í^kiiuJu, С. 1ЙЛ, Т. '".Л кД CA ЕаЛА, «хдтрляйьс

Я lfJk uT Л Ласл1 i idi к-Л W i Lu^ciJ хпе Jcbck^jc-J ka d^jiiuicúiii.i. иГ

Dmz*}im ail uulri ubi, J. l^a Шло/Шпссп.^ 5 ¡ KH 0; S0-S5. [lâ] Y. Wiiia, M. Yiug, D. Wi iia S 1 iu, P. lu, FiUa in-line \Лл Ji-ZduiJa iiila-laumdci LiIi LmIcJ L>¡. Jdul-u>e ^>id кл ml r.-iiu. liinin.j. Sixi Jciij^likc iudex лвьшакл! HÜlb 1. ^i мямйий», 1 Ojil. Söe. Ami. В 27 ¡20Ю| S70S74. [17] С Uli, Y. 1кч Т. Hi, Y. Эк; и, Ii Qrai, Y. □raii, Z. Xu, X Su£cLà, К

L i- ■ i"il j mî _ Fj Li i. -Ji. 41 ц[ Ци те —'1 ■ ггм-f г. i.- ■ iui ink PLiDuiJk dilññcL inside i li*

uïùg; MKbOLMiJ lui Jiia: I uniliii^ OpL Ед.ркш 20 <2012}

Declaration of coin pe Ling inLertaft

Ac know leJgme пЬь

Funding

Erfer « ces

Optical and Quantum Electranics UOJO) £2:1 IS httpa^/dai jong/'l 0.1 (M7/sl 1082-020-2202^

Features of fused silica ablation by laser Induced carbon mlcroplasma

CaiShuhao ■ Vladimir Rymkevich ■ Maksim Sergeev1-Andrey Samokhvalov1

Received: 26 February 2019 f Accepted: 9 January 20201 Published online: 7 February 2020 © Springer Science—Business Medis, LLC., part of Springer Nature 2020

Abstract

The features of surlacc structuring on the transparent material by laser-induced microplasma were studied and the intensity of its micnoplasma was measured. The formation of micro-relief by a series of nanosecond pulsed laser induced carbon microplasma in confinement mode oti the surface of fused silica were investigated und the measured intensity was compared with the features of micro-relief. The dependence of depth oi formed relief and track or the laser regime was determined. It is shown that the mechanism of mierostructure formation is dependent on multifaclor and associated with the ablation on the surlacc of fused silica by the microplasma. which exists quite long time alter the pulses.

Keywords Lascr-induccd microplasma ■ Ablation ■ Nanosecond pulses ■ Fiber laser ■ Surlacc structuring ■ Fused silica

f Introduction

It is well known that fused silica is one of the must important materials in microelecironics. optoelectronics. optics and fiber communication. It has high transmission in the range of wavelength Irom ultraviolet to infrared, excellent thermal and electrical insulation and high chemical stability (Zhang ct al. J y^Sct. On the other band, such excellent properties mate precision microfabrication of fused silica difficult, although the great demand of its fabrication technique in various industrial liclds (Zhang ct al. 1998a). For the intense investigations of researchers all over the world in the past two decades, up to now, several different methods exist tor the microl'abrication of fused silica, and laser plays a special role among them. On one hand, the short wavelength in vacuum ultraviolet (Herman ct al. 1997) or a ultra-short pulse widlh of the order of femtoseconds (Gattass and Mazur ZOOS) arc ulili/jcd to fabricate lused silica lor their good absorption and great flucnoc, respectively. However, these unconicntional lasers are not available lor most laboratories or factories, which limits the application of these methods. On the other hand, due to the low absorption of conventional pulsed laser (ultraviolet, visible and infrared) in fused silica, new diflerent

M Cri Shuliao

cais'tiLihaaHi'L'niajL.TU

1 IT MO Ummitj, 49 Kntsnnc rks-ty av.. Saint Fclcrcburfi. Russia. 197L01

lur iindAlfel

Optical and quantum Electron ics (2020) 52:118 httpsV/da'-org/lCLl (M7/sl 1062-020-2202^1

Features of fused silica ablation by laser Induced carbon microplasma

CaiShuhao ■ VladimirRymkevich ■ Maksim Sergeev1 ■ Andrey Samokhvalov1

Received: 26 February 2019 ! Accepted: 9 January 2020/ Published aniline: 7 February 2020 C> Springer Science-Business Media, LLC. part of Springer Nature 2020

Abstract

The features of surlace structuring on the transparent material by laser-induced microplasma were studied and the intensity of its microplasma was measured. The formation of micro-relief by a series of nanosecond pulsed laser induced carbon microplasma in coniinemcnt mode on the surface of fused silica were investigated and fhc measured intensity was compared with the features of micro-relief. The dcpcndcnce of depth of lormed relief and track on the laser regime was determined. It is shown that the mechanism of microstructure formation is dependent on multifactor and associated with the ablation on the surlace of fused silica by the microplasma. whicfi exists quite long time alter the pulses.

Keywords Laser-induced microplasma ■ Ablation ■ Nanosecond pulses ■ Fiber laser ■ Surlacc structuring Fused silica

f Introduction

It is wll known that fused silica is one of ihe must important materials in microelectronics, optoelectronics, optics and fiber communication. It has high transmission in the range of wavelength Irom ultraviolet to infrared, excellent thermal and electrical insulation and high chemical stability (Zhang ct al. 1998c). On the other band, such excel Lent properties make precision microfabrication of fused silica difficult, although the great demand of its fabrication technique in various industrial fields (Zhang ct al. l99Aa]. For the intense investigations of researchers all over the world in the past two decades, up to now. several different methods exist for the microfabrication of fused silica, and laser plays a special role among ihcm. On one hand, the shorl wavelenglh in vacuum ultraviolet (Herman el al. 1997) or a ultra-short pulse widlh of the order of femtoseconds (Gatlass and Mazur 2008) arc ulili/ed to fabricate liised silica lor their good absorption andgreal flucnoc, respectively. However, these uncomentional lasers are not available lor most laboratories or factories, which limits the application of these methods. On the other hand, due to the low absorption of conventional pulsed laser (ultraviolet, visible and infrared) in fused silica, new ditlcrent

M Cai Sliuliao

cai jhuhaa-Gi TnajL.ru

1 ITMO University, 49 Kramerisky Saint PctcTsburfi. RnHHia 197LCI

(R)

updates

features cf tus=d silica ablation by laser induced carbon,..

Page 3 ai 11 113

L

11

J * !r

3 / I-'

7

z

Fig. 1 Tbc cotifijuralitiii of the experimental >jIlp fior ablation of liiscd silica by laser-induccd carbon jnicraplasma: 1—nanosecond pulsed fiber ytterbium laser. 1—galvanometer scanner. 1—F-Tliela objective. 4 —fused s-ilica, 5—graphite plale. 6—platform with Lwo devices of freedom X and V, 7—PC, К—optica] ЛЬег. У—liifih-speed теsponse pTiotodjodc. 10—ptitKlimiultiplier Lube. II—oscilloscopc

controlled by professional software in the personal сотри tier (7). The measurement part consists of high-speed response photodiode (9) iThorlabs DETIOA/M. up to 1 GHz), optical fiber tS), pholomultiplicr tube (LQJ an J oscilloscope fTcktronix TDS 3052C).

The photodiode was covered by the 1.06 цт filter to detect only the laser beam signal and connected with the tlr&l channel of oscilloscope, the signal of laser-induced microplasma was received by the optical fiber and amplified by Lhc photomultiplicr then connected to the second channel of oscilloscope. The oscilloscope worts in single sequence acquisition mode, the measurement result was obtained in Fig. 2 under the condition of laser of power 5.33 W for the single pulse, and the series pulse result will be showed later.

The carbon film deposited on the utmost relic I' or the track in the process of laser ablation on the surface of fused silica is cleaned by the method of wet laser cleaning in the same experimental sclup without the measurement part. In order to analyze more detail, the obtained samples are delected by optical proiilomctcr Zygo ZeSeope. The accuracy of optical proii lomctcr in the vertical direction up to 0.1 nm.

3 Rwults and discussion

The micro-relief on the surface of transparent maie riais is Ibrmed by nanosccond pulscd laser-induced microplasma (UMP), The mcctianisms of micro-relief Ibrmation on llic surface of fused silica in the case of UMP are eomplicated and dépendent on mullifaetor proccssc s. Àccording to the past investigations from diflcrcnt re se archers, in the most clementary case, aller irradiation of a laser puise, iirslly oecurs graphite heating. then ils sublimation (evaporation) and microplasma Ibrmation. finally high température and high densily carbon plasma destruets fused silica. Howcvcr. ihe mcchanisms and prooesses are much more complcx lhan above description, and the case ol'mul ri-puise ablation remains uninvestigaled. The reasons that the size of micro-relief grows (dJ une ter and depth) from puise to puise up to saturation is still unclcar. In the

ü. : i

Ч

Features of tus=d silica ablation by laser induced carbon.

Page 5 of 11 113

Fig. 3 Schcmc oithc cipc rinnt; n-tal square array

^ ф ф ^^

0ШФФ © ® 9 ®

Офффл

-

10

10

To exclude the accumulation of energy on the formation of microplasmaon the substrate material, a delay is taker to cool the irradiated area to the initial temperature baited on the formula

Г(х.Г) =

2

\fr - Ittfc

(zv^)

- i/r— г ' ierft l

2

where .vis the depth in ihe material graphite. m: A is the absorption of graphite; qit— power density, W/m1; a—thermal diflusivily. m2/s; к—thermal conductivity. W/(m-K); r—the cooling time, s; r is the pulse duration, s; TT.vj) is the sample temperature at certain depth and time, K: is the initial temperature, K. According to ihc formula (I), when we input the initial temperature (room temperature) 293 K. alter 10 s the temperature on the irradiated surface of graphite is 294 K. this can be considered totally be cooled dewn to the initial temperature.

Thus, the irradiation of nest pulse on the same spot has to wait lor 10 s. The fulfillment of ihis condition required the development of an algorithm to write the array optimally, since if one waits for the next pulse sequentially, it would take about a day to write the designed array. The solution is that to irradiate the subsequent spots with a large number of required pulses as the cooling of the current spot. The selected distance between the elements of the array made it possible to ignore the heal transfer from the neighbor spots to the current one through thermal conduction. As soon as the cooling period is completed, the laser pulse irradiate on the spot with the minimum remaining amounl of necessary pulses. This algorithm reduced the time to write this square array less lhan 3 h.

According to ihc experimental results, when the pulse number is more than one, the inner zone with deeper depth is clearly visible in the micro-relief, which indicates the different mechanism. In order to investigate it in detail, the total and inner area and volume arc measured respectively Fig. 4b. c.

In Fig. 4b the linear iit lines are in good agreement with the obtained results. As the number of irradiated pulses increases, both the total and inner areas grow linearly, but the growth rale of the inner area is noticeably less than the total and almost equal to jcro. At the same time, the variation of the values of the inner area decreases wilh the increase of the pulse number, while the variation in the total area remains approximately constant. This can be interpreted with the fact that wilh the increase of the pulse number greater than one, the subsequent microplasma occurs Iron a laser destrueted eraier on the surface

118 Page 6 of 11

C. Shuhao et al.

<l»

0

1

< MO«

• Tom ra

• Ifvt*« j.«*

— Inn «i oí uj aiu -Lr»«r kl Ol tum «an

ww

tj ^ f I i t i 11,,;. j»t» * *

co

300 «00 MO

Pulse number

— Etpovma tocjn n

• Tonil

I

— E ipyw(» Otc«V M et *JW vo*v»tw

— EIHKIWI» MCJy * 1* mw ^v^f

Pulk« number

Pulse number

Fig. 4 a The appearance of ring-shaped structures inside the micro-relief as the pulse number more than 1. b The dependence of lotal and inner area on the pulse number and their linear lit c The dependence of total and inner volume on the pulse number and their exponential decay fiL d The dependence of etching depth of micro-relief and the intensity of laser-induced plasma on the pulse number and exponential decay lit of the former

of graphite, due to the almost "V" shape of the crater, the particles of the plasma are focused to the central part as in Fig. 5b. the marked focused directions are caused by the wall of laser destmcted crater. As the increase of pulse number, two opposite mechanisms determine the area of the inner zone: On the one hand the almost "V" shape of crater on the surface of graphite becomes deeper results in stronger "focusing ellect". On the other hand, the distance between the peak points of crater on the graphite and micro-relief on the tused silica becomes larger, and lor the plasma expansion, result in the larger volume of plasma in confinement, which leads to the front direct etching part of plasma larger and weaker. The above two opposite mechanisms lead to a little growth of inner area with the increase ot pulse number.

The total area is mainly destructed by the plasma on the incline direction, and the emerge of "graphite foam" in Fig. 5c results in the plasma larger and unstable, which is in good agreement with the result in Fig. 4b. "Graphite loam" tormation begins after laser pulse and far away from irradiation zone. In the field of laser irradiation, the temperature and pressure are so high that "graphite loam" cannot form. "Graphite foam" is also little near the irradiation zone, since main part is pushed away by plasma plume. These discussions are correct lor the initial several laser irradiations, and the influence of "graphite foam" could be neglected. But after series of laser irradiations, as the irradiated crater on the surface of graphite becomes larger, and part of "graphite foam" can be left in this crater as in Fig. 5c. then it will absorb part of energy of next

113 PageBof 11 C.5huh*ietal.

initial several irradiations, however, alter series irradiation, this effect should lake into consideration, which reduees the intensity of plasma plume and the ability of etching on fused silica.

In Fig. 4e. d. the total and inner volume and depth first increase linearly with ihe pulse number, then the increasing rale slows down, and finally the values of them just Uncinate around the certain values. Under our conditions the saturation happens as the pulse number more than 600 lor the depth and volumes. The exponential decay fits were attempted in both cases, Irom the iitted formulas in Fig. 4c, d. the maximum total volume, inner volume and depth are 3147 jim1. 2697 |jni3 and 2.36 ^m. respectively. In particular, as the pulse number larger than 200. the increasing rate of depth slows down, but the value deviates noticeably around the fitted curve, as for the saturation after 600 pulses, can possible be explained by the fact lhat emerge of graphite foam (Fig. 5c) in ihc formed crater on the graphite surlacc. After each pulse, a cloud of carbon particles is Ibrmed, which is deposited on the surlacc of the glass and remain on the surface of ihc crater in the target. Both of them absorb energy of laser beam and possible create microplasma. However, the graphite foam in the graphite crater consists of random carbon particles and not solid enough and in order arrangement to lorm microplasma wilh certain direction and weak energy as shown in Fig. 4c. In addition, the deposited carbon him on the surlacc of micro-relief absorbs energy and possible induces micropl asm a and meanwhile etch the carbon film itself, jusl as other arrangement 1.1 BDE (Laser Induced Backside Dry Etching). These are the reasons to explain the strong deviation as pulse number from 200 to 800. The reduction of increasing rate is mainly determined by the increase of distance between the peaks of micro-re lief on the surlacc of liised silica and crater on the graphite surface. As the distance reaches to the limit, energy of laser-induced microplasma is insutlicicnl to destruct fused silica as larger it expands, ihc less its temperature (cncigy) develops, which is well indicated by the intensity of plasma in Fig. 4d. The intensity of plasma drops very quickly as pulse number grows Itom I to 100. and after 400, the intensity reaches the minimal value. As the intensity can be considered as the ctching ability of plasma on the surface of fused silica, the dependence of the intensity of plasma on the pulse number has a good agreement with the dependence of the depth of micro-relief on the pulse number. In particular, as the pulse number less 50. the intensity of plasma obviously in high Level, and this indicates that from the point of technology, the pulse number should less 50 to get effective result.

The process and mechanism were explicated above, but no attention was paid to the parameters of nanosecond pulsed laser. In reality, nanosecond pulsed laser is olten utilized to fabricate concrete elements on the surlacc of transparent materials, lor example, micro-track. In this condition, the multilevel elements are possible obtained by varying ihe processing parameters of nanosecond pulsed laser: laser power, repetition rate of laser and beam scanning speed over the target surlacc. These parameters directly or indirectly alicct the characteristics of the laser-induocd microplasma during the process and. as a result. aJfcct the depth of the Ibrmed micro-track on the surface of fused silica.

It is ncccssary to obtain a large amount of experimental data under the different laser processing parameters, so that the dependence of the depth of micro-track on the surface of lused silica on the processing parameters could possibly be determined. In Fig, 6a the results were very well linearly fitted, which is in good agreement with the other works that the depth is linear dependent on the Hue nee of nanosecond pulsed laser. In addition, besides the condition ol repetition rate ol 50 kHz. the results from the other two repetition rates also were very good linear Iitted. Therefore, under our condition, the depth of microtrack is linear dependent on the power of laser as in Eq. (2):

113 PagelOofll

C Shuh ac et ¿1.

■ai: i-. [:>.: J.:7i:h ■: n: .■_.n-:!:■.■-k ■ n :1k- mi:kit.1 ol IlJ .I.■_n. ■.■. = ,ijL\ l:k- unir.y spccd: N is number of pulses in the Gaussian laser beam with diameter cl= (&Pfxq)ai: hQ is the constant. which is associated with ablation threshold of glass and com:spends to the mini mum depth of the hole in the glass; 1^ is the Linear eoclhcienl. The result should be interpreted by the whole energy irradiated on the each spot

where Q is the whole energy irradiated on the each spot; N is the number of irradiated limes on the each spot; qp is the pulse energy of nanosecond pulsed laser, is a certain value in our condition as pulse duration is 50 ns and ihc repetition rale is 50 kHz: as the depth of micro-track is linear to the whole irradiated energy Q. and the Eq. (4) can be convened into.

As ti. f and qF are all certain values under our condition, the depth of micro-track is inversely proportional to the seanning speed, which is in good agreement with the Eq. (3), i.e. the experimental results. As for the condition of 2 W with bad fit. the reason is that the fluencc is just a little higher than the threshold (Zakoldacvetal. 20J7). Under the condition of repetition rale of 30 kHz and 30 kHz. the tils were not good, and the less repetition rale, the worse it was. It is probably as the less repetition rate, ihc less accumulation of energy and less number ol irradiated pulse on each spot, which make the depth not stable.

'['he relationship bet wen ihc deplh of micio-lrack and the repetition rate of laser was exhibited in Fig. 5c. d. As in ihc first series of experiments jusl ihrec repetition rates were adopted, the obtained linear dcpcndencc was not that reliable in Fig. 6c, so the extra experiment was conducted. The power and ihc scanning speed were chosen 5.33 W and 2 mm/s, respectively. The depth was acquired by the average calculation from tive diflerent experimental results under the same condition. The resull in Fig, 6d rercals the linear dependence of the deplh of micro-track on the repetition rale of laser from 3 to 59 kHz under our condition, but as the repetition rale larger than 60 kHz. the depth of micro-track begins unclear chaos change around I pm. The linear relation can be explained that our nanosecond pulsed fiber laser with feature that under the condition of pulse duration of 50 ns. as the repetition rate less than about GO kHz. the pulse energy is the same regardless of repetition rate.

4 Conclusions

Features of ablation on the surface of fused silica by laser-induced microplasma were investigated, including the area, volume and deplh of the micro-relief under the static condition of sample and the dependence of the depth of micro-track on the power of laser, repetition rate and seanning speed.

When ihc pulse number more than one. in ihc micro-relief exist obvious inner deeper crater. The total and inner area increase linear to the pulse number, and the increasing rale of inner area is smaller and almost approach to zero The total and inner volumes and deplb of micro-re fief saturate as the pulse number more than 600. The Lifetime of laser-induced

0 « Nqp =

¿S%

(4)

(51

Features of Fused silica ablation by lase r induced carbon... Page 11 of 11 113

microplasma is much more than the duration of laser pulse and the intensity of plasma is in good agree me at with the depth under the series pulse condition.

The depth of micro-track is linear to the power of laser and inversely proportional to the scanning speed in our condition. In addition, the depth of micro-lrack is proportion a] to the repetition rate of laser as the scanning speed is 2 mm/s.

Acknowledgements The icported sLudy was financially supported by the Ministiy orFIducalion ajid Science of the Russian Federation, research agree mem No. l4Ja7iLJ»37 (KPMEP]587]7X0CO7t,

References

BflJimc. R.. Zimmer. L, Rauschenhach. B.: Lkt backside etching of fused silica due to carbon layer

ablation. Appl. Rhys. A K2(2), 325-328 (30C6j Gattass. R.R.. Mazur, E.: Femtosecond laser micron schilling in transparent malciials. Nat. Photonics 2(4), 219-225 (200E)

Herman. P.R., Reckley. K.R.. Jackson, BjC.. Kinm, K.. Moore. D„ Vamanishi, T.. Yang,.].: Processing applications with Lhe 157-nm fluorine cm inter laser, in: Proceedings of SPLFI 2992, Flxcimcr l.aiiiy. Optics, and Applications, pp. B6-96. [international Soctely forOpdcs and Pliotonics (1997) Hopp, B., Vass. C.. Smausz. T.. Bor. Z.: Production of subrnknomcLic liiscd silica gratings using lascr-

i induced backside dry etching technique. J. Rhys. [3 Appl. Phys. 39(22), 4B43^L547 (3006) Flopp, B.. Smausz. T..Csizmadia.T.. Vass, C..C(iiko.T.. Szabo.G.: Comparative study of diffident indirect lasei-baied methods deve loped In :■ r microprocessing or transparent materials. J. Laser MicrcwTianociig. 5(11, B0-S5 (2010)

kostyuk, G., Zakoldaev. R., Scrgpcv, M.. Veiko, V.: [.aser-induced glass surface structuring by LIRBH

technology. Opt.Quantum Fleet™. 4B(4], 249-256 (2016) Kostyuk. G.K., Zakoldaev. R. A.. Ktval. V.V.. Sct^ocv. M.M.. Rymkevich. V.S.: [.a^ermicrupLaima as a tool

to fabricate phase grating applied for laser beam splitting. Opt. L.asers FIng. 92.63—6 9 (2017) Smausz. T.. Csizmadia. T.. Kiesz, N.. Vass. C.. Marlon. Z.. Flopp, B.: tnJluencc on Lhe laser induccd backside dry etching of thickness and material of the absorber, laser spot size and multipulse irradiation. Appl. Surf. Sci.294(4}, 1091-1095 (2007) Wang, ]., Kiino. H.. Yabe, A.: Ore-step micnofabrication of fused silica by laser ablation of an organic

solution. Appl. Phys. A Malei. Sci. Process.6ti(l), 111-113 (1999) Wang, J.. Niino. H.. Yabe, A.: Micromacliining of transparcnL materials wiLh super-heated liquid generated

by1 multiphototiic absorption oTorganic molecule. Appl. Surf. Sci. I5J. 57L-576 (2000) Zakoldaev. R., Kostyuk. G.. Rymkevkh, V„ Koval. V., Se^qev. M.. Veiko. V.. Yttwfcr, E.. Siven;. A.: Fast fabrication or multilevel phase pGates used few laser beam correction. J. Laser Micro Nanocng. 12(3). 2S1-2E5 (20 17)

Zhang. J., Sugioka, K.. Midorikawa. IL: Direct fabrication of microgratings in fused quart/ by laser-induced

plasma-assisted ablation with a Kri-'cxcimer laser. Opt. Lett 23(1 B>, 1456-14B8 (199ISaj Zhang. J ^ Sugioka. K.. Midnrikawa. K.: El igh-speed machining of glass materials by Laser-induced plasmaassisted ablation using a 532-nm Laser. Appl. Phys. A <¡7(4), 499-501 (199Bb) Zhang. J., Sugioka. K„ Midorikawa. K.: L.aser-induccd plasmarassisted ablation of fused quartz using the

fourth harmonic of a Nd -4-: YAG laser. AppG. Phys. A 67(5). 545-549 (L99Bc) Zhang. J., Sugioka. K.. Midorikawa. K_: High-quality and high-efficiency machining of glass materials, try laser-induced plasma-assislcd ablation using conventional nanosecond OV, visible, and infrared Lasers.. Appl. Phys. A 6911), SIS79-Saa2 (L999) Zimmer. K„ Btftimc. R.. Flirhardt. M„ Rauschcnbach. B.: Mechanism of backside etching or transparent

materials with nanosecond DV-tini. Appl. Phys. A Hll(2). 405^10 (2010) Zimmer. K.. FihrhardL M. Lorcnz.P. Wang. X.. Vass,C..C(iLzmadia. T.. Elopp, B.: Reducing the incubation e fleets for rear side laser e iching of fused silk a. Appl. Suif. Sci. 3H2. 42-45 (3014)

Publisher's Note Springer Nature remains neutral with icgand to jurisdktkmal claims in published maps and instiLutlonal affiliations.