Лазерный мир

Ученые ИТМО предложили метод создания цветной маркировки с помощью недорогой отечественной лазерной установки. В отличие от других способов решение позволяет внутри одного рельефа наносить еще более мелкие отдельные структуры, что усложняет копирование метки. Разработка защитит стеклянные изделия вроде медицинских ампул и пробирок от подделок. Результаты исследования опубликованы в Optics and Laser Technology.

Материалы обладают разным нанорельефом (это могут быть неровности, выступы или впадины на поверхности), который влияет на их оптические свойства. Например, одна поверхность лучше улавливает и отражает свет, а другая — ограничивает излучательную способность. Каждому свойству находится применение — материалы со светоулавливающим нанорельефом используются в солнечных батареях, а на основе отражающих свет поверхностей создают переливающуюся цветами маркировку для защиты от подделок.

Обычно для создания упорядоченных нанорельефов применяют метод фотолитографии. Принцип его работы отдаленно напоминает рисование баллончиком по трафарету: для печати нужного изображения создается шаблон, через него светят лазерным излучением, и изображение воспроизводится на материале. Однако фотолитографы — это дорогие установки, требующие много расходных материалов, например, шаблонов и фоторезистов (материалов, которые воспринимают лазерное излучение для регистрации изображения). К тому же изменить изображение во время записи невозможно — нужно делать новый трафарет.

Альтернатива фотолитографии — метод прямой записи сканирующими лазерными пучками. Он не требует дорогого оборудования, расходников и позволяет наносить на поверхность материала мелкие структуры — как будто рисуют тонкой кистью. Ученые Института лазерных технологий ИТМО усовершенствовали этот подход, добавив в него метод генерации лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС). С его помощью можно различать, наносить и комбинировать еще более мелкие отдельные наноструктуры внутри области сканирования.

«Из-за шероховатости материала лазерное излучение, падающее на него, рассеивается и преобразуется в электромагнитную волну. Волна распространяется вдоль поверхности и взаимодействует с падающим лазерным излучением. В итоге возникает нанорельеф, который записывается в форме защитной метки. Представьте, что лазерное излучение — толстая кисть размером порядка 55–70 микрон. При этом в мазке кисти различаются линии каждого волоска размером 0,7 микрон — это в 100 раз тоньше человеческого волоса. Они и рисуют крошечные наноструктуры внутри общей картины», — рассказывает Дмитрий Синев, доцент Института лазерных технологий ИТМО.

Образцы защитных меток на стеклах, сформированные методом прямой записи лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур. Видео предоставлено Дмитрием Синевым

Работает предложенный метод так. На стеклянную подложку наносят титановую пленку, а затем проходятся по ней лазерным пучком — получается одномерный нанорельеф в виде нескольких линий. Чтобы усложнить геометрию и сделать картинку двухмерной, линии формируют еще раз, но уже под другим углом, поперек первым. Финальный нанорельеф метки по форме напоминает соты и квадраты. Результат записи виден, если направить на него источник белого света, например, фонарик.

«Из-за повторной обработки нанорельефы переняли теплофизические и механические свойства подложки и оптические свойства пленки — изменилось взаимодействие с поляризованным светом, спектры отражения и пропускания света. То есть каждая наноструктура в метке переливалась цветами с разной интенсивностью в зависимости от угла наблюдения. По требованию заказчика мы можем записать любое изображение и дополнительно его кастомизировать. Например, создать определенную наноструктуру, чтобы метка светилась ярче под конкретным углом, и сообщить заказчику параметры конфигурации. Только он будет знать расположение элементов и сможет опознать метку», — поясняет Александр Суворов, магистрант второго курса Института лазерных технологий ИТМО.

Авторы исследования также отметили, что реально сделать маркировку еще более уникальной, если сочетать в ней разные защитные метки — например, записать изображение двумерной наноструктурой, а фон — одномерной.

Исследователи планируют сделать на основе своих меток цветную маркировку для защиты от подделок медицинских ампул, пробирок и других изделий из прозрачных материалов. Сейчас предложенный метод позволяет печатать защитную метку с разрешением в 0,7 микрон и площадью 1х1 миллиметр за 18 секунд. В дальнейшем ученые рассчитывают увеличить скорость записи и уменьшить размер наноструктур, чтобы уместить больше элементов и сделать изображение более сложным для копирования.

Исследование поддержано грантом РНФ.

Опубликовано на https://news.itmo.ru/ru/news/13649/