СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ В ОБЪЕМЕ ОБРАЗЦА ДИЭЛЕКТРИКА ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК B23K26/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к технологии формирования микро- и наноразмерных дефектов в объеме и/или на поверхности прозрачных материалов - диэлектриков посредством лазерной фемтосекундной объемной обработки диэлектриков (микромашининга), и может быть использовано в т.ч. при создании оптических схем, брэгговских решеток внутри волокон, биосенсоров, лаборатории-на-чипе, в тканевой инженерии при создании скэффолд - структур, трехмерной записи информации и т.д.

Уровень техники

Из уровня техники известны технические решения, обеспечивающие микро-нанообработку (наведение точечных дефектов или множества точечных дефектов) поверхности и/или объема материала одноимпульсным воздействием, воздействием последовательностью одинаковых фемтосекундных импульсов, воздействием импульсом негауссовой формы или совместным воздействии импульсов разной длины волны. При этом в качестве объекта обработки, как правило, выступают кристаллы (≈10*10*5 мм) или пленки (≈25*25*2 мм) широкозонных диэлектриков, такие как плавленый кварц, сапфир. Результатом обработки является точечная абляция материала на поверхности или множество таких дефектов на поверхности или точечное изменение внутренней структуры материала, регистрируемое чаще всего как изменение показателя преломления, в объеме образца или множество таких дефектов.

В частности, из уровня техники известен способ модификации поверхности материала (Xiaoming Yu and others, 'Damage Formation on Fused Silica Illuminated with Ultraviolet-Infrared Femtosecond Pulse Pairs', 9511 (2015), 95110C <http://dx.doi.org/10.1117/12.2182633>.) с получением круглых кратеров диметром 500 нм и глубиной 70 нм, образующихся в результате обработки материала двумя фемтосекундными импульсами с разными длинами волн (первый импульс: 70 фс 266 нм; второй импульс: 60 фс 800 нм) с задержкой между ними 60 фс. Предложенный способ двухцветного воздействия на вещество сочетает в себе преимущества, связанные с работой в коротковолновом диапазоне длин волн, а именно: малый размер микромодификации (размеры наведенных дефектов близки к дифракционному пределу для данной длины волны) и малая степень фотонности процесса многофотонной ионизации, что позволяет снизить энергию воздействующего на материал импульса, в длинноволновом диапазоне - эффективная лавинная ионизация. Первый (затравочный) коротковолновый импульс, путем многофотонной ионизации создает в среде затравочные электроны, которые используются вторым (греющим) длинноволновым импульсом для запуска лавинной ионизации. Метод двухцветного воздействия характеризуется двухступенчатым воздействием на материал, позволяющим управлять процессами плазмообразования, а следовательно, и размерами наводимых модификаций. В данной статье исследуется возможность уменьшения энергии в первом коротковолновом импульсе без изменения пространственного разрешения (то есть сохранения возможности наведения дефектов диаметром близким к дифракционному пределу), что позволит в будущем в технологии для обработки материалов использовать более дешевую технику (коммерческие волоконные лазеры вместо высокомощных лазеров).

Способ получения дефектов на поверхности плавленого кварца, представленный в данной статье, включает фокусировку на поверхность образца в одну область двух излучений разными линзами, с возможностью независимого изменения энергии импульсов с помощью ND фильтров, сведение двух импульсов во времени с использованием эффекта генерации разностной частоты в дополнительном нелинейном кристалле ВВО. Необходимые энергии в пучках, а именного пороговые энергии оптического пробоя в одноимпульсном режиме и в двухимпульсом режиме находились методом визуализации наведенного дефекта с помощью CCD камеры. Оптимальная задержка между импульсами, при которой достигается минимальная пороговая энергия коротковолнового импульса находилась методом визуализации наведенного дефекта с помощью CCD камеры при разных значениях задержи и при разных энергия длинноволнового импульса. Также полученные в эксперименте модификации в вышеупомянутой работе исследовались с помощью оптического микроскопа и сканирующего электронного микроскопа. Было показано, что использование длинноволнового импульса с круговой поляризацией позволяет уменьшить пороговую энергию первого коротковолнового импульса по сравнению с использованием линейно поляризованного второго импульса, однако разницы в размерах наведенных дефектов не наблюдалось.

Однако, данное решение не обеспечивает возможности создания дефектов в объеме материала, в т.ч. в связи с отсутствием средств визуализации получающихся дефектов в объеме и сведения двух импульсов в пространстве и в объеме образца. Кроме того, для изменения энергий в обоих каналах используются наборы фильтров, что не позволяет плавно (непрерывно) менять энергии импульсов. Для определения сведения фемтосекундных импульсов во времени используется дополнительный нелинейный кристалл, что усложняет конструкцию установки и увеличивает его стоимость. Определение оптимальной задержки между импульсами связано с необходимостью регистрации появления модификаций, что требует соответствующего оборудования и не является оптимальным решением. Кроме того, отсутствует возможность контроля за процессом создания модификации в режиме реального времени. Измерение размера наведенного дефекта осуществляется с помощью сканирующего электронного микроскопа, размещенного отдельно от установки по микрообработке материалов, в связи с чем, для проведения контрольных исследований дефектов необходимо извлекать образец из установки.

Наиболее близким к заявляемому решению является лазерная система фемтосекундной обработки с контролем параметров процесса и обратной связью (US 2011139760), включающая фемтосекундный лазер, оптическую частотную конверсию, оптику управления лучами, управление движением цели (мишени), камеру обработки, диагностические системы и модули управления системой, обеспечивающие контроль обработки лазерных материалов. Система допускает изменение в режиме реального времени параметров обработки, в частности, можно настроить работу системы для конкретного приложения и убедиться в достижении желаемого результата. Система включает в себя устройство для генерирования оптических импульсов, в котором каждый импульс может иметь индивидуальные характеристики. Устройство содержит лазерное средство для генерации импульсов, средство управления, которое управляет лазерным средством и средством манипулирования лучом для контроля ширины импульса, длины волны, частоты повторения, характеристик поляризации и/или временной задержки импульсов, содержащих импульс всплесков. Устройство генерирует данные обратной связи на основе измеренной ширины импульса, длины волны, частоты повторения, характеристик поляризации и/или временной задержки для средства управления. В одном варианте осуществления изобретения лазерное средство может содержать волоконный усилитель, который использует растягивающие решетки и компрессорные решетки. Средство манипулирования лучами может содержать множество устройств, например, оптическое стробирующее устройство, которое измеряет длительность лазерных импульсов, измеритель мощности, который измеряет мощность лазерных импульсов, выводимых из лазерного средства, или фотодиод, который измеряет частоту повторение лазерных импульсов.

В другом варианте осуществления средство управления лучами оптически преобразует основную частоту генерируемых лазерных импульсов в одну или несколько других оптических частот и включает в себя, по меньшей мере, один оптический элемент, который преобразует часть фундаментальных импульсов лазера в, по меньшей мере, одну гармонику более высокого порядка. Оптическое устройство может содержать нелинейное кристаллическое устройство, которое контролирует ориентацию кристалла. Предпочтительно средства для преобразования оптической частоты включают в себя спектрометр, который измеряет заданные параметры импульсов, выводимых из нелинейного кристаллического устройства, и генерирует обратную связь для средства управления. Еще один вариант осуществления средства управления пучком содержит телескопические оптические устройства для управления размером, формой, расходимостью или поляризацией входных импульсов лазера и оптикой рулевого управления для управления местоположением удара лазерными импульсами на целевой подложке. Устройство может дополнительно содержать прибор, который контролирует характеристики лазерных импульсов и генерирует обратную связь для средств управления.

Вышеописанное устройство может быть использовано для изменения показателя преломления целевой подложки; поверхностной маркировки, маркировки подповерхности и текстурирования поверхности образца; изготовления отверстий, каналов или отверстий в целевой подложке; осаждения или удаления тонких слоев материала. Устройство может работать как в режиме одноимпульсного воздействия, так и двухимпульсного (с одной или разными длинами волн) или многоимпульсного воздействия с осуществлением контроля за наведенными модификациями в режиме реального времени.

Однако, система является сложной и крупно габаритной, включает в себя большое количество приборов, что снижает показатель ненадежности установки и усложняет процесс ухода за ней. Система контроля в заявляемом устройстве состоит только из датчика определения третьей гармоники длинноволнового излучения. Тогда как для осуществления обратной связи известное решение для управления параметрами пучка содержит крупногабаритные устройства - спектрометр, усилитель импульсов (стретчер, компрессор). Еще одним недостатком известной системы является использование импульсов с энергией более 1 мкДж, что требует использования мощного лазера. Заявляемая технология (способ и устройство) является более простой и экономичной, требует потребления меньшей энергии для формирования структурированных образцов (микродефектов) (энергия обоих импульсов является меньше 1 мкДж) при обеспечении высокой точности позиционирования микро-нано дефектов.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание управляемых по размеру точечных модификаций в объеме широкозонных диэлектриков посредством управления энерговкладом (объемной плотностью поглощенной материалом энергии) при воздействии на образец пары фемтосекундных низкоэнергетических (Е<1 мкДж) импульсов с разными длинами волн с осуществлением регистрации и контроля процессов, протекающих при модификации образца в режиме реального времени, а также возможностью последующего исследования наведенных дефектов, не вынимая образец из установки.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности высокоточного наведения контролируемых по размеру микромодификаций в объеме широкозонного диэлектрика двумя низкоэнергитичными (Е<1 мкДж) фемтосекундными остросфокусированными (NA=0.4) импульсами разных длин волн с возможностью контроля за протекающими процессами в режиме реального времени и последующей визуализацией наведенного дефекта при упрощении технологии (способа и устройства).

Поставленная задача решается тем, что способ формирования дефектов в объеме и/или на поверхности образца диэлектрика включает:

- генерацию лазерных излучений на двух длинах волн фемтосекундной длительности (импульсов гауссовой формы) в коротковолновом (УФ-видимом) диапазоне с линейной поляризацией и длинноволновом (ближнем-среднем ИК) диапазоне с круговой поляризацией, соответственно, с последующей их фокусировкой в заданной точке в объеме и/или на поверхности образца,

- определение пороговых энергий для каждого излучения,

- сведение двух сфокусированных импульсов в объеме образца в пространстве и во времени с определением временной задержки второго длинноволнового импульса относительно первого - коротковолнового,

- последующим воздействием на образец лазерными импульсами с найденными параметрами, и контролем как процесса создания дефектов, так и параметров созданных дефектов,

при этом сведение двух сфокусированных импульсов в пространстве и во времени осуществляют в два этапа, на первом из которых осуществляют «грубое» сведение сфокусированных импульсов без образца посредством визуализации областей фотолюминесценции плазмы от обоих импульсов, и совмещения полученных изображений, при этом временную задержку между импульсами определяют по минимальному значению нелинейного пропускания длинноволнового импульса от величины временной задержки между импульсами, на втором этапе осуществляют сведение сфокусированных импульсов в объеме и/или на поверхности образца посредством наведения модификации коротковолновым импульсом с энергией, больше Е_{порог кв} и последующей юстировкой фокуса длинноволнового импульса с энергией меньшей Е_{порог дв} до регистрации максимального сигнала третьей гармоники от длинноволнового импульса, после чего максимальное значение третьей гармоники определяют в режиме движения образца с получением пересечения перетяжек двух сфокусированных импульсов с максимально возможной микронной точностью, при этом повторно определяют временную задержку между импульсами в образце аналогично первому этапу;

а контроль процесса создания дефектов осуществляют посредством регистрации сигнала несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующегося на неоднородностях, образованных наведенной плазмой в области перетяжки, с одновременной регистрацией прошедшего длинноволнового излучения, а контроль параметров созданных дефектов осуществляют посредством регистрации сигнала несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующегося на образованных дефектах.

Для создания более одного дефекта образец перемещают синхронно с частотой следования импульсов на заданное расстояние. В наилучшем варианте осуществления изобретения длинноволновое излучение используют в диапазоне 1,2-5,0 мкм, коротковолновое - 0,2-0,7 мкм, диапазон энергий длинноволнового излучения составляет 0,9-0,95 Е_{порог дв}, коротковолнового - 0,3-0,9 Е_{порог кв}. Пороговые энергии излучений определяют посредством регистрации нелинейного пропускания соответствующего излучения, или регистрации сигнала третьей гармоники от длинноволнового излучения, генерирующегося на лазерно-индуцированной плазме, созданной коротковолновым излучением. Визуализацию областей фотолюминесценции плазмы от двух сфокусированных импульсов осуществляют с помощью ПЗС камер с использованием микрообъективов в двух проекциях.

Поставленная задача решается также тем, что система для создания дефектов в объеме и/или на поверхности образца диэлектрика лазным излучением включает:

- источник лазерного излучения, выполненный с возможностью формирования лазерного излучения на двух длинах волн фемтосекундной длительности (гауссовой формы) в коротковолновом (УФ-видимом) диапазоне с линейной поляризацией и длинноволновом (ближнем-среднем ИК) диапазоне с круговой поляризацией, соответственно,

- два канала излучения, коротковолнового и длинноволнового, соединенные с источником лазерного излучения, с размещенными в них блоками изменения и контроля энергии излучения, при этом в длинноволновом канале расположена линза для компенсации разницы фокусных расстояний для разных длин волн,

- блок контроля временной задержки второго длинноволнового импульса относительно первого - коротковолнового посредством изменения оптической длины пути излучения, размещенный в одном из каналов,

- блок фокусировки коротковолнового и длинноволнового излучений,

- блок визуализации областей фотолюминесценции плазмы от двух сфокусированных импульсов, включающий две ПЗС камеры с микрообъективами, направленные на образец и соединенные с ПК, расположенные во взаимно перпендикулярных направлениях, выполненные с возможностью перемещения по трем осям (х у z);

- средства перемещения образца в трех направлениях,

- блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов в или на поверхности образца,

при этом блок изменения и контроля энергий излучений, блок контроля временной задержки, блок визуализации, средство перемещения образца, блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов выполнены с возможностью подключения к ПК.

Блок изменения и контроля энергии излучения в одном из вариантов осуществления изобретения включает четвертьволновую пластинку, призму Глана и полупроводниковый датчик интенсивности излучения требуемой длины волны, при этом пластина и призма предназначены для изменения энергии излучения.

Блок контроля временной задержки в одном из вариантов осуществления изобретения включает два диэлектрических зеркала, выполненных с возможностью осевого перемещения.

Блок фокусировки в одном из вариантов осуществления изобретения включает фокусирующую линзу с параметром NA в диапазоне 0,3-0,5, выполненную с возможностью перемещения по трем осям.

Линза для компенсации разницы фокусных расстояний имеет фокусное расстояние от 30-70 см, в зависимости от длин волн излучений.

Блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов в одном из вариантов осуществления изобретения включает коллимирующую линзу, собирающую выходящие из образца излучение, и три датчика интенсивности для трех разных длин волн - длинноволнового излучения, коротковолнового излучения, третьей гармоники длинноволнового излучения.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлено расположение функциональных блоков, описанных в формуле изобретения, на фиг. 2 - схематично представлена экспериментальная установка с всеми оптическими элементами, на фиг. 3 подробно (со всеми оптическими элементами) показан блок визуализации областей фотолюминесценции плазмы, на фиг. 4 представлено изображение, получающееся на экране ПК, областей люминесценции плазмы, где стрелки показывают направления совмещения областей фотолюминесценции плазм. На фиг. 5 подробно показан блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов. Фиг. 6-8 демонстрируют результаты экспериментов. В частности, на фиг. 6 показаны результаты по определению пороговой энергии плазмообразования длинноволнового излучения (1240 нм, 200 фс) в плавленом кварце по средствам измерения нелинейного пропускания длинноволнового излучения 25 и измерения сигнала несинхронной третьей гармоники 26, генерирующейся на плазме (в эксперименте использовалась фокусирующая линза А240ТМ). Из фиг. 6 видно, что при использовании эффекта генерации третьей гармоники порог плазмообразования определяется точнее. Порог плазмообразования соответствует точке нала роста сигнала третьей гармоники. Эволюция сигналов третьей гармоники 28 и нелинейного пропускания длинноволнового излучения 27 в зависимости от задержки между импульсами показана на фиг. 7. Ноль на оси времени отвечает моменту совпадению максимумов огибающих импульсов во времени (при отрицательных задержках длиноволновый импульс приходит в среду раньше коротковолнового). Оптимальная задержка соответствует минимуму сигнала пропускания длинноволнового импульса и локальному минимуму в сигнале третьей гармоники. На фиг. 8 представлены результаты экспериментов по модификации плавленого кварца. На фиг. 8а изображен дефект в плавленом кварце, полученный в 100Х оптическом микроскопе, наведенный с использование в качестве коротковолнового импульса излучение с параметрами 620 нм, 150 фс, 0,3 E_{порог кв} и в качестве длинноволнового импульса - 1240 нм, 200 фс, 0,9 Е_{порог дв}. На фиг. 8б, в показаны поперечный и продольный профили дефекта, соответственно, полученные по средствам регистрации сигнала третьей гармоники 29, и с помощью оптического микроскопа 30. На фиг. 8д представлено схематичное изображение полученных модификаций. На фиг. 8е показаны изображения модификаций на оптическом микроскопе, полученных при разных энергиях коротковолнового импульса. Темная область (коэффициент отражения меньше, чем у чистого материала) - область разряженной плотности, светлая область (коэффициент отражения больше, чем у чистого материала) - уплотненная оболочка.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - источник лазерного излучения

2 - блок изменения и контроля энергии в каналах (возможно использовать четвертьволновую пластинку и призму Глана, для определения энергии полупроводниковый датчик интенсивности для измеряемой длины волны)

3 - линза для компенсации разницы фокусных расстояний для разных длин волн

4 - блок фокусировки коротковолнового и длинноволнового излучения

5 - блок управления временной задержки

6 - блок визуализации областей фотолюминесценции плазмы

7 - блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов

8 - делитель пучка на два канала

9 - полуволновая пластинка

10 - призма Глана

11 - полупроводниковый датчик контроля падающей энергии

12 - нелинейный кристалл, служащий для преобразования излучения в более высокую гармонику в одном из каналов

13 - линейный шаговый двигатель, изменяющий оптическую длину пути одного из каналов

14 - диэлектрическое зеркало, закрепленное на шаговом двигателе 13

15 - диэлектрическое зеркало, закрепленное на шаговом двигателе 13

16 - трехосевой моторизованный шаговый двигатель, на котором закреплен образец

17 - ПЗС камера в плоскости XZ

18 - микрообъектив к ПЗС камера в плоскости XZ

19 - ПЗС камера в плоскости XY

20 - микрообъектив к ПЗС камера в плоскости XY

21 - образец

22 - область фотолюминесценции плазмы в кристалле плавленого кварца от длинноволнового излучения

23 - область люминесценции плазмы в кристалле плавленого кварца от коротковолнового излучения

24 - коллимирующая линза, собирающее излучения, расходящееся от образца

25 - полупроводниковый датчик на соответствующую длину волны, измеряющий интенсивность прошедшего излучения (либо длинноволновое излучение, либо коротковолновое излучение)

26 - полупроводниковый датчик на соответствующую длину волны, измеряющий интенсивность прошедшего излучения (либо длинноволновое излучение, либо коротковолновое излучение)

27 - фотоэлектронный умножитель, регистрирующий сигнал третьей гармоники

28 - график нелинейного пропускания длинноволнового излучения

29 - график зависимости сигнала третьей гармоники от падающей энергии длинноволнового излучения

30 - график нелинейного пропускания длинноволнового излучения от величины временной задержки между импульсами

31 - график зависимости сигнала третьей гармоники от величины временной задержки между импульсами

32 - профиль модификации (поперечный фиг. 8б, продольный фиг. 8в), полученный по средствам регистрации сигнала третьей гармоники

33 - профиль модификации (поперечный фиг. 8б, продольный фиг. 8в), полученный по средствам анализа изображения, полученного в оптическом микроскопе (фиг. 8а).

Осуществление изобретения

Заявляемая группа изобретений может быть реализована с помощью системы (экспериментальной установки), представленной на фиг. 1-2. В одном из вариантов реализации установка для воздействия на объем и/или поверхность диэлектрика парой остросфокусированных фемтосекундных лазерных импульсов включает в себя следующие элементы: лазерная система 1, затем делитель пучка на два канала 8 (один канал длинноволнового импульса, второй коротковолнового импульса). Энергия излучения в каждом канале варьируется независимо с помощью полуволновой пластины 9 и призмы Глана 10, а контроль за энергией осуществляется с помощью полупроводникового датчика на измеряемую длину волны 11, подключенного к ПК (эти три элемента вместе составляют блок изменения и контроля энергии излучения 2). В канале коротковолнового импульса находится нелинейный кристалл 12, служащий для преобразования излучения, выходящего из лазерной системы (основного излучения), в более высокую гармонику, а также фильтр для отрезания основного излучения. В этом же канале стоит блок контроля временной задержки 5, который включает в себя линейный шаговый двигатель 13, управляемый ПК, перемещающий два диэлектрических зеркала 14-15. В канале длинноволнового излучения после блока изменения и контроля энергии излучения 2 стоит линза для компенсации разницы фокусных расстояний 3, возникающей из-за использования излучений разных длин волн, с возможностью юстировки по трем осям. В блок фокусировки коротковолновое и длинноволновое излучения «заходят» по одному треку, сам блок состоит из фокусирующей асферической линзы 4 со значениями NA в диапазоне 0,3-0,5 с возможностью юстировки по трем осям. В фокусе линзы находится моторизованный трехосевой шаговый двигатель 16, на котором стоит держатель для образца. По двум сторонам (сверху и сбоку) в перпендикулярных направлениях размещены две ПЗС камеры с микрообъективами 17-20, передающие изображения области фотолюминесценции плазмы (фиг. 4) на ПК - это составляет блок визуализации 6. За блоком визуализации 6 находится блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов в объеме и/или на поверхности образца 7. Блок состоит из коллимирующей линзы 24 и из двух дихроичных зеркал и набора фильтров, служащих для отделения излучения одной длины волны, и двух полупроводников датчиков измерения интенсивности излучения соответствующей длины волны 25, 26. Сигнал третьей гармоники регистрируется фотоэлектронным умножителем 27, перед которым устанавливают набор фильтров и поляризатор для отсечения сигнала коротковолнового излучения (поляризации коротковолнового излучения и третьей гармоники перпендикулярны).

Способ микромодификации объема и/или поверхности образца осуществляют при последовательном воздействии на образец парой фемтосекундных лазерных импульсов разной длины волны.

Способ начинается с генерации фемтосекундных импульсов гауссовой формы с разными длинами волн в УФ-видимом диапазонах (коротковолновое излучение) с линейной поляризацией и ближнем-среднем ИК диапазоне (длинноволновое излучение) с круговой поляризацией. Следующим шагом определяют пороговые энергии плазмообразования (Е_порог) для каждого из импульсов в отдельности. Процессы полевой ионизации непороговые, поэтому порогом плазмообразования названа энергия падающего излучения, при которой электронная плотность индуцированной плазмы влияла прохождение импульса через среду. Для определения порога могут быть использованы две методики: первая основана на регистрации нелинейного пропускания образца при поглощении энергии лазерного импульса в плазме 28, вторая - на эффективной генерации третьей гармоники на лазерно-индуцированной плазме 29. Излучение требуемой длины волны фокусируют в объем образца, автоматически перемещаемого с помощью моторизованного трехосевого шагового двигателя 16 (движение необходимо для того, чтобы избежать взаимодействия лазерного импульса с уже поврежденным материалом - одноимпульсный режим взаимодействия с мишенью), после чего его коллимируют линзой 24 и направляют на полупроводниковый детектор 25, 26. Нелинейное пропускание четвертой гармоники и сигнал третьей гармоники от длинноволнового излучения регистрируют с помощью фотоэлектронного умножителя 27. Значение пороговой энергии плазмообразования определяют по точке перегиба зависимости нелинейного пропускания (фиг. 6), например, см. F V Potemkin, В G Bravy, and et al., 'Overcritical Plasma Ignition and Diagnostics from Oncoming Interaction of Two Color Low Energy Tightly Focused Femtosecond Laser Pulses inside Fused Silica', Laser Physics Letters, 13 (2016), 45402 <http://dx.doi.org/10.1088/1612-2011/13/4/045402>.

Плавное изменение падающей на образец энергии происходит в блоке изменения и контроля энергии излучения 2 в каждом канале отдельно. Это осуществляется посредством вращения полуволновой пластины 9 при фиксированном положении призмы Глана 10. Значение энергии падающего излучение передается на ПК с полупроводникового датчика, куда попадает 4% излучения из канала за счет отражения Френеля от прозрачной пластинки.

Следующим шагом в заявляемом способе является сведение двух остросфокусированных импульсов, попадающих в объем образца с одной стороны, по пространству с микронной и времени с фемтосекундной точностью. Уникальная методика пространственного сведения пучков с точностью до 2 мкм и временного с точностью 8,3 фс состоит из 2 этапов. На первом этапе изображение областей люминесценции плазмы, полученных с ПЗС камер 17-20 (разрешение ПЗС камер с микрообъективами порядка 1 мкм на пиксель), совмещают по средствам юстировки диэлектрических зеркал в каналах излучений. Изображение, получаемое на ПК показано на фиг. 4, где стрелками указаны направления юстировки. При такой «грубой» настройке в воздухе достигают сведения перетяжек излучений с точностью до 15 мкм по пространству и с точностью до длительности импульса по времени. На этом этапе сведения временную задержку между импульсами определяют по минимальному значению нелинейного пропускания длинноволнового импульса 27. Для этого энергия длинноволнового импульса уменьшают до значения пороговой энергии в воздухе, и регистрируют его нелинейное поглощение 28. При совмещении двух импульсов с точностью до длительности импульсов, длинноволновый импульс начинает поглощаться плазмой, создаваемой коротковолновым импульсом, что регистрируется как резкое уменьшение энергии прошедшего сигнала 28. Для дальнейшего этапа юстировки схемы временную задержку устанавливают на положение максимума поглощения. Следующий этап - это более точное сведение перетяжек сфокусированных импульсов с микронной точностью в пространстве и с точностью до 8,3 фс во времени. Для этого местоположение перетяжки коротковолнового импульса фиксируют путем создания модификации в объеме образца в одноимпульсном режиме (коротковолновым импульсом с энергией больше Е_{порог кв}). Длинноволновым импульсом с энергией меньше пороговой (0,2 Е_{порог дв}) сканируют объем образца в направлении распространения импульсов посредством перемещения линзы для компенсации разницы фокусных расстояний по оси излучения. Совмещение перетяжки длинноволнового импульса с наведенным дефектом регистрируют по эффекту генерации несинхронной третьей гармоники. Третья гармоника в данном случае генерируется на краях дефекта, то есть в месте, где возник скачок показателя преломления. При таком сведении точность сведения в пространстве определяется длиной перетяжки пучка при энергии 0,2 Е_{порог дв}. Далее сведение проводят в динамическом режиме при движении кристалла путем максимизации эффекта генерации третьей гармоники при энергии обоих импульсов ниже порога плазмообразования. В таком режиме микроплазма локализована в области перетяжки коротковолнового излучения, и сигнал третьей гармоники будет максимальным при совмещении двух фокусов. Точность сведения пучков в пространстве определяется чувствительностью эффекта генерации третьей гармоники от длинноволнового излучения на неоднородностях показателя преломления, которая равна 1 микрону. Для более точного сведения пучков во времени проводят эксперименты по исследованию эволюции электронной плотности тандемной микроплазмы 31. После сведения пучков в пространстве снимают зависимость нелинейного пропускания длинноволнового импульса от задержки между импульсами с энергиями в каналах меньше пороговых 30. Сведение пучков с точностью до 8,3 фс во времени (точность определяется шагом линейного шагового двигателя, который используют в блоке контроля временной задержки 5) определяют двумя способами. Минимум сигнала пропускания и локальный минимум в сигнале третьей гармоники между двумя пиками наблюдают в момент, когда электронная концентрация максимальна, то есть в момент следования двух импульсов друг за другом с оптимальной временной задержкой (коротковолновый импульс приходит в среду первым) фиг. 7. Для каждого эксперимента величина оптимальной задержки будет изменяться в зависимости от длительности используемых импульсов и материала, а, именно, времени релаксации электронов в нем. Для выбора оптимальной задержки, то есть сведения импульсов по времени, снимают зависимости сигнала третьей гармоники 31 и нелинейного пропускания длинноволнового импульса 30 от задержки между импульсами.

После сведения излучений выставляют необходимую для требуемого размера модификации энергию импульсов и задержку между импульсами (для получения дефекта с минимальными размерами выставляют оптимальную задержку). Энергию в каждом канале возможно варьировать независимо с помощью полуволновой пластины и призмы Глана. Для минимальной модификации диэлектрика энергия в длинноволновом импульсе устанавливают равной 0,95 Е_{порог дв}, а в коротковолновом импульсе 0,4 Е_{порог кв}.

Далее образец устанавливают на нужную глубину путем передвижения его вдоль оси излучений, и затем при движении образца, так чтобы в одну точку попадало требуемое количество импульсов (для модификации минимального размера необходимо воздействовать на материал одной парой импульсов), создают модификации о объеме или на поверхности образца.

При этом для изменения размера наведенной модификации необходимо менять энергию в коротковолновом излучении, менять поляризацию длинноволнового импульса, менять задержку между импульсами. Изменение длин волн импульсов и изменение длительности импульсов также позволяет контролировать размер наводимой модификации.

Блок контроля процесса создания дефектов начинается с линзы 24, коллимирующей прошедшее через образец излучения на трех длинах волн (коротковолновое, длинноволновое и третья гармоника). Контроль за процессом образования модификаций осуществляют посредством регистрации сигнала несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующейся на неоднородностях (образующейся плазмы или самого дефекта) в области перетяжки, и сигнала прошедшего длинноволнового излучения. Для исследования наведенных дефектов не требуется извлекать образец из установки, регистрируют только сигнал несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующейся на неоднородностях, которыми в данном случае являются граница дефекта. Для этого при фиксированном положении фокусирующей и коллимирующей линзы передвигают образец, осуществляя при этом сканирование вдоль одной из координат слабым длинноволновым импульсом (Е=0,2 Е_{порог дв}) объема образца с наведенными микромодификациями. Профиль модификации получают из зависимости сигнала третьей гармоники от координаты 32.

Экспериментальная схема для воздействия на объем диэлектрика парой остросфокусированных фемтосекундных лазерных импульсов показана на фиг. 2. В установке использовалось излучение хром-форстеритовой лазерной системы (длина волны 1240 нм, длительность импульса 200 фс, энергия в одном импульса до 1,5 мДж, частота повторения импульсов 10 Гц). На входе в схему основное излучение (1240 нм) делилось 30/70 делителем пучка 8 на два канала: канал длинноволновый импульс (1240 нм) и канал коротковолнового излучения с длиной волны 620 нм (вторая гармоника от основного излучения). Излучение во втором канале с помощью кристалла ВВО 12 (10×10×1 мм, I тип, θ=21°, ϕ=0°, эффективность преобразования 30%) преобразовывалось во вторую гармонику - поляризация коротковолнового излучения получалась перпендикулярна поляризации длинноволнового излучения. Основное излучение блокировалось с помощью фильтра СЗС-27, после чего коротковолновое излучение попадало на линейный шаговый двигатель 16, входящий в блок контроля временной задержки (1 шаг=6,67 фс), управляемый ПК. Энергия в каждом канале варьировалась независимо с помощью полуволновой пластины 9 и призмы Глана 10. В канал длинноволнового излучения устанавливалась четвертьволновая пластинка для поворота поляризации излучения до круговой. Длинноволновое и коротковолновое излучение фокусировались в образец с помощью острофокусирующей (f=8 мм; NA-0.5/f=3.3 мм; NA=0.4) асферической линзы 4 A240TM/CAY033, однако для того чтобы скомпенсировать разницу фокусных расстояний, возникающую из-за использования излучений разных длин волн, в канал длинноволнового излучения ставилась дополнительная линза 3 для компенсации разницы фокусных расстояний (f=50 см).

Входная энергия в каждом из каналов контролировалась с помощью фотодетекторов 11 PDA-100А в канале коротковолнового излучения и PDA-50В в канале длинноволнового излучения. После прохождение через коллимирующую линзу 21 блока контроля процесса создания дефектов 7 длинноволновое излучение вместе с сигналом третьей гармоники (сгенерировавшемся в объеме образца) проходили через дихроичное зеркало (зеркало существенным образом не меняет амплитуду этих излучений), где с помощью другого дихроичного зеркала (на 1240 нм) производилось разделение двух сигналов: длинноволновое фокусировалась в приемную апертуру 26 ФД PDA-100А, а третья гармоника собиралась на фотоэлектронный умножитель 27 (Hammamatsu Н5784-04). Дополнительно перед фотоэлектронным умножителем был установлен набор фильтров и поляризатор для отсечения сигнала коротковолнового излучения (поляризации коротковолнового излучения и третьей гармоники перпендикулярны). В ходе исследований регистрировались зависимости сигнала третьей гармоники и прошедшего через образец сигнала длинноволнового излучения от времени, а также зависимость сигнала третьей гармоники от входной энергии длинноволнового и коротковолнового излучений при их фиксированной энергии соответственно. Для исключения работы по модифицированному предыдущим импульсом объему образца, он был установлен на моторизованный трехосевой шаговый двигатель 16, передвигающийся с частотой повторения импульсов.

В ходе экспериментов (28, 29) были получены следующие значения пороговых энергий для коротковолнового и длинноволнового излучений

Далее по зависимостям сигнала нелинейного пропускания длинноволнового импульса 30 и по сигналу третьей гармоники 31 от временной задержки между импульсами было получено значение оптимальной задержки, при которой наводится модификация минимального размера, равное 140 фс (F V Potemkin, Е I Mareev, and et al., 'Enhancing Nonlinear Energy Deposition into Transparent Solids with an Elliptically Polarized and Mid-IR Heating Laser Pulse under Two-Color Femtosecond Impact', Laser Physics Letters, 2017).

Для получения дефектов в качестве фокусирующей линзы 4 использовалась асферическая линза CAY033 (NA=0,4; f=3,3 мм). В эксперименте энергия длинноволнового импульса с линейной поляризацией составляла 0,8 Е_{порог дв}, а энергия коротковолнового импульса варьировалась от 0,3 Е_{порог кв} до 1 Е_{порог кв}. Фокус лазерного излучения устанавливался на 50 мкм под поверхность образца. Данная величина была выбрана для удобства дальнейшего исследования модификаций с помощью оптического микроскопа с увеличением 100Х.

На фиг. 8б, в профили микромодификации получены посредством регистрации генерации несинхронной третьей гармоники. Как показывают эти данные и изображение, полученное с оптического микроскопа, см. фиг. 8а, дефект имеет форму эллипсоида, длинная полуось которого расположена вдоль оси пучка (схематическое изображение фиг. 8г). Метод контроля процесса создания дефектов, использующий эффект генерации третьей гармоники, позволяет определить наличие как центральной области микромодификации, так и внешнего кольца, созданного ударной волной, не извлекая образец из экспериментальной установки.

Эксперимент показал, что увеличение энергии в коротковолновом импульсе от 0,3 Е_{порог кв} до 1 Е_{порог кв}, приводит к увеличению размера (диаметра внешней окружности уплотненной оболочки и разряженного ядра) наводимого дефекта от 3 мкм до 8 мкм фиг. 8д. Таким образом, была показана возможность управления размерами создаваемых дефектов. При этом использование заявляемого изобретения с параметрами пучка Гауссового профиля и соответствующей поляризацией с контролем за размером модификации в процессе ее формирования позволит формировать дефекты с уменьшенными размерами по сравнению с представленными в эксперименте, в котором размер наведенных дефектов получился в 1,3 раза меньше, чем созданный, в одноимпульсном режиме с длиной волны излучения 620 нм.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и касается способа формирования дефектов в объеме и на поверхности диэлектрика. Способ включает генерацию фемтосекундных лазерных импульсов в коротковолновом и длинноволновом диапазонах, определение пороговых энергий для каждого излучения, сведение двух сфокусированных импульсов, определение временной задержки длинноволнового импульса, воздействие на образец лазерными импульсами с найденными параметрами, контроль процесса создания дефектов. Сведение двух сфокусированных импульсов на первом этапе осуществляют посредством визуализации областей фотолюминесценции плазмы от обоих импульсов, а временную задержку между импульсами определяют по минимальному значению нелинейного пропускания длинноволнового импульса. На втором этапе сведение осуществляют путем регистрации максимального сигнала третьей гармоники от длинноволнового импульса. Контроль параметров дефектов осуществляют путем регистрации сигнала несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующегося на образованных дефектах. Технический результат заключается в повышении точности наведения излучения, уменьшении энергии импульсов и обеспечении возможности контроля процессов в режиме реального времени. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ формирования дефектов в объеме и/или на поверхности образца диэлектрика, включающий:

- генерацию лазерных излучений на двух длинах волн фемтосекундной длительности в коротковолновом диапазоне с линейной поляризацией и длинноволновом диапазоне с круговой поляризацией, соответственно, с последующей их фокусировкой в заданной точке в объеме и/или на поверхности образца,

- определение пороговых энергий для каждого излучения,

- сведение двух сфокусированных импульсов в объеме образца в пространстве и во времени с определением временной задержки второго длинноволнового импульса относительно первого - коротковолнового,

- и последующее воздействие на образец лазерными импульсами с найденными параметрами, и контроль как процесса создания дефектов, так и параметров созданных дефектов,

при этом сведение двух сфокусированных импульсов в пространстве и во времени осуществляют в два этапа, на первом из которых осуществляют «грубое» сведение сфокусированных импульсов без образца посредством визуализации областей фотолюминесценции плазмы от обоих импульсов и совмещения полученных изображений, при этом временную задержку между импульсами определяют по минимальному значению нелинейного пропускания длинноволнового импульса от величины временной задержки между импульсами, на втором этапе осуществляют сведение сфокусированных импульсов в объеме и/или на поверхности образца посредством наведения модификации коротковолновым импульсом с энергией, больше Е_{порог кв} и последующей юстировкой фокуса длинноволнового импульса с энергией меньшей Е_{порог дв} до регистрации максимального сигнала третьей гармоники от длинноволнового импульса, после чего максимальное значение третьей гармоники определяют в режиме движения образца с получением пересечения перетяжек двух сфокусированных импульсов, при этом повторно определяют временную задержку между импульсами в образце аналогично первому этапу;

а контроль процесса создания дефектов осуществляют посредством регистрации сигнала несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующегося на неоднородностях, образованных наведенной плазмой в области перетяжки, с одновременной регистрацией прошедшего длинноволнового излучения, а контроль параметров созданных дефектов осуществляют посредством регистрации сигнала несинхронной третьей гармоники от длинноволнового импульса, генерирующегося на образованных дефектах.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что для создания более одного дефекта образец перемещают синхронно с частотой следования импульсов на заданное расстояние.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что используют длинноволновое излучение в диапазоне 1,2-5,0 мкм, коротковолновое 0,2-0,7 мкм.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что используют длинноволновое излучение в диапазоне энергий 0,9-0,95 Е_{порог дв}, коротковолновое 0,3-0,9 Е_{порог кв}.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что пороговые энергии излучений определяют посредством регистрации нелинейного пропускания соответствующего излучения или регистрации сигнала третьей гармоники от длинноволнового излучения, генерирующегося на лазерно-индуцированной плазме, созданной коротковолновым излучением.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что визуализацию областей фотолюминесценции плазмы от двух сфокусированных импульсов осуществляют с помощью ПЗС камер с использованием микрообъективов в двух проекциях.

7. Система для создания дефектов в объеме и/или на поверхности образца диэлектрика, включающая:

- источник лазерного излучения, выполненный с возможностью формирования лазерного излучения на двух длинах волн фемтосекундной длительности в коротковолновом диапазоне с линейной поляризацией и длинноволновом диапазоне с круговой поляризацией, соответственно,

- два канала излучения, коротковолнового и длинноволнового, соединенные с источником лазерного излучения, с размещенными в них блоками изменения и контроля энергии излучения, при этом в длинноволновом канале расположена линза для компенсации разницы фокусных расстояний для разных длин волн,

- блок контроля временной задержки второго длинноволнового импульса относительно первого - коротковолнового посредством изменения оптической длины пути излучения, размещенный в одном из каналов,

- блок фокусировки коротковолнового и длинноволнового излучений,

- блок визуализации областей фотолюминесценции плазмы от двух сфокусированных импульсов, включающий две ПЗС камеры с микрообъективами, направленные на образец, расположенные во взаимно перпендикулярных направлениях, выполненные с возможностью перемещения по трем осям (x y z),

- средства перемещения образца в трех направлениях,

- блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов в или на поверхности образца,

при этом блок изменения и контроля энергий излучений, блок контроля временной задержки, блок визуализации, средство перемещения образца, блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов подключены к ПК.

8. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что блок изменения и контроля энергии излучения включает четвертьволновую пластинку, призму Глана и полупроводниковый датчик интенсивности излучения требуемой длины волны, при этом пластина и призма предназначены для изменения энергии излучения.

9. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что блок контроля временной задержки включает два диэлектрических зеркала, выполненных с возможностью осевого перемещения.

10. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что блок фокусировки включает фокусирующую линзу с параметром NA в диапазоне 0,3-0,5, выполненную с возможностью перемещения по трем осям.

11. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что линза для компенсации разницы фокусных расстояний имеет фокусное расстояние от 30-70 см, в зависимости от длин волн излучений.

12. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов включает коллимирующую линзу, выполненную с возможностью сбора выходящего из образца излучения, и три датчика интенсивности для трех разных длин волн - длинноволнового излучения, коротковолнового излучения, третьей гармоники длинноволнового излучения.