1

Instalatie pentru micro- si nano-prelucrari cu laserul femtosecunde si picosecunde

Marian ZAMFIRESCU

marian.zamfirescu@inflpr.ro

WORKSHOP NANOLAS 28.08.2008

http://ssll.inflpr.ro

2

Cuprins

Sistemul de scriere directa cu laserul

Aplicatii

Procesare suprafetelor prin ablatie laser

Transfer de material indus cu laserul (LIFT)

Nanostructurarea suprafetelor (LIPSS)

Fotopolimerizare de doi fotoni (TPP)

Inscriere de structuri in sticle

Concluzii

3

OperatorMonitorizare Laser

Sistemul de inscriere

LASERUL femtosecunde

Sistemul experimental de scriere directa cu laserul fs (DLW)

4

Sistemului opto-mecanic pentru DLW (1)

Obiectiv de microscop- apertura numerica 0.5NA- marire 100X- distanta focala 2 mm

Translatii motorizate XYZ- gama de deplasare (4 mm)3

- pas 100 nm- precizie 400 nm

Translatii Piezo XYZ- gama de deplasare (20 m)3

- precizie 5 nm (senzor)

Vizualizare- camera 768 x 494 pixeli- lentila 200 mm

Camera Video

Translatii Motorizate

Obiectiv Microscop

Oglinda dicroica

Autofocalizare

LASER- durata de puls 180 fs- lungimea de unda 775 nm- frecventa 2 KHz

5

Sistemului opto-mecanic pentru DLW (2)

1

2

4

3

5

6

1) Fascicol laser femtosecunde;

2) Sistem de translatii XY - gama de deplasare (50 x 50 mm);

3) Oglinda dicroica;

4) Camera CCD;

5) Lentila de focalizare

6

Structuri obtinute prin gravare laser pe filme metalice

Film titan pe sticla

Film 50 nm aluminiu pe sticla

Film 50 nm aur pe sticla

10 m

100 m10 m

5 m

7

Caracterizarea structurilor obtinute prin ablatie laser

Imagini SEM. Film de Au depus pe sticla. Perioada structurilor 2 m.

8

Linii de transmisie compozite (CRLH-TL)

Circuit echivalent de CRLH-TL 1D

lungime digit lc = 50 µmlatime digit = 5 µmlungime inductanta ls =100 µmN = 5 perechi de digiti

TL = Retea de capacitori interdigitali si inductante shunt

Structura de tip CRLH-TL obtinuta prin gravare cu laserul

Structura de tip metamaterial - LH(la sute de GHz)

Circuit echivalent de CRLH-TL 2D

9

Depunere de material prin de transfer indus cu laserul(LIFT – Laser Induced Forward Transfer)

Substrat Acceptor

Substrat Donor

Laser 180 fs

Film

d <10d <10mm

- semiconductori, polimeri, tesuturi biologice -

Structura de scuterudit obtinuta prin LIFT

10

Structurare periodica a suprafetelor indusa cu laserul (LIPSS)

Perioada retelei <150 nm

Scanare in directie X

Scanare in directie Y

Scanare in directie Z

E

E

1 m

Viteza de scanare 0.01 mm/sFluenta laser 0.45 J/cm2

Atunci cand fluenta laserului este mentinuta in vecinatatea pragul de ablatie, prin scanarea probei de ZnO se formeaza structuri periodice pe suprafata, orientate perpendicular pe directia de polarizare a laserului. Imaginile SEM pun in evidenta structuri cu perioada de 150nm, mult sub lungimea de unda a laserului.

500 nm

1 m

E

11

0.005 0.01 0.05 0.1

0.45

0.28

0.57

1.10

Scaning speed (mm/s)

Laser

flu

en

ce (

J/cm

2)

30 µm

2

0

22

33

1

2

phB

e

B

e

e

kk

Ne

k

m

T

TEORIA 1. Formarea structurilor periodice este datorata interferentei dintre unda luminoasa incidenta si campul electrig al plasmei de electroni din material.

Ne – densiatatea plasmei de electroniTe – temperatura plasmei.

Studiul formarii nanostructurilor LIPSS

TEORIA 2. Efect de reorganizarea a atomilor pe suprafa in urma difuziei in prezenta campului electomagnetic al luminii.

12

Aplicatiile nanostructurilor LIPSS

• Nano-retele de difractie fabricate prin LIPSS

• Micropolarizori

• Marirea suprafetei efective pentru cresterea sensitivitatii micro-senzorilor.

Suprafata structurata de ZnO0.4 x 0.1 mm

Viteza de scanare 0.1 mm/soffset 0.5 µmSuprafata scanata 200 x 500 µm2 Fluenta laser 0.34 J/cm2

13

Fotopolimerizari in rasini fotosensibile: SU8

SU-8 :- Rasina de tip epoxy

- Absorbtie in domeniul spectral 240-400 nm

- Prin iradiere UV se genereaza acizi care ajuta la imbinarea gruparilor epoxy

- Polimerizarea (Cross-linking ) apare doar dupa incalzire la 95 oC

- Rezista pana la o temperatura de 600 0C

ETAPA 1: Depunerea pe substrat a rasinei fotosensibile (nepolimerizat) si incalzirea probei. Rasina fotosensibila devine solida.

ETAPA 2: Iradierea materialului cu laser femtosecunde focalizat. Generarea de acizi Lewis.

ETAPA 3: Accelerarea procesului de cuplare a moleculelor (cross-linking) prin incalzire la 90oC

ETAPA 4: Developarea probei in solvent PGMEA

Protocolul de procesare a probelor din SU8

14

Fotopolimerizare prin absorbtie de doi fotoni

DLW longitudinal

zy

x

k

kDLW transversal

Fascicul laser

Directie de deplasare

Fascicul laser

15

Atunci cand raportul dintre inaltimea structurilor 3D si dimensiunea lor laterala este mai mare de 20:1, structurile se prabusesc pe substrat.

Au fost create fire din SU 8 cu inaltimea de 100 m si diametru de 2 m (raport 50:1)

Modelul 3D Structura dupa developare

Structuri 3D in DLW transversal

16

Parametri laser folositi pentru realizarea de coloane in polimer :

Lumgime de unda 800 nm

Durata puls: 60 fs

Energie: 0.25 nJ

Viteza deplasare: 0.1 mm/s

Frecventa: 80 MHz

Suprafata structurilor realizate este extrem de neteda, cu rugozitate foarte redusa.

Structuri 3D in DLW transversal

17

Modelul grafic 3D simulat:

Energie laser: 0.25 nJViteza de scriere: 0.1 mm/s

Structura geometrica obtinuta:

Retea de fire orizontale consolidate de blocuri de sustinereBaza bloc: 5 x 50 mInaltime bloc: 30 mDistanta intre 2 blocuri: 100 mDiametru fire: 2 mPas intre fire: 5 m

50 m

Structuri 3D in DLW longitudinal

18

- Componente micro-optice:

microlentile, cristale fotonice, ghiduri de unda,cuploare optice ;

- “fantome” pentru OCT ;

- Medicina: obtinerea de microstructuri biocompatibile.

Aplicatiile fotopolimerizarii de 2 fotoni

50 m

19

Generare de structuri in sticle

0.28 J/cm2 0.17 J/cm2 0.07 J/cm2 Frin focalizarea laserului fs in sticla, datorita densificarii materialului se poate induce o modificare a indicelui de refractie necesara obtinerii structurii ghid de unda.

20

Structuri 3D in sticle

Structura produsa cu laserul femtosecunde intr-un bloc de cuart.

Fluenta laser 1,6 J/cm2 Viteza de scriere de 1mm/s

21

Concluzii

Au fost configurate doua sisteme de scriere directa cu laserul cu durata de puls de femtosecunde si picosecunde.

Cele doua sisteme permit producerea de micro si nano-structuri 2D si 3D cu precizie submicronica.

Microstructurarea materialelor se face utilizand efecte precum ablatia suprafetelor, polimerizarea materialelor fotosensibile sau modificarea structurii sticlelor in volum.

Instalatiile laser sunt compatibile cu tehnicile de tip Gravare Laser, LIFT, LIPSS, TPP.

Structurile obtinute prin scriere directa cu laserul au aplicatii in fabricarea de structuri de tip MEMS, metamateriale, micro-optica, etc.