Аннотация:
Описан экспериментальный стенд для исследования процессов прямого формирования микро- и наноструктур на поверхности кварцевого оптического стекла импульсами пикосекундного ультрафиолетового лазера. Предложен метод контроля абляции на основе датчика Шека–Гартмана. Синтезированы кратеры испарения на поверхности кварца глубиной от 23 ± 4 нм до 144 ± 18 нм с хорошим качеством края при плотностях мощности от 0,57 × 1012 Вт/см2 до 31 × 1012 Вт/см2 соответственно. Более интенсивные режимы лазерной обработки приводят к образованию трещин и сколов на поверхности материала, менее интенсивные – к появлению каёмок плавления. Проведено исследование полученных структур с помощью атомно-силового микроскопа. Установлена скорость абляции кварцевого стекла при обработке импульсами пикосекундной длительности.

Ключевые слова :
лазерная абляция, наноструктуры, кварцевое стекло, пикосекундные лазерные импульсы, волновой датчик Шека–Гартмана.

Цитирование:
Завьялова, М.А. Поверхностная модификация кварцевого стекла импульсами пикосекундного лазера / М.А. Завьялова // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 6. – С. 863-870. – DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-6-863-870.

Литература:

1. Phillips, K.C. Ultrafast laser processing of materials: a review / K.C. Phillips, H.H. Gandhi, E. Mazur, S.K. Sun­da­ram // Advances in Optics and Photonics. – 2015. – Vol. 7, Issue 4. – P. 684-712. – DOI: 10.1364/AOP.7.000684.
2. Булгакова, Н.М. Лазерно-индуцированная модификация прозрачных кристаллов и стекол / Н.М. Булгакова, Р. Стоян, А. Розенфельд // Квантовая электроника. – 2010. – Т. 40, № 11. – С. 966-985.
3. Кононенко, В.В. Модификация кварцевого стекла лазерными импульсами фемтосекундной длительности / В.В. Ко­ноненко, В.П. Пашинин, М.С. Комленок, В.И. Ко­нов // Компьютерная оптика. – 2009. – Т. 33, № 3. – С. 254-260.
4. Dostovalov, А.V. Simultaneous formation of weakly and highly ordered laser-induced periodic surface structures on Ti film at femtosecond irradiation / А.V. Dostovalov, V.P. Korolkov, S.A. Babin // Laser Physics Letters. – 2015. – Vol. 12, Issue 3. – 036101 (6 p). – DOI: 10.1088/1612-2011/12/3/036101.
5. Вейко, В.П. Лазерное микроструктурирование поверхностей / В.П. Вейко, С.С. Дышловенко // Научно-техни­ческий вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2001. – № 4. – С. 119-128.
6. Bulushev, E. High-speed and crack-free direct-writing of microchannels on glass by an IR femtosecond laser / E. Bu­lu­shev, V. Bessmeltsev, A. Dostovalov, N. Golo­shev­sky, A. Wolf // Optics and Lasers in Engineering. – 2016. – Vol. 79. – P. 39-47. – DOI: 10.1016/j.optla­seng.2015.11.004.
7. Christensen, M. Single-shot ablation of sapphire by ultrashort laser pulses / M. Christensen, J. Byskov, B. Chris­ten­sen, P. Balling // Applied Physics A. – 2010. – Vol. 101(2). – P. 279-282. – DOI: 10.1007/s00339-010-5817-7.
8. Dausinger, F. Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications / F. Dausinger, H. Hugel, V.I. Konov // Proceedings of SPIE. – 2003. – Vol. 5147. – P. 106-115. – DOI: 10.1117/12.537496.
9. Poleshchuk, A.G. Diffractive optical elements: fabrication and application / A.G. Poleshchuk; V.P. Korolkov, R.K. Nasyrov // Proceedings of SPIE. – 2014. – Vol. 9283. – 928302. – DOI:10.1117/12.2073301.
10. Бессмельцев, В.П. Оптимизация режимов лазерной микрообработки (обзор) / В.П. Бессмельцев, Е.Д. Бу­лушев // Автометрия. – 2014. – Т. 50, № 6. – C. 3-21.
11. Завестовская, И.Н. Анализ нелинейных механизмов поглощения света при облучении диэлектриков и широкозонных полупроводников лазерными импульсами фемтосекундной длительности / И.Н. Завестовская, Н.А. Менькова, О.Н. Крохин // Научная сессия МИФИ–2008. Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез. Лазерная физика. Фотоника и информационная оптика. Физика конденсированного состояния вещества. – 2008. – Т. 2. – С. 121-123.
12. Molian, P. Picosecond Pulsed Laser Ablation and Micromachining of 4H–SiC Wafers / P. Molian, B. Pecholt, S. Gupta // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255(8). – P. 4515-4520. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.11.071.
13. Dausinger, F. Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications / F. Dausinger, H. Hugel, V. Konov // Proceedings of SPIE. – 2003. – Vol. 5147. – P. 106-115. – DOI: 10.1117/12.537496.
14. Бахман, Ф. Микрообработка материалов пикосекундными лазерами / Ф. Бахман, Д. Мюллер, Б. Климт, Р. Кнаппе // Фотоника. – 2013. – № 1(37). – C. 34-42.
15. Быковский, Н.Е. Изменения структуры поверхности кристалла YAG под действием наносекундных импульсов широкополосного лазерного излучения: морфология кратеров и деформация материала / Н.Е. Быковский, Ю.В. Сенатский, Е.В. Заведеев, В.Г. Ральченко // 11-я Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 23-25 сентября 2015 г., Минск, Беларусь. – C. 39-41.
16. Черноножкин, С.М. Особенности лазерной абляции стекла и стали и их влияние на результаты ЛА-ИСП-МС анализа / С.М. Черноножкин, А.И. Сапрыкин // Аналитика и контроль. – 2011. – Т. 15, № 4. – С. 413-420.
17. Вотяков, С.Л. О процессах лазерного испарения и использовании водных стандартов при ЛА-ИСП-МС-анализе / С.Л. Вотяков, Н.Н. Адамович // Литосфера. – 2011. – № 4(49). – С. 56-69.
18. Булгакова, Н.М. Исследование динамики и механизмов лазерной абляции в режимах милли-, нано- и фемтосекундных импульсов / Н.М. Булгакова // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Новосибирск. – 2002. – 385 с.
19. Глаголев, С.П. Кварцевое стекло: его свойства, производство и применение / С.П. Глаголев, под ред. Н.Н. Яроцкого. – М.: ОНТИ, Государственное химико-техническое издательство, 1934. – 216 с.
20. Делоне, Н.Б. Нелинейная оптика / Н.Б. Делоне. – М.: Физматлит, 2003. – 63 с.
21. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М.: Наука, 1973. – 720 с.
22. Мачулка, Г.А. Лазерная обработка стекла. – М.: Советское радио, 1979. – 136 c.
23. Климентов, С.М. Роль низкопорогового пробоя воздуха в абляции материалов короткими лазерными импульсами / С.М. Климентов, С.В. Гарнов, В.И. Конов, Т.В. Ко­ноненко, П.А. Пивоваров, О.Г. Царькова, Д. Брайтлинг, Ф. Даусингер // Труды института общей физики им. А.М. Прохорова. – 2004. – Т. 60. – С. 13-17.
24. Kononenko, T.V. Formation of antireflective surface structures on diamond films by laser patterning / T.V. Kononenko, V.V. Kononenko, V.I. Konov, S.M. Pimenov, S.V. Garnov, A.V. Tishchenko, A.M. Prokhorov, A.V. Khomich // Applied Physics A. – 1999. – Vol. 68(1). – P. 99-102. – DOI: 10.1007/s003390050860.
25. Kononenko, V.V. Creation of antireflecting structures on the surfaces of diamond films by method of laser drawing / V.V. Ko­no­nenko, T.V. Kononenko, V.I. Konov, S.M. Pi­me­nov, S.V. Ga­rnov, A.V. Tishchenko, A.M. Prokhorov, A.V. Kho­mich // Quantum Electronics. – 1999. – Vol. 29, Number 2. – P. 158-162.
26. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики. – M.: Техносфера, 2008. – 397 с.
27. Ruprecht, A.K. Confocal micro-optical distance sensor: principle and design / A.K. Ruprecht, C. Pruss, H.J. Tiziani, W. Osten, P. Lücke, A. Last, J. Mohr, P. Lehmann // Proceedings of SPIE. – 2005. – Vol. 5856. – P. 128-135. – DOI: 10.1117/12.612008.
28. Tiziani, H.J. Confocal principle for macro- and microscopic surface and defect analysis / H.J. Tiziani, M. Wegner, D. Steudle // Optical Engineering. – 2000. – Vol. 39, Issue 1. – P. 32-39. – DOI: 10.1117/1.602332.
29. Шпейзман, В.В. Использование интерферометрического метода измерения величины и скорости перемещений для неразрушающего контроля материала / В.В. Шпейзман, Н.Н. Песчанская // Физика твердого тела. – 2007. – Т. 49, № 7. – С. 1201-1205.
30. Adaptive Optics for Vision Science: Principles, Practices, Design, and Applications / Ed. by J. Porter, H. Queener, J. Lin, K. Thorn, A.A.S. Awwal. – New York: John Wiley & Sons, Inc., 2006. – 600 p. – ISBN: 978-0-471-67941-7.

---

© 2009, IPSI RAS
Institution of Russian Academy of Sciences, Image Processing Systems Institute of RAS, Russia, 443001, Samara, Molodogvardeyskaya Street 151; E-mail: ko@smr.ru; Phones: +7 (846) 332-56-22, Fax: +7 (846) 332-56-20