Лазерный мир

Бронников Кирилл Алексеевич // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, 2022

Актуальность

Структурирование поверхности на микро- и нано масштабе является быстрорастущим направлением в оптике, поскольку создание разнообразных паттернов рельефа или химического состава, комбинация в структурах металлов, диэлектриков и полупроводников позволяет тонко «настраивать» взаимодействие света с веществом и достигать исключительных явлений, которые находят широкое применение в приложениях сенсорики, обработки сигналов, голографии, создания элементов интегральной оптики и др. [1,2].

Несмотря на примечательные свойства структурированных поверхностей, одним из препятствий к их широкому внедрению в практическое использование является трудоемкость и высокая стоимость производства структур с необходимыми характеристиками традиционными литографическими технологиями. Перспективной альтернативой является формирование лазерноиндуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС) с помощью сверхкоротких лазерных импульсов. ЛИППС представляют собой периодический рельеф, образующийся на поверхности твердых тел при воздействии высокоинтенсивного лазерного излучения.

При этом период данных структур примерно равен, либо меньше длины волны, что дает возможность для одновременного формирования множества периодов структуры в области фокального пятна [3]. Разнообразие физических явлений, наблюдаемых в процессе формирования ЛИППС, и отсутствие единого теоретического подхода к описанию их образования обуславливают неугасающий научный интерес к данной тематике [4]. Кроме того, активно исследуются возможные практические применения ЛИППС, такие как изменение смачиваемости поверхности [5], структурная окраска металлов [6], увеличение биосовместимости титановых имплантов [7], уменьшение коэффициента трения [8] и др. Благодаря одностадийности процесса 4 формирования ЛИППС в обычных атмосферных условиях, возможности структурировать произвольно большие площади поверхности (в том числе криволинейной) с высокой производительностью путем сканирования образца одним лазерным лучом данный подход имеет преимущества в сравнении с литографическими технологиями, а также методами на основе интерференции в скрещенных пучках [9] или построчной записью сфокусированным лазерным лучом [10]. Относительно недавно (в 2008 г.) был обнаружен новый тип лазерноиндуцированных структур – термохимические ЛИППС (ТЛИППС) [11,12], образующиеся в результате локального нагрева и окисления материала с пространственной периодичностью.

Данные структуры отличает высокая однородность (разброс значений периода может быть менее 1 нм на общей площади 1 мм2 [12]) и комплексный химический состав. Вследствие новизны этого типа структур, к настоящему времени исследованы только некоторые аспекты формирования ТЛИППС на поверхности ряда материалов, таких как титан, хром, никель, нихром [12–14]. Учитывая привлекательность ТЛИППС для практических приложений, существует необходимость в детальном исследовании динамики их образования на новых материалах, изучении влияния условий записи на их свойства – общую морфологию, период, ориентацию, химический состав.

С этой точки зрения представляет интерес анализ особенностей формирования ТЛИППС как на металлах, так и на полупроводниках, имея в виду их отличия в зонной структуре, приводящие к различному процессу поглощения света. Кроме того, до сих пор характерные значения скорости сканирования при создании упорядоченных ТЛИППС составляли около 1-10 мкм/с при диаметре записывающего пучка до 20 мкм, что ограничивает использование данного метода структурирования поверхности в практических приложениях. Поэтому актуальной задачей также является поиск путей повышения производительности записи ТЛИППС.

Полное содержание документа на https://www.iae.nsk.su/images/stories/4_Education/3_DisSovet/22

Демонстрация переливающихся микроструктур, которые можно получить с помощью разработанного модуля на лазерной установке «МиниМаркер-2». Подробнее