Источник: depositphotos.com

Как лазерные технологии используют для микро- и нанообработки стекла

Стекло — материал, имеющий самые широкие возможности применения во многих областях науки и техники. Из него делают как простейшие пробирки, так и сложные микроаналитические системы и интегральные оптические схемы. Однако обработка стекла на микроскопическом уровне зачастую становится сложной задачей, и сотрудники кафедры лазерных технологий и систем Университета ИТМО знают, как ее решить.

Активное применение стекольной продукции началось с архитектуры макрообъектов, что было отмечено началом эпохи возведения небоскребов и других сооружений. Подобные тенденции развития позднее вдохновили инженеров и исследователей на создание микросистем, сложных в исполнении и уникальных по своим возможностям.

Преимуществом подобных микросистем является простота наблюдения за различными физико-химическими и биологическими процессами в сверхмалых объемах. К таким микросистемам обеспечен легкий доступ регистрирующего и измерительного оборудования, в первую очередь оптического, а также систем подвода и вывода исследуемых объектов. В связи с этим наиболее удачным материалом является кварцевое стекло — оптически прозрачное, с высокой химической, термической, электрической и биологической стойкостью. Однако по тем же самым причинам микрообработка стекла до сих пор остается весьма сложной задачей, реализация которой требует множества операций и значительного времени для изготовления подобных микросистем. Сотрудники Университета ИТМО из лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий раскрыли перспективы лазерно-индуцированной микро- и нанообработки стекла.

Как рассказывает научный сотрудник кафедры лазерных технологий и систем Университета ИТМО Максим Сергеев, механическими способами микро- и нанообработки стекла сложно достичь необходимого качества при создании систем с высоким разрешением. Кроме того, механические способы обработки не позволяют создавать локальные структуры в объеме стекла, размер которых может достигать нескольких долей микрометра с варьируемой глубиной их расположения. В отличие от этого, лазерные технологии позволяют осуществлять бесконтактную обработку стекла в сверхмалых объемах.

Роман Заколдаев и Максим Сергеев
Роман Заколдаев и Максим Сергеев

«Микроаналитическим устройствам (µ-total analytical systems), в том числе лабораториям на чипе (lab-on-a-chip), изготавливаемым во всем мире, уделяется огромное внимание. Однако обработка специализированного и кварцевого стекла для изготовления подобных систем представляет собой высокотехнологичный и многоэтапный процесс, что определяет конечную стоимость продукции. Ввиду этого крайне актуальной представляется разработка более доступных технологий, которые позволят сократить длительность и стоимость изготовления подобных микросистем», — объясняет Максим Сергеев.

Для решения этих задач Максим Сергеев и его коллега, инженер кафедры лазерных технологий и систем Роман Заколдаев, разрабатывают способы лазерной микрообработки стекол и стеклокерамических материалов. Пучком лазерного излучения можно записать требуемую структуру в объеме стекла и получить нужный элемент с помощью последующей тепловой или химической обработки.

«Управляя пространственно-временными характеристиками лазерного излучения, а также исходными свойствами обрабатываемого материала в виде специализированных стекол, можно получить модификацию структуры, которая будет обладать уникальными свойствами. Такие модифицированные области с особенными спектрально-оптическими и плазмонными свойствами исполняют роль функциональных элементов в составе микросистемы», — сообщает Роман Заколдаев.

Схематичное представление способа лазерной микрообработки стекол и стеклокерамических материалов
Схематичное представление способа лазерной микрообработки стекол и стеклокерамических материалов

Логическим развитием исследованием в области создания функциональных элементов микросистемной техники становится формирование наноразмерных структур в композитных материалах на основе силикатного стекла с наночастицами различных свойств. Лазерно-индуцированная организация подобных структур является достаточно сложной задачей, эффективное решение которой может быть достигнуто только при комплексном подходе. В данном случае речь идет о совмещении физических основ взаимодействия лазерного излучения с материалами и химико-технологических процессов их изготовления.

«Изучая механизмы модификации стекла можно, с одной стороны, предсказать конечный результат лазерной обработки материала с известными свойствами, а с другой — разработать новый материал под конкретные задачи с использованием существующих источников лазерного излучения. В обоих случаях конечным результатом обработки становится получение микро- и наноразмерных функциональных элементов», — добавляет Максим Сергеев.

Результаты этих исследований неоднократно были представлены в виде докладов на международных научных конференциях. В частности, доклад о структурной модификации пористых стекол ультракороткими лазерными импульсами был признан лучшим на 17 международном симпозиуме Laser Precision Microfabrication в городе Сиань (Китай), который прошел в мае 2016 года. Доклад об использовании лазерно-индуцированной микроплазмы для структурирования прозрачных диэлектриков также был признан одном из лучших в конкурсе докладов сентябрьской конференции Advanced Laser Technologies (ALT), которая проходила в Ирландии.

Статья: V. P. Veiko, S. I. Kudryashov, M. M. Sergeev, R. A. Zakoldaev, P. A. Danilov, A. A. Ionin, T. V. Antropova, I. N. Anfimova, Femtosecond laser-induced stress-free ultra-densification inside porous glass, Laser Physics Letters, April 1, 2016.

Статья: G. K. Kostyuk, R. A. Zakoldaev, M. M. Sergeev, E. B. Yakovlev, Microlens array fabrication on fused silica influenced by NIR laser, Applied Physics B, April 12, 2016.

Редакция новостного портала Университета ИТМО

Архив по годам:
Пресс-служба