Исследование силиконовой пленки, осажденной на поверхность кварцевого стекла под действием лазерного излучения

Научная библиотека Комментарии к записи Исследование силиконовой пленки, осажденной на поверхность кварцевого стекла под действием лазерного излучения отключены

Беликов А.В., Клочков И.С., Алексеев И.В., Капралов С.А. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2022

Аннотация

Предмет исследования. Исследованы структура, оптические и эксплуатационные свойства силиконовой пленки, нанесенной на поверхность кварцевого стекла в результате действия лазерного излучения на летучие компоненты, которые выделяются из образца силиконовой резины в замкнутом объеме. Метод. Исследование выполнено в рамках лазерного многопараметрического метода с помощью оригинальной установки, в состав которой входит твердотельный неодимовый лазер с длиной волны 1064 нм и параметрами лазерного импульса: энергией — 105 мДж, длительностью 11-14 нс и частотой следования 10 Гц. В эксперименте на выходе лазерного излучателя расположена герметичная тест-кювета, внутри которой размещен образец силиконовой резины. При прохождении лазерного излучения через внутренний объем тест-кюветы происходит взаимодействие летучих компонентов, выделенных из образца, с лазерным излучением. В результате процесса лазерно-индуцированного осаждения на оптических элементах тест-кюветы образуются зоны осаждения. Топология зон осаждения определена с помощью профилометра. Сравнение структурного состава исходного образца с продуктами осаждения выполнено с использованием сканирующего электронного микроскопа. Основные результаты. Получены зависимости коэффициентов площади зоны осаждения и ослабления от температуры и количества лазерных импульсов. Исследованы элементный состав, цвет, устойчивость к действию растворителя и толщина зон осаждения. Установлено, что с ростом температуры и количества лазерных импульсов коэффициенты площади и ослабления зон осаждения увеличиваются, цвет не изменяется, а устойчивость к действию растворителя возрастает. С ростом температуры зона осаждения, первоначально состоящая из микрофрагментов, становится сплошной, а с ростом количества лазерных импульсов ее толщина увеличивается. Толщина зоны осаждения неравномерно распределена относительно центра. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть применены при разработке содержащих силикон биочипов для диагностики и терапии состояния здоровья человека. 

Постановка задачи

В процессе эксплуатации лазерных изделий в результате конденсации на поверхности оптических элементов летучих веществ под воздействием лазерного излучения формируются зоны осаждения [16-21]. В герметичном объеме лазерного излучателя формирование зон осаждения приводит к деградации оптических элементов и узлов, что негативно сказывается на выходных параметрах излучателя и может привести к выходу прибора из строя. Процесс осаждения с ростом температуры может ускоряться [22]. Вместе с тем

реализуемый при формировании зон осаждения в лазерных излучателях процесс, при размещении на пути лазерного излучения герметичной кюветы, содержащей образец силиконовой резины и образец кварцевого стекла, может быть применен для создания на поверхности кварцевого стекла полимерных, в том числе силиконовых пленок, которые могут быть использованы в составе биочипов и биосенсоров.

Существуют различные методы исследования продуктов осаждения. Наиболее часто для этих целей проводят дегазацию в вакуумной камере, содержащей исследуемый образец материала. Чтобы определить наличие продуктов газовыделения, производят взвешивание образца материала до и после дегазации. На основе полученных измерений делают выводы о присутствии в материале продуктов осаждения (летучих веществ), о потере массы или газовыделении. Состав и природу продуктов осаждения определяют с помощью спектрофотометров [23] или электронного просвечивающего микроскопа, работающего в режиме электронографа [24]. Данные методы позволяют пре-цизионно определить состав осажденных веществ, а также вес продуктов осаждения с точностью до одного микрограмма. Недостатками этих методов являются значительное количество времени, которое требуется для исследования, и высокие затраты при их реализации.

Известен лазерный многопараметрический (ЛМП) метод, в рамках которого исследуются оптические, геометрические, цветовые параметры зон осаждения и их стойкость к действию растворителей [16]. В отличие от вакуумных методов, ЛМП метод обладает такими преимуществами как простота и высокая скорость измерений. ЛМП метод разработан и успешно применяется в организации АО «НПК «СИЛ» (Санкт-Петербург, Россия) при контроле материалов и элементов, используемых в герметичном объеме лазерных излучателей. В рамках данного метода выполнен анализ параметров зоны осаждения, таких как коэффициент площади осаждения, цвет, устойчивость к действию растворителей и коэффициент ослабления, прошедшего через нее излучения [16].

При поиске новых технологий создания силиконовых пленок для биомедицинских применений актуально исследование возможности создания и изучение свойств зон осаждения, формируемых на поверхностях оптических элементов, размещенных на пути распространения лазерного излучения.

а

Задача исследования состоит в получении новых научных данных о возможности создания и свойствах силиконовых пленок, формируемых на поверхности кварцевого стекла в результате действия лазерного излучения на летучие компоненты, выделяющиеся из образца силиконовой резины в замкнутом объеме. При решении этой задачи в рамках ЛМП метода исследуются: коэффициенты ослабления и площади осаждения, устойчивость к действию растворителей и цвет силиконовых пленок, а также определяется состав и толщина пленок методами электронной микроскопии и контактной профилометрии.

Материалы и методы

В эксперименте использован образец силиконовой резины: современная монолитная силиконовая резина марки EL SST (Silicone Engineering, Англия). Создана экспериментальная установка, реализующая ЛМП метод (рис. 1). В состав установки входят: 1— поглотитель лазерного излучения; 2 — приемная головка измерителя энергии Gentec QE25LP-S-MB-DO (Gentec Electro-Optics, Inc, Канада); 3 — термостол Магистр С20Т1 (ООО НТЦ «Магистр-С», Россия); 4 — тест-кювета; 5 — YAG:Nd лазерный излучатель (АО «НПК «СПП», Россия).

Подробно ЛМП метод описан в работе [16]. В настоящей работе в состав установки, реализующей ЛМП метод, входит твердотельный неодимовый лазер, работающий в режиме модуляции добротности с длиной волны 1064 нм и параметрами лазерных импульсов: энергией 105 мДж, длительностью 11-14 нс и частотой следования 10 Гц. Диаметр пучка по уровню е-2 составил 5 ± 0,25 мм. Излучение многомодовое. Расходимость лазерного пучка составила 1,5 ± 0,1 мрад. Наклон оси лазерного пучка и его диаметр выбраны так, чтобы излучение тестирующего лазерного излучателя проходило сквозь входное и выходное стекла кюветы без виньетирования, и в кювете не возникало дополнительных источников загрязнения. На выходе лазера размещена тест-кювета, имитирующая внутреннее пространство герметичного лазерного излучателя, внутрь которой помещен образец резины марки EL SST. При прохождении лазерного излучения через пространство тест-кюветы летучие вещества, которые выделяются из образца с течением времени, взаимодействуют с лазерным излучением и образуют на оптических элементах тест-кюветы зоны осаждения.

При исследовании ЛМП методом внутрь тест-кюветы была помещена одна кольцевая прокладка. Исследования выполнены при температурах кюветы 23, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 °С. При каждой температуре через кювету пропускалось заранее заданное количество лазерных импульсов.

Отметим, что с ростом температуры тест-кюветы и количества лазерных импульсов коэффициент ослабления Ak увеличивается. При постоянной температуре рост количества импульсов приводит к увеличению Ak. При постоянном количестве лазерных импульсов рост температуры тест-кюветы также приводит к увеличению коэффициента ослабления.

Возрастание значений коэффициентов K и Ak связано с ростом температуры, а также диаметра и толщины зоны осаждения, и объясняется повышением скорости выделения летучих веществ из материала образца. На величину Ak оказывает влияние количество лазерных импульсов, которое возрастает пропорционально увеличению диаметра и толщины зоны осаждения.

Увеличение толщины зоны осаждения с ростом количества лазерных импульсов подтверждается при анализе профилограмм, полученных при постоянной температуре тест-кюветы и различном количестве лазерных импульсов, представленных на рис. 6.

Полное содержание на https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-silikonovoy-plenki-osazhdennoy-na-poverhnost-kvartsevogo-stekla-pod-deystviem-lazernogo-izlucheniya/pdf

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top