Локальная модификация оптических свойств пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением Костюк Галина Кирилловна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Лазерная локальная модификация свойств и структуры прозрачных диэлектриков 13

1.1 Лазерная модификация структуры прозрачных диэлектриков 13

1.2 Обоснование возможности локальной модификации структуры в пластинах пористого стекла 17

1.2.1 Пористое стекло: изготовление, особенности структуры 17

1.2.2 Предпосылки локальной модификации свойств в пластинах пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением 20

1.2.3 Роль взаимодействия кремнеземного каркаса и воды, содержащейся в каналах пористого стекла 22

1.3 Выводы к главе 1 24

Глава 2. Экспериментальные исследования лазерной локальной модификации пластин ПС под действием излучения малой мощности 26

2.1 Методика экспериментальных исследований 26

2.2 Исследование строения локально-модифицированных областей в пластинах ПС оптическими методами 32

2.3 Определение оптических характеристик ЛМО в пластине ПС 40

2.4 Формирование ЛМО в пластинах ПС, пропитанных глицерином 44

2.5 Качественное описание процессов формирования ЛМО 54

2.6 Дополнительные экспериментальные исследования по проверке предположения о формировании ЛМО в пластинах ПС

2.6.1 Формирование ЛМО в пластинах МАП стекла 57

2.6.2 Обсуждение результатов 61

2.6.3 Моделирование процесса перемещения молекул в водном растворе глицерина под действием лазерного излучения малой мощности, слабопоглощаемого раствором 69 2.7 Изменение свойств ЛМО в пластинах ПС в зависимости от длительности хранения 75

2.8 Выводы к главе 2 76

Глава 3. Герметизация ПС при стабилизации их оптических свойств

3.1 Герметизация ПС спеканием 78

3.2 Стабилизация оптических свойств МОЭ спеканием 79

3.3 Исследование влияния спекания пластин ПС с ЛМО на строение ЛМО 80

3.4 Определение оптических характеристик ЛМО после спекания пластин ПС с ЛМО 87

3.5 Герметизация пластин ПС с сохранением пористой структуры материала

3.6 Технологический процесс герметизации пластин ПС тонкими уплотненными слоями с широких поверхностей 94

3.6.1 Методика эксперимента по созданию термоуплотненных слоев 97

3.6.2 Исследование герметизации ПС тонкими уплотненным слоями на старение

100

3.6.3 Обсуждение результатов 103

3.7 Выводы к главе 3 110

Глава 4. Практические применения 112

4.1 Применение микросфер 112

4.2 Применение пластин пористого стекла с термоуплотненными слоями 117

Заключение 121

Список литературы

• Пористое стекло: изготовление, особенности структуры
• Исследование строения локально-модифицированных областей в пластинах ПС оптическими методами
• Исследование влияния спекания пластин ПС с ЛМО на строение ЛМО
• Применение пластин пористого стекла с термоуплотненными слоями

Введение к работе

Актуальность темы

Возникновение и развитие фотоники уже сегодня требует создания фотонных чипов, аналогичных полупроводниковым чипам в микроэлектронике. Функциональные элементы фотонных чипов создаются на основе локальной модификации структуры материала, приводящей к управляемому изменению его оптических, электрических, химических, механических и других свойств.

Сегодня активно развиваются лазерные методы локальной модификации структуры оптических материалов. Поиск материалов, в которых можно быстро и управляемо изменять контролируемым действием лазерного излучения их основные характеристики стал как никогда актуальным.

Весьма интересной матрицей для создания перспективных фотонных элементов и устройств являются нано- и микропористые кварцевые стекла. Пористые стекла (ПС) можно отнести к термодинамически неустойчивым средам из-за их сильно развитой поверхности, большой свободной энергии, не замкнутым связям и, как следствие этого, склонностью к присоединению дополнительных атомов (адсорбции газов), а также встраиванию атомов из жидкости и т.д. Особенностью ПС является возможность локального бесконтактного управления их свойствами за счет фотофизического и термохимического воздействия лазерного излучения. Благодаря этому они предоставляют широкие возможности создания разнообразных элементов и устройств нано- и микрофотоники, микроэлектронных, микромеханических, микроаналитических и иных приложений на базе единой оптически, электрически, химически и механически прочной матрицы кварца. Лазерные методы привлекательны их возможностью создавать элементы фотонных устройств в объеме материала. Это возможно при условии проникновения лазерного излучения на заданную глубину, что означает оптическую прозрачность материала для используемого лазерного излучения.

В настоящее время, наименее изученным направлением является создание локальных модифицированных областей (ЛМО) сложного строения в объеме стекла или стеклообразного материала. Особое внимание, которое уделяется этому направлению в последние годы, обусловлено тем, что сложное строение ЛМО позволит не только значительно расширить диапазон оптических характеристик ЛМО, но и объединить различные функции, например, фокусировки и рассеяния излучения различными частями ЛМО.

Доминирующее положение в создании ЛМО в объеме стекла и стеклообразного материала занимают технологии, основанные на применении лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульса. Однако, для этих технологий характерны высокая стоимость и сложность оборудования для их реализации. Поэтому создание доступных лазерных технологий формирования ЛМО при меньшей мощности формирующего излучения, порядка 10⁴- 10⁵ Вт/см², и при больших длительностях импульса ~ 10"¹ - 10~⁹ с, или, даже при непрерывном излучении является чрезвычайно актуальным.

Хорошо известно, что процессы, протекающие при лазерном формировании ЛМО в стекле или стеклообразном материале обусловлены не только параметрами лазерного излучения - длиной волны, плотностью мощности, длительностью и частотой следования импульсов, но и особенностями состава и структуры материала.

Исследование возможности создания микрооптических элементов (МОЭ) на поверхности ПС излучением СО2 лазера, проводимое на кафедре ЛТС начиная с середины 80-х годов, и детальное исследование его свойств и оптических характеристик МОЭ, совместно с Институтом химии и силикатов им. И. В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) позволило предположить, что ПС может стать именно тем материалом, формирование ЛМО в объеме которого будет возможно при меньшей мощности излучения.

Целью диссертационной работы является создание локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в пористом стекле низкоинтенсивным лазерным излучением и исследование этих свойств.

Задачи:

1. Экспериментально определить параметры лазерного излучения, при которых происходит формирование локально модифицированных областей;

2. Исследовать геометрические и оптические характеристики локально модифицированной области и ее строение;

3. Исследовать длительность существования локально модифицированных областей и предложить методы стабилизации их свойств при эксплуатации и хранении;

4. Предложить качественную модель процесса формирования локально модифицированных областей;

5. Экспериментально подтвердить гипотезу формирования локально
модифицированных областей за счет перемещения глобул вторичного
кремнезема, заполняющих каналы ПС в центр области облучения с
максимальным значением интенсивности лазерного излучения.

Методы исследования и материалы

Основным методом исследования является экспериментальное исследование процессов создания локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в пористом стекле низкоинтенсивным лазерным излучением. При этом мощность падающего на пластину ПС и прошедшего сквозь нее излучения в ходе процесса создания ЛМО определялось измерителями оптической мощности Gentec Solo-2M, оснащенным пироэлектрическим детектором мощности UP19K-110F-H9 с точностью 1% от измеряемой величины и эквивалентом мощности шума ~1мВт. Определение температуры в плоскости формирования ЛМО в ходе ее создания осуществлялось тепловизионной камерой Flip Titanium 520 М. Для исследования свойств ЛМО использованы оптические и поляризационные методы, в том числе основанные на сравнении спектров пропускания/отражения отдельных частей ЛМО в диапазоне длин волн 350-900 нм. Спектры пропускания и отражения были получены на МСФУ-КЮ-

30.54.072. Оптические и поляризационные исследования были выполнены на оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Imager. Для исследования структуры поверхности термоуплотненных слоев был использован атомно-силовой микроскоп Solver PRO-M. Научная новизна работы

1. Впервые показана возможность создания локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в объеме пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением.

2. Впервые предложено и экспериментально подтверждено предположение о формировании ЛМО за счет перемещением глобул вторичного кремнезема, заполняющих каналы ПС в центр области облучения с максимальным значением интенсивности лазерного излучения..

3. Впервые показана возможность длительного сохранения сложной развитой структуры ПС между термоуплотненными слоями, созданными на широких поверхностях пластин ПС.

Практическая значимость работы

Предложен и опробован метод создания локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в объеме пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением. Такие области могут быть применены в качестве микрооптических элементов различного назначения.

Предложен и опробован метод пассивации пористого стекла для защиты от химической деградации и старения. Метод позволяет получить тонкий уплотненный слой на поверхности пористого стекла, не изменяющий оптических характеристик, и полностью изолирующий его объем от проникновения влаги и загрязнений.

Основные положения, выносимые на защиту

4. При воздействии на микропористое стекло лазерного излучения на длине волны ~1 мкм с плотностью мощности q = (І-КЗ)-Ю⁴ Вт/см², длительности воздействия 270-300 с, при котором изменение температуры в области воздействия не превышает ~ 1.0С, в объеме ПС формируется локальная область, обладающая фокусирующими оптическими свойствами.

5. Возникновение ЛМО, фиксируемое в конце процесса облучения, вызвано (может быть связано, вероятнее всего вызвано) перемещением глобул вторичного кремнезема, заполняющих каналы ПС в центр области облучения с максимальным значением интенсивности лазерного излучения.

6. Создание на широких поверхностях пластины ПС тонких уплотненных слоев позволяет сохранить тонкую, развитую структуру ПС, которую нарушает спекание в печи.

Личный вклад автора

Все приведенные в диссертации результаты исследований, составляющие ее научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Достоверность результатов исследований, составляющих основу настоящей диссертационной работы подтверждается их воспроизводимостью, а

также использованием обоснованных и апробированных физических методов, при их изучении. Анализ данных, полученных экспериментальным путем, выполнен с учетом общепринятых методов обработки результатов, обеспечивающих их достоверность.

Апробация результатов работы

Материалы, изложенные в настоящей диссертационной работе, были представлены на научных конференциях всероссийского и международного уровня: II Международный форум по нанотехнологиям «RUSNANOTECH», 06-08.10.2009, Москва, РФ; III Международная научная конференция «наноструктурные материалы - 2012: Россия - Украина - Беларусь», 19-22.11.2012, СПб, РФ; Международная научная конференция-школа "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение", 04-07.10.2011; 02-05.10.2012; 01-04.10.2013; 14-17.10.2014, г. Саранск, РФ; Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» (FLAMN-13), 24-28.06.2013, СПб, РФ; The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2014), 17-20.06.2014, Vilnius, Lithuania; IV международная конференция по фотонике и информационной оптике, 28-30.01.2015, г. Москва, РФ.

Работа была поддержана следующими грантами: РФФИ (проекты № 12-02-33144, № 16-32-00174-мола), государственным контрактом № 11.519.11.4017 от 21.10.2011, грантом президента РФ для ведущей научной школы № 619.2012.2, Российским научным фондом № 340689.

Публикации

Основная часть материалов диссертационной работы отражена в 22 научных работах, опубликованных за последние 5 лет, общим объёмом 7.38 печатных листов, в том числе в 12 статьях в научных журналах и изданиях из перечня ВАК, Web of Science и Scopus, и в 3 патентах.

Структура и объем диссертации

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы из 166 наименований и 1 приложение. Материалы работы представлены на 134 страницах, включая 42 рисунка.

Пористое стекло: изготовление, особенности структуры

При воздействии лазерного излучения большой интенсивности изменяются исходные свойства вещества под действием распространяющегося в нем света. Характеристики вещества становятся зависимыми от интенсивности падающего света. Изменения также могут быть связаны с локальным нагреванием, приводящим к дополнительному изменению оптических свойств. Длительность сохранения свойств после прекращения лазерного воздействия зависит от стабильности матрицы стеклообразного материала. Сохраняются главным образом изменения структуры, возникшие в результате теплового действия лазерного излучения.

Несмотря на разнообразие состава стекол и типов лазерного воздействия, длительные изменения фотоиндуцированных свойств в аморфном материале, каковым является стекло, происходят на основе одних и тех же процессов: 1. поглощения энергии падающего на материал лазерного излучения; 2. модификации матрицы стекла за счет поглощенной энергии, воспринимаемой как изменение физических свойств материала. При воздействии лазерного излучения ИК диапазона изменения оптических свойств происходят главным образом за счет модификации матрицы стекла при нагревании. Для подобных целей чаще всего используется излучение СО2 лазера. Энергия фотонов излучения СО2 лазера с длиной волны 10.6 мкм совпадает с энергией собственных колебательно-вращательных уровней силикатной матрицы, обеспечивая, тем самым, поглощение излучения и последующий эффективный локальный нагрев материала [5, 6]. Однако, за счет высокого поглощения 10-микронного излучения силикатной матрицей глубина проникновения излучения в объем материала не превышает 10 мкм [7].

Передача энергии от лазерного излучения к материалу при облучении материала лазерными импульсами с фемтосекундной (фс) длительностью, как правило, основана на нелинейных процессах. Для реализации таких процессов доминирующими характеристиками лазерного пучка, кроме длительности импульса, является интенсивность (плотность мощности лазерного излучения q 1014 Вт/см2). Поглощение лазерного излучения, энергия фотонов которого много меньше ширины запрещенной зоны SiO2, происходит в этом случае, либо за счет процесса многофотонной ионизации, либо через фотоинициируемый процесс туннелирования, в котором электрон возбуждается из валентной зоны в зону проводимости. Многофотонная ионизация является доминирующим процессом при высокочастотном лазерном облучении в низко-энергетических режимах, в то время как, фотоинициируемое туннелирование доминирует в низкочастотных высокоэнергетических режимах [8].

Механизм фотоиндуцированных изменений, основанный на резонансном поглощении ИК излучения, справедлив и для случая фемтосекундных лазерных импульсов. Однако в этом случае энергия излучения используется непосредственно для возбуждения атомных колебаний в матрице стекла, что эквивалентно локальному повышению температуры, способному, в свою очередь, привести к изменению структуры. Как и в случае непрерывного излучения, использование ИК излучения с фс длительности импульса, в силу этого непригодно для модификации структуры в объеме стекла.

Как отмечалось во введении модификация структура в объеме стекла обусловлена не только параметрами лазерного излучения, но и природой стекла. Различия в процессах переноса энергии в оксидных и неоксидных стеклах обусловлены тем, что силикатные материалы (оксидные стекла) характеризуются шириной запрещенной зоны (6-9 эВ), в то время как халькогенидные и другие не оксидные стекла характеризуются сравнительно небольшой шириной запрещенной зоны (2-3 эВ) [9, 10]. Отметим, что первые сообщения о локальной модификации структуры в объеме стекла появились еще в 1996 году [11, 12]. В одном из них, представленным группой под руководством Хирао (Hirao), сообщалось о прямой записи волновода в объеме стекла под действием сфокусированного пучка излучения с фемтосекундной длительностью импульса [11, 12]. В работах, представленных группой под руководством Мазур (Mazur), сообщалось об использовании фемтосекундных лазерных импульсов для создания устройства трехмерного оптического хранения информации, основанного на создании модифицированных областей (МО) в объеме стекла [13, 14]. Модификация структуры стекла в этих работах приводила к изменению показателя преломления. Со времени этих первых сообщений число публикаций об использовании фемтосекундной лазерной модификации структуры в объеме стекла для создания устройств различного назначения неуклонно росло.

До сих пор большинство работ по модификации структуры в объеме стекла излучением с фемтосекундной длительностью импульса посвящено созданию ЛМО с измененным показателем преломления. Области с измененным показателем преломления уже сейчас используются для создания фотонных структур [15, 16], волноводов и волноводных усилителей [17, 18], разветвителей, соединителей [19, 20] и лазеров [21, 22]. Технологии фемтосекундной лазерной записи перспективны для изготовления трехмерных оптически интегрированных компонент.

Кроме модификации структуры, проявляющейся в изменении показателя преломления в результате фемтосекундного воздействия, с недавних пор стало возможным создание областей с измененным составом стекла [23], измененным валентным состоянием отдельных ионов [24] и с наночастицами металлов регулируемого размера и формы. Устройства на базе областей, содержащих металлические частицы [25-29] из-за сильной оптической нелинейности, обусловленной плазмонным резонансом этих частиц [30], находят применение в качестве оптических переключателей.

Фемтосекундная лазерная модификация широко применяется для изготовления устройств для лабораторий на чипе (lab on chip) в объеме стекла марки Foturan [26, 27, 31]. Воздействие излучения лазера с фемтосекундной длительностью импульса на это стекло приводит к локальной кристаллизации метасиликатной фазы, скорость травления которой в 5% растворе плавиковой кислоты (HF) превышает скорость травления исходного стекла, что позволяет создавать локальные открытые каналы.

На основании краткого рассмотрения лазерной технологии создания ЛМО произвольной формы в объеме стекла фемтосекундным излучением можно сделать вывод о доминирующем положении данной технологии в области создания трехмерных структур различного назначения. Можно сделать также вывод о том, что в настоящее время, альтернативы данной технологии не существует. Однако, у данной технологии, как и любой другой, имеются недостатки. К недостаткам технологий создания ЛМО в объеме стекла с использованием лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульса справедливо можно отнести высокую стоимость и сложность оборудования для ее реализации.

Поэтому, поиск новых лазерных технологий, основанных на иных механизмах создания ЛМО в объеме стекла, востребован. Модификация структуры, осуществляемая этими новыми технологиями, тем не менее, не должна уступать по качеству структурам, формируемым с использованием фетосекундных технологий.

Исследование строения локально-модифицированных областей в пластинах ПС оптическими методами

Из результатов исследований, приведенных в предыдущем параграфе следует, что ЛМО состоит из центральной части в форме сферы и охватывающей ее периферийной части в форме шарового слоя, объем пор в котором превышает объем пор в центральной части почти в 3 раза, т.е. ЛМО характеризуется сложным строением. Оценка оптических характеристик ЛМО в объеме пластин ПС, с одной стороны, в какой-то мере, будет способствовать пониманию процесса возникновения ЛМО под действием лазерного излучения слабопоглащаемого пластиной ПС, с другой стороны, позволит определить потенциальные возможности их применения в различных областях микросистемной техники.

Основными оптическими характеристиками ЛМО, как микрооптических элементов, предназначенных для фокусировки излучения, являются: фокусное расстояние f, числовая апертура NA = 0.5d/f (d - диаметр ЛМО), размер фокального пятна df или разрешающая способность N = 1/df. Оптические характеристики любого микрооптического элемента, в том числе и ЛМО, определяются его формой, строением, показателем преломления, градиентом показателя преломления, если таковой имеется.

Фокусное расстояние ЛМО в пластине ПС было измерено по методу измерения фокальных отрезков микрооптических элементов малой толщины, при которой фокальный отрезок можно было считать равным фокусному расстоянию, с использованием оптического микроскопа [62].

Этот метод был использован нами, поскольку использование других методов измерения фокусного расстояния, рекомендуемых в практике оптических измерений, неприменимы для объектов размером менее 200 мкм, расположенных в объеме пластины на глубине порядка 400 мкм.

Метод измерения фокального отрезка под микроскопом основан на измерении расстояния от поверхности ЛМО до плоскости с минимальным сечением лазерного пучка с малой расходимостью излучения, проходящего сквозь ЛМО. Плоскость минимального сечения лазерного пучка отождествлялась с фокальной плоскостью ЛМО. Совмещение плоскости наилучшего видения микроскопа с фокальной плоскостью тестируемого ЛМО позволяло оценить размер его фокального пятна df, а также, в первом приближении качество ЛМО по форме фокального пятна.

Измерение фокального отрезка происходило следующим образом. Пластина ПС с ЛМО (1) устанавливалась на координатный стол (2), с микрометрической шкалой (3) возможностью перемещения вдоль оптической оси ЛМО с точностью ±1 мкм. При установке пластины ПС с ЛМО ее оптическая ось совмещалась с оптической осью лазерного модуля (4), длина волны излучения которого = 0.645 мкм, а расходимость = 1 мрад, и с оптической осью микроскопа (5) с увеличением 100. Поверхность ЛМО совмещалась с плоскостью наилучшего видения микроскопа путем перемещения координатного стола (2). Это положение фиксировалось на шкале (3), вдоль которой стол перемещался. Далее координатный стол (2) смещался до тех пор, пока в плоскости наилучшего видения микроскопа не наблюдалось световое пятно минимального размера, после чего это положение также фиксировалось. Смещение координатного стола (2) между фиксируемыми положениями отождествлялось с фокальным отрезком тонкой ЛМО, для которой фокальный отрезок Sf незначительно отличается от фокусного расстояния. Точность данного метода относительно не высока, но он прост в реализации и позволяет определить две важнейшие оптические характеристики МО: Sf f и df.

Из описания метода измерения Sf следует, что погрешность измерения Sf будет наибольшей для ЛМО в форме сферы и – наименьшей для ЛМО в форме плоско-выпуклой линзы, получаемой при шлифовке и дальнейшей полировке пластин ПС с ЛМО до толщины, при которой толщина ЛМО станет примерно равной или меньшей радиуса ЛМО.

Тем не менее, нам пришлось отказаться от шлифовки и полировки пластин ПС с ЛМО. Это было обусловлено тем, что операция шлифовки и полировки пластин ПС могут сопровождаться возникновением значительных механических напряжений, способных привести к разрушению пластины ПС. Для пластин, подвергнутых воздействию лазерного излучения, операция шлифовки и полировки вдвойне опасна и чаще всего заканчивается выкалыванием ЛМО из пластины [88]. Кроме того, мы считали важным сохранить ЛМО в пластине ПС для дальнейших исследований.

Фокусное расстояние ЛМО в форме сферы в пластине ПС измерялось на макете установки, собранной по схеме (рис. 11) десять раз. Для ЛМО в форме сферы, первый отчет по шкале фиксировался при совмещении центрального сечения сферы с плоскостью наилучшего видения микроскопа. Погрешность измерения (доверительный интервал, при доверительной вероятности 0.95) не превышала 7%. Фокусное расстояние, определенное по результатам измерения f = 260±20 мкм.

Оптические характеристики ЛМО сложного строения в объеме пластины ПС были также оценены по известной геометрии ее частей и по известным показателям преломления этих частей. Размеры частей ЛМО были определены по фотографии заданного сечения ЛМО, выполненные с использованием оптического микроскопа Carl Zeiss Axio Imager в проходящем и в линейно-поляризованном свете при скрещенных поляризаторе и анализаторе с увеличением 100 (рис. 5.б) (dМО = 185 мкм и диаметр центральной части dЦЧ = 114 мкм). Пористость частей ЛМО была определена в работе [85]. Показатели преломления частей ЛМО были определены из зависимости n = f() установленной в работе [89] (показатель преломления центральной части nЦЧ = 1.414 и окружающего ее шарового слоя nШС = 1.316, показатель преломления пластины ПС n = 1.342±0.005). Рассчитанное фокусное расстояние ЛМО оказалось равным f = 260.24 мкм.

Сравнение фокусных расстояний ЛМО в пластине ПС, рассчитанного и измеренного, показало, что расхождение их значений находится в пределах погрешности измерения.

По фотографии минимального сечения лазерного пучка, прошедшего сквозь ЛМО в плоскости, отождествляемой нами в фокальной плоскостью ЛМО (рис. 12), в соответствии с масштабом фотографии был определен диаметр df, оказавшийся равным df = 12±0.5 мкм. Числовая апертура ЛМО в пластине ПС, при dМО = 185 мкм и f = 260 мкм оказалась равной NA = 0.36.

Исследование основных оптических характеристик в объеме пластины ПС позволило установить, что расхождение в измеренном и рассчитанном фокусном расстоянии ЛМО находится в пределах погрешности измерения. Этот экспериментальный факт является дополнительным подтверждением справедливости предположения о том, что возникновение ЛМО под действием лазерного излучения, слабопоглащаемого ПС, связано с перемещением глобул SiO2, заполняющего каналы ПС.

Исследование влияния спекания пластин ПС с ЛМО на строение ЛМО

Для проверки предположения о том, что процесс формирования ЛМО основан на перемещении глобул SiO2, находящихся в каналах ПС и являющихся «строительным» материалом формируемой ЛМО, был выполнен эксперимент по облучению лазерным излучением малой мощности с длиной волны слабопоглощаемой пластиной МАП стекла, из каналов которого тонкодисперсный аморфный кремнезем был извлечен полностью [100]. Пластины МАП стекла были получены из пластин МИП стекла, параметры которого приведены в п. 2.1, дополнительной обработкой пластин МИП стекла в 0.5 М растворе KOH при комнатной температуре. Пористость МАП пластин была 0.58 см3/см3 средний радиус каналов соответствовал 50–70 нм. Обработка пластин МИП стекла для получения МАП стекла была выполнена в Лаборатории физической химии стекла Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской Академии Наук. Эксперимент с пластинами МАП стекла был выполнен на базовом макете установки рис. 4, описанным в п. 2.1.

В экспериментах использовались пластины «сухого» МАП стекла, а также пластины МАП стекла пропитанные жидкостью с высокой степенью поляризующей способности – дистиллированной водой (1.84 Дб). Пропитка пластины производилась в течение 72 ч. За 30 мин до начала эксперимента, пластина вынималась из пропитывающей жидкости и просушивались с помощью фильтровальной бумаги. Пластину «сухого» МАП стекла и пластину МАП стекла пропитанного водой, подвергали воздействию излучением волоконного иттербиевого лазера, с длиной волны = 1.07 мкм, длительностью импульса 100 нс и частотой следования импульса 100250 кГц, мощность излучения варьировалась в диапазоне 12–20 Вт. Длительность облучения во всех экспериментах была выбрана равной 300 с. Выбор длительности был обусловлен тем фактом, что именно при длительности 300 с были сформированы ЛМО на пластинах МИП стекла (п. 2.1) и на пластинах МИП стекла пропитанных глицерином (п. 2.4). В схеме базовой экспериментальной установки для формирования ЛМО (рис. 4) измерение мощности лазерного излучения, прошедшего сквозь пластину МАП Рпр регистрировалось на протяжении всего эксперимента по формированию ЛМО измерителем оптической мощности (6). Температура пластин МАП в центре области перетяжки пучка лазерного излучения регистрировалась на протяжении всего эксперимента по формированию ЛМО тепловизионной камерой (7). Перетяжка, создаваемая микрообъективом 10 и №4 = 0.25 (3) располагалась на глубине 200-300 мкм, а ее радиус, как и во всех предыдущих экспериментах, был равен 12.5 мкм.

Спектры пропускания х(Х), для пластин сухого МАП стекла и МАП стекла пропитанного водой, используемых в эксперименте по формированию ЛМО, были получены с помощью микроскопа-спектрофотометра МСФУ-К Ю-30.54.072.

При рассмотрении зависимости Рпр от длительности воздействия t (рис. 13), прежде всего обращает на себя внимание тот факт, что мощность прошедшего излучения через обе пластины не изменялась с течением времени и это, скорее всего, могло указывать на отсутствие изменения оптических свойств МАП стекла, в частности, поглощательной способности и показателя преломления в процессе воздействия в области перетяжки лазерного пучка. Изменение оптических свойств в области облучения, указывающее на формирование ЛМО не наблюдалось в течение всего срока облучения. Этот экспериментальный факт косвенно подтверждает предположение о том, что процесс формирования ЛМО обусловлен лазерно-индуцированным перемещением глобул Si02, находящегося в каналах ПС. Отсутствие в каналах пластины МАП стекла тонкодисперсного аморфного кремнезема и факт отсутствия формирования ЛМО в конце процесса облучения, при условии того, что длительность облучения значительно превышала длительность характерную для возникновения ЛМО в пластинах МИП стекла и МИП стекла, пропитанных глицерином, является очевидным свидетельством, что процесс формирования ЛМО в основном связан с перемещением глобул SiO2 в пределах области фокусировки.

Более высокие значения мощности прошедшего излучения в зависимости Pпр(t) для пластин МАП стекла, пропитанного водой, по сравнению со значениями для пластин «сухого» МАП стекла, по-видимому, связаны с тем, что для пластин «сухого» МАП стекла характерно большее рассеяние на освобожденных от тонкодисперсного аморфного кремнезема каналах, чем у пластин МАП стекла, пропитанных водой, меньшее рассеяние на каналах которых обусловлено меньшим различием в показателях преломления матрицы МАП стекла (nМАП = 1.46) и воды (nВ = 1.33). Что касается повышения температуры при увеличении длительности воздействия, то в обоих случаях мы имеем монотонное возрастание. При этом повышение значений T(t) с увеличением длительности облучения для пластин МАП стекла, пропитанных водой, меньше по сравнению с изменением T(t) для пластин «сухого» МАП стекла, что не противоречит приведенным выше объяснениям (рис.15).

Применение пластин пористого стекла с термоуплотненными слоями

В ходе исследований было предложено для стабилизации оптических свойств ПС, как альтернативу процессу спекания, использовать технологию создания уплотненных слоев на широких поверхностях пластин ПС, основанную на поглощении излучения материалом пластины, контактирующей с пластиной ПС, слабопоглощающей проходящее сквозь нее излучение [120].

Кратко остановимся на предпосылках разработки технологии создания термоуплотненных слоев. От поверхностного уплотнения ПС под воздействием на поверхность ПС излучения, которое сильно поглощается ПС было решено отказаться, поскольку, изначально предполагалось, что создание термоуплотненных слоев не должно сопровождаться искажениями матрицы стекла. Было решено сосредоточить усилия на поиске технологий, в которых при воздействии на поверхность стекла, искажения геометрии матрицы стекла будут минимальными.

Был выявлен ряд технологий, основанных на воздействии лазерного излучения с длиной волны для которого стекло прозрачно, в плоскость контакта стекла с веществом, значение поглощательной способности которого для используемой длины волны близко к 1.0.

Основы микроструктурирования прозрачных диэлектриков, объединенных общим названием LIBWE (laser-induced back wet ething) были впервые описаны в [121] и подробно разработаны группой исследователей H. Niino в работах [122-125]. Одновременно с коллективом Niino работами по модификации и совершенствованию технологии LIBWE занимались группы исследователей с Kopitkovas [126-128] и с Zimmer [129-131].

Микроструктурирование поверхности стекла в данной технологии происходит под действием излучения УФ диапазона, фокусируемого в пятно размером 5 мкм в плоскость контакта тыльной поверхности стекла и жидкости, поглощательная способность которой для используемого излучения которого превышает значением 0.9 [122]. В качестве материала, обладающего высокой поглощательной способностью, в технологии LIBWE были использованы неорганические [122, 132] и органические [121, 123] водные растворы, растворы солей, в частности медного купороса [133], а также металлов с низкой температурой плавления, например, олова [134]. Согласно исследованиям, выполненным в этих работах при лазерном облучении в области перетяжки осуществлялся процесс абляции материала, поглощающего излучение, результатом которого являлось возникновение акустических ударных волн и распространение которых приводило к механическому разрушению к тыльной поверхности стекла [122]. Микрострукутрирование было реализовано в различных схемах, основанных как на сканировании сфокусированного пучка лазерного излучения в плоскости контакта тыльной сторон поверхности стекла и поглощающего материала [134-136], так и про проецировании излучения через маску [128, 137, 138], а также при проецировании модулированного по интенсивности пучка серой фазовой решеткой [126, 132, 139]. Сообщалось и об использовании схем, основанной на интерференции двух пучков, создаваемой дифракционной фазовой решеткой [129]. Обработка поверхности стекол плазменным факелом, возникающим в процессе абляции при плотном контакте обрабатываемого материала с материалом, поглощающим излучения, лежит не только в основе технологии LIBWE и ее модификации, но и в ряде других. Например, технология LIBDE (laser-induced back dry ething), где в качестве материала поглощающего излучения использовались пленки металла, в частности, серебра или углерода [140, 141]. В качестве источника облучения использовались не только эксимерные лазера, излучающие в УФ диапазоне, но и Nd:YAG лазера с = 1.064 мкм, относящейся к ближнему ИК диапазону [136, 142]. Основными требованиями к лазерному излучению в технологии LIBDE, как и технологии LIBWE, являются выбор длины волны излучения, отвечающей слабому поглощению в микроструктурируемомом стекле, а также энергией в импульсе, которая должна быть достаточной для абляции материала в области воздействия и формирования плазменного факела.

Технология LIPAA (laser-induced plasma-assisted ablation), предложенная K. Sugioka и др [143], по сути своей близкая к технологии LIBDE, отличается от нее тем, что вместо пленки за пластиной из прозрачного для излучения стекла на расстоянии от нее в несколько сотен микрометров устанавливалась массивная металлическая пластина. рис. 30.а иллюстрирует размещение пластин друг относительно друга. На рис. 30.б приведена фотография дифракционной фазовой решетки (ДФР), с периодом 4 мкм, созданной технологией LIPAA. Травление тыльной стороны пластины стекла в технологии LIPAA инициируется энергией плазменного факела, возникающего в результате абляции массивной металлической пластины [143-146]. Технология LIPAA как и другие, рассмотренные ранее, разрабатывались для создания микрооптических элементов, ДФР, поверхностных микрофлюидных каналов, селективной металлизации поверхности пластин стекла, а также для маркировки.

В работе [147] был предложен и реализован метод микрообработки являющейся модификацией метода абляции лазерно-индуцированной плазмы LIPAA плавленого кварца и сапфира в вариантах сканирования сфокусированного пучка лазерного излучения с = 1.064 и длительностью импульса = 10 нс при частоте повторения импульсов = 20 кГц и проецирования маски, в плоскости контакта обрабатываемого образца и резиновой мишени.

Особенностью технологии, которая была предложена нами для создания термоуплотненных слоев на поверхностях пластин ПС по сравнению с рассмотренными технологиями (LIBWE, LIBDE и LIPAA) было применение в качестве материала сильнопоглощающего лазерного излучения прессованного графита, поглощательная способность которого в широком диапазоне длин волн близка к 1.0 [148].

Исследование процесса термоуплотнения поверхностных слоев проводилась на плоскопараллельных пластинах ПС, размером 15х15х1.5 мм3 с параметрами, приведенными в приложении. Пластины ПС были изготовлены в Лаборатории физической химии стекла Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской Академии Наук. Ряд пластин перед термоуплотнением был пропитан водным раствором глицерина в соотношении 0.7 глицерина и 0.3 воды. Процесс пропитки продолжался 72 часа при комнатной температуре и нормальном атмосферном делении.