Лазерная модификация структуры стеклокерамических материалов (фоточувствительных, пористых, кварцевых стекол и т.д.) с целью создания новых элементов фотоники, микрофлюидики, сенсорики и т.д.

Исследование фазово-структурных превращений в стеклокерамических средах под действием лазерного излучения

Возможность локальной модификации структуры в объеме стеклокерамических материалов существенно расширяет диапазон практического применения эти материалов. Наиболее перспективными материалами для микроэлементов, приборов и устройств являются силикатные стекла, оптически прозрачные и обладающее высокой механической, химической, термической, оптической и биологической стойкостью. Однако, по тем же самым причинам прецизионная микрообработка кварцевого стекла до сих пор остается весьма сложной задачей, реализация которой требует множества различных операций и значительного времени для изготовления готовой продукции. В настоящее время лаборатории на чипе, устройства фотоники, микро- и оптофлюидики, биочипы и т.д. все чаще изготавливаются с применением лазерных технологий. В связи с этим, изучению механизмов структурно-фазовой превращений, изменений оптических свойств, химического состава материала, индуцированных воздействием лазерного излучения, отводится особая роль. 

Наиболее распространенным материалом при лазерном изготовления микросистемной техники является фотоструктурируемое стекло марки Foturan. Изготовление прообразов микросистем в таком стекле традиционно осуществляется с помощью фемтосекундной лазерной записи, а их «проявление» путем кристаллизации фотоактивированных участков стекла при тепловом отжиге в печи. В местах лазерного облучения после тепловой обработки формировалась кристаллическая фаза метасиликата лития (Li2SiO3), удаляемая в процессе последующего химического травления в водном растворах плавиковой кислоты. Длительность теплового отжига в печи (6-8 ч.), необходимая для формирования кристаллической фазы, существенно ограничивает производительность процесса и возможности его контроля. Для решения этой проблемы коллективом лаборатории впервые было предложено использовать вместо теплового отжига в печи фототермическое воздействие излучения СО2-лазера. Для локализации зон кристаллизации, а также осуществления фазовых превращений в объеме стекла было предложено использовать предварительную запись областей модификации пико- и фемтосекундными лазерными импульсами (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Относительная оптическая плотность (ΔD) областей модификации (слева), а также фотографии этих областей до и после фототермической обработки излучением СО2 лазера, либо тепловой обработки в печи. На графике указаны размеры поперечного сечения областей

Комбинированное воздействие пико- или фемтосекундных лазерных импульсов и СО2-лазерного излучения позволило значительно сократить (до 15-45 мин и менее) длительность фазовых превращений (рис. 2). В результате применения фототермической лазерной обработки появилась возможность не только локальной кристаллизации в объеме стекла, но и вторичной аморфизации кристаллизованных зон (без теплового отжига в печи). Благодаря лазерной обработки становиться возможной оперативная корректировка структурной модификации стекла и управление фазовым составом зон кристаллизации.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Схематическое изображение лазерной обработки; микрофотографии областей модификации, их кристаллизация и вторичная аморфизация при фототермической обработке; термограмма при кристаллизации в объеме ФС

Р.А. ЗаколдаевМ.М. СергеевГ.К. КостюкВ.П. Вейко