Неразрушающий контроль наноструктурирования поверхности с помощью этикетки

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6008 (2023) Цитировать эту статью

700 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Сверхбыстрая лазерная обработка может вызвать наноструктурирование поверхности (SNS) в большинстве материалов с размерами, близкими к длине волны лазерного облучения. Определение характеристик SNS in-situ может стать ключом к точной настройке параметров лазера, что необходимо для создания сложных и/или гибридных наноструктур. Лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (LIPSS), созданные в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, создают самые захватывающие эффекты. Однако их очень сложно характеризовать неразрушающим способом, поскольку их размеры могут достигать всего 100 нм. Обычные методы оптического изображения действительно ограничены дифракционным разрешением \(\около 150\) нм. Хотя методы оптического сверхразрешения могут выходить за пределы дифракционного предела, что теоретически позволяет визуализировать LIPSS, большинство методов сверхразрешения требуют наличия небольших зондов (таких как флуорофоры), которые модифицируют образец и обычно несовместимы с прямой поверхностью. осмотр. В этой статье мы демонстрируем, что модифицированный конфокальный отражательный микроскоп (CRM) без меток в режиме переназначения фотонов (также называемый микроскопией повторного сканирования) может обнаруживать субдифракционный предел LIPSS. СНС, созданные на титановом образце, облученном фемтосекундным УФ-лазером \(\lambda =257\) нм, характеризовались периодом наноструктурирования в диапазоне от 105 до 172 нм. Наш неразрушающий оптический контроль поверхности без этикеток проводился при скорости 180 \(\upmu\)м\(^2\)/с, и результаты сравнивались с коммерческим SEM, демонстрируя метрологическую эффективность нашего подхода.

Лазерная сверхвысокоточная обработка материалов широко известна уже более пяти десятилетий. В частности, генерация периодических структур, индуцированных лазером (LIPSS или рябь), является универсальным явлением, открывающим путь для многочисленных приложений1, таких как настройка смачиваемости поверхностей2,3, добавление антибактериальных функций2,4 или контроль адгезии клеток5, 6,7,8. Фемтосекундные лазеры могут генерировать LIPSS на поверхностях с периодичностью, зависящей от длины волны излучения. В литературе9 описаны два типа LIPSS: LIPSS с низкой пространственной частотой (LSFL) и LIPSS с высокой пространственной частотой (HSFL). Когда LSFL имеет период \(\Lambda _L\), превышающий половину длины волны лазерного излучения \(\lambda _i/2\), обычно ориентированный перпендикулярно поляризации лазера, HSFL демонстрирует периодичность \(\Lambda _H\ ) ниже половины длины волны лазерного излучения. Использование более короткой длины волны облучения приводит к меньшей периодичности пульсаций как для LSFL, так и для HSFL, а недавние передовые разработки в области ультрафиолетовых (УФ) fs-лазеров открывают более четкое структурирование поверхности с улучшенными оптическими, химическими или механическими эффектами3,10,11,12. Для характеристики этих наноструктур сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и атомно-силовая микроскопия (АСМ) являются инструментами золотого стандарта, но их применение затруднено при работе с диэлектрическими или хрупкими образцами, которые не могут быть металлизированы, или когда представляет интерес амплитуда LIPSS. Более того, эти методы определения характеристик (SEM и AFM) для наноструктур (таких как LIPSS), как правило, выполняются за пределами объекта в удаленном месте (в установке для создания лазерного рисунка), предназначенном для инструментов для определения характеристик. Возможен анализ на месте и за пределами объекта, но для этого часто требуется индивидуальная интеграция лазерного оборудования и инструментов анализа13. Оптическая система, позволяющая метрологическое исследование небольших объектов, таких как небольшие LIPSS, ускорит параметрическое исследование и повысит темп исследований благодаря экономически эффективному решению. Можно предположить, что неразрушающий контроль LIPSS с большим периодом, генерируемый, например, с помощью инфракрасного (ИК) фс-лазера, можно охарактеризовать с помощью традиционных методов оптического изображения. Действительно, LSFL имеет периодичность около 600 нм, а HSFL - ниже 300 нм, что близко к пределам наилучшего разрешения и поэтому почти не контрастирует. Однако видимые или УФ-лазеры fs генерируют HSLF и LFSL LIPSS с периодичностью, падающей ниже предела оптической дифракции: поэтому для поддержания режима неразрушающего контроля необходимы методы оптического изображения, которые преодолевают этот дифракционный предел.