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

1. INFLPR WORKSHOP NANOLAS 28.08.2008 Instalatie pentru micro- si nano-prelucrari cu laserul femtosecunde si picosecunde Marian ZAMFIRESCU marian.zamfirescu@inflpr.ro 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. Sistemul experimental de scriere directa cu laserul fs (DLW) Sistemul de inscriere Monitorizare Laser Operator LASERUL femtosecunde

4. Camera Video Autofocalizare Oglinda dicroica Obiectiv Microscop Translatii Motorizate Sistemului opto-mecanic pentru DLW (1) • LASER • - durata de puls 180 fs- lungimea de unda 775 nm • - frecventa 2 KHz • 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 mm)3 • - precizie 5 nm (senzor) • Vizualizare • - camera 768 x 494 pixeli- lentila 200 mm

5. 4 1 6 3 5 2 Sistemului opto-mecanic pentru DLW (2) 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 50 nm aluminiu pe sticla 10 mm 100 mm Film titan pe sticla Film 50 nm aur pe sticla 10 mm 5 mm

7. Caracterizarea structurilor obtinute prin ablatie laser Imagini SEM. Film de Au depus pe sticla. Perioada structurilor 2 mm.

8. Linii de transmisie compozite (CRLH-TL) TL = Retea de capacitori interdigitali si inductante shunt Circuit echivalent de CRLH-TL 1D Structura de tip CRLH-TL obtinuta prin gravare cu laserul lungime digit lc = 50 µmlatime digit = 5 µm lungime inductanta ls =100 µm N = 5 perechi de digiti 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) - semiconductori, polimeri, tesuturi biologice - Structura de scuterudit obtinuta prin LIFT Laser 180 fs Substrat Donor Film d <10mm Substrat Acceptor

10. Structurare periodica a suprafetelor indusa cu laserul (LIPSS)‏ Scanare in directie X 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. 1 mm Scanare in directie Y Perioada retelei <150 nm Scanare in directie Z 1 mm Viteza de scanare 0.01 mm/s Fluenta laser 0.45 J/cm2 500 nm

11. 0.005 0.01 0.05 0.1 1.10 0.57 Laser fluence (J/cm2) 0.28 0.45 30 µm Scaning speed (mm/s) Studiul formarii nanostructurilor LIPSS 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 electroni Te – temperatura plasmei. 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 ZnO 0.4 x 0.1 mm Viteza de scanare 0.1 mm/s offset 0.5 µm Suprafata 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 Protocolul de procesare a probelor din SU8 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

14. z y x k k Fotopolimerizare prin absorbtie de doi fotoni Fascicul laser Fascicul laser Directie de deplasare DLW transversal DLW longitudinal

15. Structuri 3D in DLW transversal Structura dupa developare Modelul 3D Au fost create fire din SU 8 cu inaltimea de 100 mm si diametru de 2 mm (raport 50:1) Atunci cand raportul dintre inaltimea structurilor 3D si dimensiunea lor laterala este mai mare de 20:1, structurile se prabusesc pe substrat.

16. Structuri 3D in DLW transversal 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.

17. Structuri 3D in DLW longitudinal 50 mm Modelul grafic 3D simulat: Structura geometrica obtinuta: Retea de fire orizontale consolidate de blocuri de sustinere Baza bloc: 5 x 50 mInaltime bloc: 30 mDistanta intre 2 blocuri: 100 m Diametru fire: 2 m Pas intre fire: 5 m Energie laser: 0.25 nJ Viteza de scriere: 0.1 mm/s

18. Aplicatiile fotopolimerizarii de 2 fotoni • Componente micro-optice: • microlentile, cristale fotonice, ghiduri de unda,cuploare optice ; • “fantome” pentru OCT ; • Medicina: obtinerea de microstructuri biocompatibile. 50 mm

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

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.