RU2671150C1 - Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation - Google Patents
Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671150C1 RU2671150C1 RU2017130865A RU2017130865A RU2671150C1 RU 2671150 C1 RU2671150 C1 RU 2671150C1 RU 2017130865 A RU2017130865 A RU 2017130865A RU 2017130865 A RU2017130865 A RU 2017130865A RU 2671150 C1 RU2671150 C1 RU 2671150C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- long
- wave
- pulses
- sample
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
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.The present invention relates to a technology for the formation of micro- and nanoscale defects in the volume and / or on the surface of transparent materials - dielectrics by means of laser femtosecond volumetric processing of dielectrics (micromachining), and can be used including when creating optical schemes, Bragg gratings inside fibers, biosensors, laboratory-on-a-chip, in tissue engineering when creating scaffold structures, three-dimensional information recording, etc.
Уровень техникиState of the art
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.Technical solutions are known from the prior art that provide micro-nano-processing (guidance of point defects or multiple point defects) of a surface and / or volume of a material with a single-pulse action, a sequence of the same femtosecond pulses, a non-Gaussian pulse, or combined pulses of different wavelengths. In this case, crystals (≈10 * 10 * 5 mm) or films (≈25 * 25 * 2 mm) of wide-band dielectrics, such as fused silica, sapphire, as a rule, act as an object of processing. The result of processing is a point ablation of the material on the surface or a plurality of such defects on the surface or a point change in the internal structure of the material, most often recorded as a change in the refractive index, in the bulk of the sample or a plurality of such defects.
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).In particular, a prior art method for modifying the surface of a material is known (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>.) To obtain round craters with a diameter of 500 nm and a depth of 70 nm, resulting from the processing of the material by two femtosecond pulses with different wavelengths (first pulse: 70 fs 266 nm; second pulse: 60 fs 800 nm) with a delay between them 60 fs. The proposed method for two-color exposure to a substance combines the advantages associated with operating in the short-wavelength range of wavelengths, namely, the small size of micromodification (the dimensions of induced defects are close to the diffraction limit for a given wavelength) and the small degree of photonity of the multiphoton ionization process, which allows to reduce energy of the pulse acting on the material, in the long-wavelength range - effective avalanche ionization. The first (seed) short-wave pulse, by multiphoton ionization, creates seed electrons in the medium, which are used by the second (heating) long-wave pulse to trigger avalanche ionization. The method of two-color exposure is characterized by a two-stage effect on the material, which allows controlling the processes of plasma formation, and, consequently, the size of induced modifications. This article explores the possibility of reducing energy in the first short-wavelength pulse without changing the spatial resolution (that is, maintaining the possibility of inducing defects with a diameter close to the diffraction limit), which will make it possible to use cheaper equipment in the future for processing materials (commercial fiber lasers instead of high-power lasers) .
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.The method for producing defects on the surface of fused silica, presented in this article, involves focusing on the sample surface in one region of two radiations with different lenses, with the possibility of independent change in the pulse energy using ND filters, reducing two pulses in time using the differential frequency generation effect in an additional BBO nonlinear crystal. The necessary energies in the beams, and the threshold energies of optical breakdown in the single-pulse mode and in the double-pulse mode, were found by visualizing the induced defect using a CCD camera. The optimal delay between pulses, at which the minimum threshold energy of the short-wavelength pulse is reached, was found by visualizing the induced defect using a CCD camera for different values of the delay and for different energy of the long-wavelength pulse. Also, the modifications obtained in the experiment in the above work were investigated using an optical microscope and a scanning electron microscope. It was shown that the use of a long-wavelength pulse with circular polarization makes it possible to reduce the threshold energy of the first short-wavelength pulse in comparison with the use of a linearly polarized second pulse, however, there was no difference in the sizes of induced defects.
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.However, this solution does not provide the possibility of creating defects in the volume of the material, including due to the lack of visualization tools for the resulting defects in volume and the information of two pulses in space and in the volume of the sample. In addition, filter sets are used to change the energies in both channels, which does not allow smoothly (continuously) changing pulse energies. An additional nonlinear crystal is used to determine the time of femtosecond pulses in time, which complicates the design of the setup and increases its cost. Determining the optimal delay between pulses is associated with the need to register the appearance of modifications, which requires appropriate equipment and is not an optimal solution. In addition, there is no possibility of monitoring the process of creating modifications in real time. The size of the induced defect is measured using a scanning electron microscope, which is located separately from the microprocessing unit for materials, and therefore, for carrying out control studies of defects, it is necessary to extract a sample from the unit.
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.Closest to the claimed solution is a femtosecond laser system with process control and feedback (US 2011139760), including a femtosecond laser, optical frequency conversion, beam control optics, target (target) motion control, processing camera, diagnostic systems and system control modules providing control of the processing of laser materials. The system allows real-time changes to processing parameters, in particular, you can configure the system for a specific application and make sure you achieve the desired result. The system includes a device for generating optical pulses, in which each pulse can have individual characteristics. The device comprises laser means for generating pulses, control means that controls the laser means and beam manipulation means for controlling the pulse width, wavelength, repetition rate, polarization characteristics and / or time delay of pulses containing burst pulses. The device generates feedback data based on the measured pulse width, wavelength, repetition rate, polarization characteristics and / or time delay for the control means. In one embodiment of the invention, the laser means may comprise a fiber amplifier that uses tensile grids and compressor grids. The beam manipulation means may comprise a plurality of devices, for example, an optical gating device that measures the duration of the laser pulses, a power meter that measures the power of the laser pulses output from the laser means, or a photodiode that measures the repetition frequency of the laser pulses.
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.In another embodiment, the beam control means optically converts the fundamental frequency of the generated laser pulses into one or more other optical frequencies and includes at least one optical element that converts a portion of the fundamental laser pulses into at least one harmonic of a higher order. The optical device may comprise a non-linear crystalline device that controls the orientation of the crystal. Preferably, the means for converting the optical frequency include a spectrometer that measures the predetermined parameters of the pulses output from the non-linear crystalline device and generates feedback for the control means. Another embodiment of the beam control means comprises telescopic optical devices for controlling the size, shape, divergence or polarization of the input laser pulses and steering optics for controlling the location of the laser pulse impact on the target substrate. The device may further comprise a device that monitors the characteristics of the laser pulses and generates feedback for the controls.
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.The above device can be used to change the refractive index of the target substrate; surface marking, subsurface marking and texturing of the sample surface; making holes, channels or holes in the target substrate; deposition or removal of thin layers of material. The device can operate both in single-pulse mode and in double-pulse mode (with one or different wavelengths) or in multi-pulse mode with real-time monitoring of the induced modifications.
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.However, the system is complex and large-sized, includes a large number of devices, which reduces the reliability of the installation and complicates the process of caring for it. The control system in the inventive device consists only of a sensor for determining the third harmonic of long-wave radiation. Whereas for providing feedback, the known solution for controlling the beam parameters contains large-sized devices - a spectrometer, a pulse amplifier (stretcher, compressor). Another disadvantage of the known system is the use of pulses with an energy of more than 1 μJ, which requires the use of a powerful laser. The inventive technology (method and device) is simpler and more economical, requires less energy to form structured samples (microdefects) (the energy of both pulses is less than 1 μJ) while ensuring high accuracy of positioning of micro-nano defects.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
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.The present invention is the creation of size-controlled point modifications in the volume of wide-gap dielectrics by controlling the energy input (volume density of the energy absorbed by the material) when a sample is exposed to a pair of femtosecond low-energy (E <1 μJ) pulses with different wavelengths with the registration and control of processes occurring when the sample is modified in real time, as well as the possibility of subsequent investigation of induced defects without removing the sample from installation.
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).The technical result of the invention is the provision of high-precision guidance of size-controlled micromodifications in the volume of a wide-gap dielectric by two low-energy (E <1 μJ) femtosecond sharply focused (NA = 0.4) pulses of different wavelengths with the possibility of real-time monitoring of ongoing processes and subsequent visualization of the induced defect while simplifying the technology (method and device).
Поставленная задача решается тем, что способ формирования дефектов в объеме и/или на поверхности образца диэлектрика включает:The problem is solved in that the method of forming defects in the volume and / or on the surface of the dielectric sample includes:
- 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,- generation of laser radiation at two wavelengths of femtosecond duration (Gaussian pulses) in the short-wave (UV-visible) range with linear polarization and the long-wave (near-medium IR) range with circular polarization, respectively, with their subsequent focusing at a given point in the volume and / or on the surface of the sample,
- определение пороговых энергий для каждого излучения,- determination of threshold energies for each radiation,
- сведение двух сфокусированных импульсов в объеме образца в пространстве и во времени с определением временной задержки второго длинноволнового импульса относительно первого - коротковолнового,- the reduction of two focused pulses in the volume of the sample in space and time with the determination of the time delay of the second long-wave pulse relative to the first short-wave,
- последующим воздействием на образец лазерными импульсами с найденными параметрами, и контролем как процесса создания дефектов, так и параметров созданных дефектов,- subsequent exposure to the sample with laser pulses with the found parameters, and control of both the process of creating defects and the parameters of the created defects,
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 Епорог кв и последующей юстировкой фокуса длинноволнового импульса с энергией меньшей Епорог 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;at the same time, two focused pulses are reduced in space and in time in two stages, in the first of which “rough” reduction of focused pulses without a sample is performed by visualizing the plasma photoluminescence regions from both pulses and combining the obtained images, while the time delay between pulses is determined the minimum value of the nonlinear transmission of a long-wave pulse from the value of the time delay between pulses, at the second stage, focuses are reduced ovannyh pulses in the volume and / or on the surface of the sample by pointing modification short-pulse with energy greater E threshold q and subsequent alignment of focus longwave pulse with an energy smaller than E threshold dd before the registration of the maximum of the third harmonic signal from the long wavelength pulse, then the maximum value of the third harmonic determined in the mode of movement of the sample to obtain the intersection of the constrictions of two focused pulses with the highest possible micron accuracy, while repeatedly predelyayut time delay between the pulses in a sample similar to the first step;
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.and the control of the process of creating defects is carried out by recording the signal of the nonsynchronous third harmonic from the long-wave pulse generated by the inhomogeneities formed by the induced plasma in the waist region, while registering the transmitted long-wave radiation, and the parameters of the created defects are controlled by recording the signal of the non-synchronous third harmonic from the long-wave pulse, generated by formed defects.
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 Епорог дв, коротковолнового - 0,3-0,9 Епорог 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.To create more than one defect, the sample is moved synchronously with the pulse repetition rate by a given distance. In the best embodiment of the invention, long-wave radiation is used in the range 1.2-5.0 μm, short-wave - 0.2-0.7 μm, the energy range of long-wave radiation is 0.9-0.95 E threshold dv , short-wave - 0, 3-0.9 E threshold sq . The threshold radiation energies are determined by recording non-linear transmission of the corresponding radiation, or registering a third harmonic signal from long-wave radiation generated by laser-induced plasma generated by short-wave radiation. Visualization of plasma photoluminescence regions from two focused pulses is carried out using CCD cameras using micro lenses in two projections.
Поставленная задача решается также тем, что система для создания дефектов в объеме и/или на поверхности образца диэлектрика лазным излучением включает:The problem is also solved by the fact that the system for creating defects in the volume and / or on the surface of the dielectric sample by laser radiation includes:
- 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,- a laser radiation source configured to generate laser radiation at two wavelengths of femtosecond duration (Gaussian shape) in the short-wave (UV-visible) range with linear polarization and the long-wave (near-average IR) range with circular polarization, respectively,
- 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,- two radiation channels, a short-wavelength and a long-wavelength, connected to a laser radiation source, with blocks for changing and controlling the radiation energy located in them, while in the long-wave channel there is a lens to compensate for the difference in focal lengths for different wavelengths,
- блок контроля временной задержки второго длинноволнового импульса относительно первого - коротковолнового посредством изменения оптической длины пути излучения, размещенный в одном из каналов,- a control unit for the time delay of the second long-wave pulse relative to the first short-wave pulse by changing the optical path length of the radiation, located in one of the channels,
- блок фокусировки коротковолнового и длинноволнового излучений,- block focusing short-wave and long-wave radiation,
- 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);- a unit for visualizing regions of plasma photoluminescence from two focused pulses, including two CCD cameras with micro lenses aimed at the sample and connected to a PC located in mutually perpendicular directions, arranged to move along three axes (x y z);
- средства перемещения образца в трех направлениях,- means of moving the sample in three directions,
- блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов в или на поверхности образца,- a control unit for the process of creating defects and parameters of the created defects in or on the surface of the sample,
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.at the same time, the unit for changing and controlling the radiation energies, the time delay control unit, the visualization unit, the sample moving means, the control unit for the process of creating defects and the parameters of the created defects are made with the possibility of connecting to a PC.
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.The unit for changing and controlling the radiation energy in one embodiment of the invention includes a quarter-wave plate, a Glan prism and a semiconductor radiation intensity sensor of the desired wavelength, while the plate and prism are designed to change the radiation energy.
Блок контроля временной задержки в одном из вариантов осуществления изобретения включает два диэлектрических зеркала, выполненных с возможностью осевого перемещения.The time delay control unit in one embodiment of the invention includes two dielectric mirrors configured for axial movement.
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.The focusing unit in one embodiment of the invention includes a focusing lens with a parameter of NA in the range of 0.3-0.5, made with the possibility of movement along three axes.
Линза для компенсации разницы фокусных расстояний имеет фокусное расстояние от 30-70 см, в зависимости от длин волн излучений.The lens to compensate for the difference in focal lengths has a focal length of 30-70 cm, depending on the radiation wavelengths.
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.The control unit for the process of creating defects and parameters of created defects in one embodiment of the invention includes a collimating lens that collects radiation emanating from the sample, and three intensity sensors for three different wavelengths — long-wave radiation, short-wave radiation, and third harmonic of long-wave radiation.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
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 Eпорог кв и в качестве длинноволнового импульса - 1240 нм, 200 фс, 0,9 Епорог 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.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows the arrangement of the functional blocks described in the claims, FIG. 2 is a schematic representation of an experimental setup with all optical elements; FIG. 3 shows in detail (with all optical elements) a block for visualizing the regions of plasma photoluminescence, FIG. Figure 4 shows the image obtained on the PC screen of the plasma luminescence regions, where the arrows show the directions of alignment of the plasma photoluminescence regions. In FIG. 5 shows in detail the control unit for the process of creating defects and the parameters of the created defects. FIG. 6-8 show the experimental results. In particular, in FIG. Figure 6 shows the results of determining the threshold plasma-forming energy of long-wavelength radiation (1240 nm, 200 fs) in fused silica by measuring nonlinear transmission of long-
Позициями на чертежах обозначены:The positions in the drawings indicate:
1 - источник лазерного излучения1 - laser radiation source
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)2 - unit for changing and controlling energy in channels (it is possible to use a quarter-wave plate and a Glan prism to determine the energy of a semiconductor intensity sensor for the measured wavelength)
3 - линза для компенсации разницы фокусных расстояний для разных длин волн3 - lens to compensate for the difference in focal lengths for different wavelengths
4 - блок фокусировки коротковолнового и длинноволнового излучения4 - block focusing short-wave and long-wave radiation
5 - блок управления временной задержки5 - time delay control unit
6 - блок визуализации областей фотолюминесценции плазмы6 - block visualization of the areas of plasma photoluminescence
7 - блок контроля процесса создания дефектов и параметров созданных дефектов7 - control unit for the process of creating defects and parameters of created defects
8 - делитель пучка на два канала8 - beam divider into two channels
9 - полуволновая пластинка9 - half-wave plate
10 - призма Глана10 - Glan prism
11 - полупроводниковый датчик контроля падающей энергии11 - semiconductor sensor for controlling incident energy
12 - нелинейный кристалл, служащий для преобразования излучения в более высокую гармонику в одном из каналов12 - nonlinear crystal, used to convert radiation to a higher harmonic in one of the channels
13 - линейный шаговый двигатель, изменяющий оптическую длину пути одного из каналов13 - linear stepper motor that changes the optical path length of one of the channels
14 - диэлектрическое зеркало, закрепленное на шаговом двигателе 1314 - dielectric mirror mounted on a
15 - диэлектрическое зеркало, закрепленное на шаговом двигателе 1315 - dielectric mirror mounted on a
16 - трехосевой моторизованный шаговый двигатель, на котором закреплен образец16 - three-axis motorized stepper motor, on which the sample is mounted
17 - ПЗС камера в плоскости XZ17 - CCD camera in the XZ plane
18 - микрообъектив к ПЗС камера в плоскости XZ18 - a micro lens to the CCD camera in the XZ plane
19 - ПЗС камера в плоскости XY19 - CCD camera in the XY plane
20 - микрообъектив к ПЗС камера в плоскости XY20 - a micro lens to the CCD camera in the XY plane
21 - образец21 - sample
22 - область фотолюминесценции плазмы в кристалле плавленого кварца от длинноволнового излучения22 - region of plasma photoluminescence in a fused quartz crystal from long-wave radiation
23 - область люминесценции плазмы в кристалле плавленого кварца от коротковолнового излучения23 - region of plasma luminescence in a fused silica crystal from short-wave radiation
24 - коллимирующая линза, собирающее излучения, расходящееся от образца24 - collimating lens, collecting radiation, diverging from the sample
25 - полупроводниковый датчик на соответствующую длину волны, измеряющий интенсивность прошедшего излучения (либо длинноволновое излучение, либо коротковолновое излучение)25 - semiconductor sensor for the appropriate wavelength, measuring the intensity of the transmitted radiation (either long-wave radiation or short-wave radiation)
26 - полупроводниковый датчик на соответствующую длину волны, измеряющий интенсивность прошедшего излучения (либо длинноволновое излучение, либо коротковолновое излучение)26 is a semiconductor sensor for an appropriate wavelength, measuring the intensity of the transmitted radiation (either long-wave radiation or short-wave radiation)
27 - фотоэлектронный умножитель, регистрирующий сигнал третьей гармоники27 - photomultiplier tube that records the third harmonic signal
28 - график нелинейного пропускания длинноволнового излучения28 is a graph of nonlinear transmission of long wavelength radiation
29 - график зависимости сигнала третьей гармоники от падающей энергии длинноволнового излучения29 is a graph of the dependence of the third harmonic signal on the incident energy of long-wave radiation
30 - график нелинейного пропускания длинноволнового излучения от величины временной задержки между импульсами30 is a graph of the nonlinear transmission of long-wave radiation from the magnitude of the time delay between pulses
31 - график зависимости сигнала третьей гармоники от величины временной задержки между импульсами31 is a graph of the dependence of the third harmonic signal on the value of the time delay between pulses
32 - профиль модификации (поперечный фиг. 8б, продольный фиг. 8в), полученный по средствам регистрации сигнала третьей гармоники32 is a modification profile (transverse FIG. 8b, longitudinal FIG. 8c) obtained by means of recording the third harmonic signal
33 - профиль модификации (поперечный фиг. 8б, продольный фиг. 8в), полученный по средствам анализа изображения, полученного в оптическом микроскопе (фиг. 8а).33 is a modification profile (transverse FIG. 8b, longitudinal FIG. 8c) obtained by means of image analysis obtained in an optical microscope (FIG. 8a).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
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).The claimed group of inventions can be implemented using the system (experimental setup) shown in FIG. 1-2. In one embodiment, an apparatus for influencing the volume and / or surface of a dielectric by a pair of sharply focused femtosecond laser pulses includes the following elements: a
Способ микромодификации объема и/или поверхности образца осуществляют при последовательном воздействии на образец парой фемтосекундных лазерных импульсов разной длины волны.The method of micromodification of the volume and / or surface of the sample is carried out by sequentially exposing the sample to a pair of femtosecond laser pulses of different wavelengths.
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 (Епорог) 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>.The method begins with the generation of femtosecond pulses of a Gaussian shape with different wavelengths in the UV-visible ranges (short-wavelength radiation) with linear polarization and near-medium IR range (long-wavelength radiation) with circular polarization. The next step is to determine the threshold energy of plasma formation (E threshold ) for each of the pulses separately. Field ionization processes are nonthreshold; therefore, the incident radiation energy at which the electron density of the induced plasma affected the passage of the pulse through the medium is called the plasma formation threshold. Two methods can be used to determine the threshold: the first is based on the detection of nonlinear transmission of the sample upon absorption of the laser pulse energy in the
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.A smooth change in the energy incident on the sample occurs in the unit for changing and controlling the
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 Епорог кв). Длинноволновым импульсом с энергией меньше пороговой (0,2 Епорог 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 Епорог 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.The next step in the inventive method is to reduce two sharply focused pulses falling into the sample volume on the one hand, in space with microns and time with femtosecond accuracy. The unique technique of spatial mixing of beams with an accuracy of 2 microns and temporal with an accuracy of 8.3 fs consists of 2 stages. At the first stage, the image of the plasma luminescence regions obtained from CCD cameras 17-20 (resolution of CCD cameras with micro lenses of the order of 1 μm per pixel) is combined by means of alignment of dielectric mirrors in the radiation channels. The image obtained on the PC is shown in FIG. 4, where the arrows indicate the direction of adjustment. With such a “rough” setting in the air, the constriction of radiation is achieved with an accuracy of up to 15 μm in space and with an accuracy of the duration of the pulse in time. At this stage of the information, the time delay between pulses is determined by the minimum value of the nonlinear transmission of the long-
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 Епорог дв, а в коротковолновом импульсе 0,4 Епорог кв.After converging the radiation, the pulse energy necessary for the required size of the modification is set and the delay between pulses is set (to obtain a defect with minimum dimensions, the optimal delay is set). The energy in each channel can be varied independently using a half-wave plate and a Glan prism. For minimal modification of the dielectric, the energy in the long-wave impulse is set equal to 0.95 E threshold dv , and in the short-wave impulse 0.4 E threshold sq .
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.Next, the sample is set to the desired depth by moving it along the axis of the radiation, and then when the sample moves, so that the required number of pulses gets to one point (to modify the minimum size it is necessary to influence the material with one pair of pulses), create modifications about the volume or on the surface of the sample .
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.In this case, to change the size of the induced modification, it is necessary to change the energy in the short-wave radiation, change the polarization of the long-wave pulse, and change the delay between pulses. Changing the wavelengths of the pulses and changing the duration of the pulses also allows you to control the size of the induced modification.
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 Епорог дв) объема образца с наведенными микромодификациями. Профиль модификации получают из зависимости сигнала третьей гармоники от координаты 32.The control unit for the process of creating defects begins with
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).An experimental design for exposing a dielectric to a pair of sharply focused femtosecond laser pulses is shown in FIG. 2. The installation used radiation from a chromium-forsterite laser system (wavelength 1240 nm,
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.The input energy in each channel was monitored using
В ходе экспериментов (28, 29) были получены следующие значения пороговых энергий для коротковолнового и длинноволнового излученийIn the course of experiments (28, 29), the following threshold energies were obtained for short-wave and long-wave radiation
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).Further, according to the dependences of the nonlinear transmission signal of the long-
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 Епорог дв, а энергия коротковолнового импульса варьировалась от 0,3 Епорог кв до 1 Епорог 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.To obtain defects, the CAY033 aspherical lens (NA = 0.4; f = 3.3 mm) was used as the focusing lens 4. In the experiment, the energy of the long-wavelength pulse with linear polarization was 0.8 E threshold dv , and the energy of the short-wavelength pulse varied from 0.3 E threshold q to 1 E threshold q . The laser focus was set at 50 μm below the surface of the sample. This value was chosen for the convenience of further study of the modifications using an optical microscope with a magnification of 100X.
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.In FIG. 8b, the micromodification profiles are obtained by registering the generation of an asynchronous third harmonic. As these data and the image obtained with an optical microscope show, see FIG. 8a, the defect has the shape of an ellipsoid, the long axis of which is located along the axis of the beam (schematic representation of FIG. 8d). The method for controlling the process of creating defects using the third-harmonic generation effect allows one to determine the presence of both the central micromodification region and the outer ring created by the shock wave without extracting the sample from the experimental setup.
Эксперимент показал, что увеличение энергии в коротковолновом импульсе от 0,3 Епорог кв до 1 Епорог 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.The experiment showed that an increase in energy in a short-wave impulse from 0.3 E threshold sq to 1 E threshold sq leads to an increase in the size (diameter of the outer circumference of the densified shell and discharged core) of the induced defect from 3 μm to 8 μm of FIG. 8d Thus, the ability to control the size of the created defects was shown. Moreover, the use of the claimed invention with the parameters of the Gaussian beam profile and the corresponding polarization with control over the size of the modification during its formation will allow the formation of defects with reduced sizes in comparison with those presented in the experiment, in which the size of the induced defects was 1.3 times smaller than the created , in a single-pulse mode with a radiation wavelength of 620 nm.
Claims (26)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130865A RU2671150C1 (en) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017130865A RU2671150C1 (en) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671150C1 true RU2671150C1 (en) | 2018-10-29 |
Family
ID=64103097
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017130865A RU2671150C1 (en) | 2017-08-31 | 2017-08-31 | Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671150C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2696804C1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-08-06 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Method of surface marking with controlled periodic structures |
RU2778978C1 (en) * | 2021-09-21 | 2022-08-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственная Компания "Инновационное Медицинское Оборудование" | Method for point-by-point inscription of fibre bragg gratings by femtosecond laser radiation |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2357870C1 (en) * | 2005-08-22 | 2009-06-10 | Интернейшнел Джемстоун Реджистри Инк. | Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds |
US20110139760A1 (en) * | 2004-03-31 | 2011-06-16 | Imra America, Inc. | Femtosecond laser processing system with process parameters controls and feedback |
US20160318122A1 (en) * | 2014-01-17 | 2016-11-03 | Imra America, Inc. | Laser-based modification of transparent materials |
-
2017
- 2017-08-31 RU RU2017130865A patent/RU2671150C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110139760A1 (en) * | 2004-03-31 | 2011-06-16 | Imra America, Inc. | Femtosecond laser processing system with process parameters controls and feedback |
RU2357870C1 (en) * | 2005-08-22 | 2009-06-10 | Интернейшнел Джемстоун Реджистри Инк. | Method and system for laser marking precious stones, such as diamonds |
US20160318122A1 (en) * | 2014-01-17 | 2016-11-03 | Imra America, Inc. | Laser-based modification of transparent materials |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Xiaoming Yu и др. "Damage Formation on Fused Silica Illuminated with Ultraviolet-Infrared Femtosecond Pulse Pairs", Proceedings of SPIE, т. 9511, 2015 г., стр. 95110C-1 - 95110C-11. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2696804C1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-08-06 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Method of surface marking with controlled periodic structures |
RU2808972C1 (en) * | 2020-04-22 | 2023-12-05 | Аесс Шанхай Кемешл Эйркрафт Энджин Мэньюфэкчуринг Ко., Лтд. | Method of non-destructive testing for crack-type defects, standard part for testing and method of its production |
RU2808971C1 (en) * | 2020-04-22 | 2023-12-05 | Аесс Шанхай Кемешл Эйркрафт Энджин Мэньюфэкчуринг Ко., Лтд. | Method of non-destructive testing for lof-type defects, standard part for testing and method of its production |
RU2778978C1 (en) * | 2021-09-21 | 2022-08-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственная Компания "Инновационное Медицинское Оборудование" | Method for point-by-point inscription of fibre bragg gratings by femtosecond laser radiation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2018082136A1 (en) | Scanning type laser-induced spectral plane range analysis and detection system | |
US20040102764A1 (en) | Laser ablation | |
CN106645033B (en) | The ultrafast diagnostic device of optical element laser damage integration | |
CN111060516B (en) | Multi-channel in-situ detection device and method for subsurface defects of optical element | |
CN110440918B (en) | Space high-resolution optical fiber fluorescence spectrum imaging and positioning method and system | |
CN107421910B (en) | Terahertz strong field system of ultrashort pulse pump based on wave surface inclination method | |
CN107069156B (en) | Low-cost terahertz frequency selection surface machining system and method | |
CN114839145A (en) | Laser damage analysis test instrument | |
CN105675498A (en) | Fluorescence-Raman synchronous block detector | |
RU2671150C1 (en) | Method for forming defects in volume of dielectric sample with laser radiation | |
CN112033538B (en) | Ultrafast image device based on spectrum-time mapping | |
Ito et al. | Picosecond time‐resolved absorption spectrometer using a streak camera | |
CN108054623A (en) | A kind of system and method that " flying focus " is used to generate THz wave | |
JP3884594B2 (en) | Fluorescence lifetime measuring device | |
Tarasova et al. | Study of the filamentation phenomenon of femtosecond laser radiation | |
CN111239084A (en) | Laser-induced breakdown spectroscopy detection system with light beam stability analysis | |
Voropay et al. | Laser atomic emission spectrometer with achromatic optical system | |
CN110966928B (en) | Laser processing morphological performance time-resolved differential confocal spectrum measuring method and device | |
US20180180969A1 (en) | Generation of high energy mid-infrared continuum laser pulses | |
CN114062346A (en) | In-situ high-pressure laser heating system | |
CN110966929A (en) | Laser processing morphological performance time-resolved confocal spectrum measurement method and device | |
RU168496U1 (en) | Tunable wavelength laser device for studying the radiation resistance of integrated circuits based on Si, GaAs, SiGe to individual charged particles | |
Peters et al. | Hard X-ray–optical transient grating | |
CN220399276U (en) | Single-shot terahertz time-domain spectrometer | |
CN114361925B (en) | Laser pulse characteristic measuring device and method based on fluorescence modulation sampling |