Термохимическое действие лазерного излучения

Изучение термохимического действия лазерного излучения на тонкие металлические плёнки позволило создать теоретические основы лазерного получения термохимического изображения и разработать технологию лазерной термохимической записи на хромовых плёнках путём локального окисления с созданием защитного слоя оксида и последующей операции селективного травления. Основными преимуществами лазерных сканирующих методов формирования топологии планарных элементов являются простота их исполнения, возможность осуществления записи на подложках произвольной формы, кривизны и размера, высокое качество и точность записи. Критическим параметром для подобных структур является минимально доступный для записи размер элемента и связанная с ним разрешающая способность записи, повышение которой необходимо для высокоточного формирования топологии дифракционных оптических элементов. В настоящее время наиболее перспективные направления повышения пределов разрешения записи связаны с исследованием взаимного влияния термохимических, теплофизических, оптических и технологических особенностей процесса при субмикронном диапазоне размеров зоны воздействия. Важным шагом в совершенствовании лазерных термохимических технологий представляется переход к одноэтапной записи, не требующей операции проявления изображения, на плёнках металлов, образующих прозрачные оксиды (в частности, титана и олова).

Целью настоящего направления является исследование путей повышения разрешающей способности лазерной термохимической записи на тонких плёнках металлов за счет локального изменения их оптических свойств в процессе лазерного воздействия.

Теоретическое исследование процессов лазерного окисления плёнок металлов проводится преимущественно аналитическими методами, позволяющими определить закономерности изучаемых явлений, с использованием аппарата математической физики, уравнений кинетики лазерно-индуцированного окисления и нагревания и др. Теоретические результаты подтверждаются экспериментальными исследованиями с использованием YAG:Nd лазеров (в сотрудничестве с группами Полещука (ИАиЭ СО РАН, Новосибирск, Россия) и Рачукайтиса (Center for Physical Science and Technology, Вильнюс, Литва) и волоконных иттербиевых лазеров, а также аналитических методов оптической микроскопии, спектрофотометрии, тепловизионных наблюдений и др.

Экспериментально и теоретически продемонстрирована запись контрастных периодических микроструктур с разрешением 0,65 лин/мкм на тонких плёнках хрома и титана (рисунки 1, 2) путём локального окисления под действием интерферирующих лазерных пучков.

Микрофотографии записанных структур на плёнке титана после воздействия 1 (а), 10 (б), 100 (в), 1000 (г) и 10000 (д) последовательных лазерных импульсов (в проходящем свете).

   

Расчётные распределения толщин оксидных слоёв H(y) (слева) и соответствующих им долей пропускаемого света П(y) (справа) после воздействия 1 (фиолетовые линии), 10 (синие линии), 100 (зелёные линии), 1000 (оранжевые линии) и 10000 (красные линии) последовательных лазерных импульсов.

В работе были предложены методы расчета толщины слоя оксида и его пространственного распределения при действии сканирующего непрерывного лазерного излучения на ТМП, поглощательная способность которых увеличивается в процессе окисления, с учётом положительной обратной связи между температурой, толщиной слоя оксида и поглощательной способностью плёнки. Теоретически показано, что при гауссовом распределении интенсивности в лазерном пучке взаимное усиление поглощения излучения, ускорение нагревания и окисления ТМП при многократном экспонировании приводит к росту контрастности и достижимого разрешения записи.

Предложены физико-математические модели, описывающие импульсное лазерное термохимическое воздействие на ТМП, окисляющиеся по различным степенным законам с образованием прозрачных оксидных слоёв и возникновением отрицательной обратной связи между толщиной образующегося оксида и температурой пленки как для сравнительно больших, так и для сравнительно малых (субмикронных) зон воздействия.

Локальное лазерное окисление тонких металлических плёнок к настоящему времени стало одним из базовых процессов для формирования топологии дифракционных оптических элементов, широко используемых в системах оптической записи и считывания информации. Проводимые исследования показывают, что метод лазерной термохимической записи на тонких металлических пленках позволяет превысить не только температурный порог разрешения, но даже и оптический дифракционный предел λ/2 и достигнуть значений ~5000 лин/мм и выше.

Шахно Е.А. Синев Д.А.

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий