Лазерно-индуцированный обратный перенос для формирования металлических тонких плёнок и наночастиц на стеклянных подложках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рамос Веласкес Алехандро

• Рамос Веласкес Алехандро
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Рамос Веласкес Алехандро

PE®EPAT

SYNOPSIS

INTRODUCTION

Relevance

Aim

Objectives

Scientific novelty

Principal statements of the thesis

Reliability of scientific achievements

Implementation

The personal contribution of the author

The structure of the thesis

CHAPTER 1. Laser-Induced Transfer Methods for the Microfabrication and Functionalization of Transparent Materials

1.1 Microprocessing of transparent materials through deposition

1.2 Laser-induced transfer for material deposition

1.3 LIFT (Laser-Induced Forward Transfer)

1.4 LIBT (Laser-Induced Backward Transfer)

1.5 Developments in manufacturing controlled gilms for transparent materials: from optical properties to nanoparticle integration with LIBT

1.6 Conclusions of Chapter

CHAPTER 2. Mechanisms of laser-induced transfer processing in backward mode

2.1 Methods and materials

2.2 Brass ablation by laser single pulses

2.3 Single-pulse stages of material transfer and deposition in LIBT

2.4 Simulation of confined ablation dynamics in LIBT

2.5 Comparison of deposition profiles: experimental vs. Simulation data

2.6 Multipulse mode in LIBT

2.7 Deposition efficiency in multipulse mode of LIBT

2.8 Conclusions of Chapter

CHAPTER 3. Deposition of colorimetric films by LIBT

3.1 Methods and materials

3.2 Laser-induced deposition of colored films: experimental investigations on laser parameters

3.3 Optical, morphological and chemical properties of polychromatic films

3.4 Nanostructures in the deposited polychrome films

3.5 Implementation of the technology

3.6 Conclusions of Chapter

CHAPTER 4. LIBT-assisted deposition of silver nanoparticles to enhance chemiluminescence in microfluidic applications

4.1 Methods and materials

4.2 Experimental Investigations: Influence of laser parameters used for nanoparticle deposition by LIBT

4.3 Optical characteristics of the transferred silver on the receiving substrate

4.4 Implementation of LIBT as a tool for depositing nanoparticles on microfluidic elements

4.4.1 Localized deposition of nanoparticles inside prefabricated microfluidic elements

4.4.2 Chemical Analysis of the Ag Nanoparticles Deposited in the Reservoir

4.4.3 Application Test Results

4.5 Conclusions of Chapter

General Conclusion

References

Acknowledgments

Glossary

List of graphic materials

Appendix A - Certificates of implementation

Appendix B - Publications on the topic of the dissertation

РЕФЕРАТ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерно-индуцированный обратный перенос для формирования металлических тонких плёнок и наночастиц на стеклянных подложках»

Актуальность

Нанесение тонкопленочных покрытий - актуальный раздел фотоники применительно к различным аспектам оптики, микроэлектроники и других областей науки и техники. При этом во многих случаях требуется не только нанести плёночное покрытие, но и придать ему определённую топологию. Таким образом, за нанесением пленочного покрытия должна следовать операция формирования его топологии. Это делается различными методами, наиболее распространенным из которых является фотолитография. В отдельных случаях при нанесении тонких пленок используется метод «свободных масок» -трафаретов, через которые происходит их напыление. Сами по себе эти свободные маски - достаточно сложные и высокотехнологичные инструменты как по материалам (2-х или даже 3-х- слойные фольги), так и по технологии их изготовления.

Заметим, что с появлением лазеров начали активно исследоваться методы лазерного импульсного осаждения тонких пленок, что должно было обеспечить конгруэнтность осадков сложных соединений и другие особые свойства покрытий, связанные с большой скоростью осаждения и сложным фазовым составом паров. В отдельных случаях лазерное напыление действительно нашло применение при осаждении пленок сложных полупроводниковых соединений [1,2].

Однако, следом появились работы, в которых указывалось, что с использованием лазеров операции нанесения пленочных покрытий можно объединить с формированием топологии [3]. Они получили название методов локального лазерного переноса тонких пленок.

Лазерно-индуцированный перенос пленки (ЛИПП) представляет собой метод точного переноса материала с подложки-донора на подложку-акцептор. Метод основан на взаимодействии между материалом-донором с высокой способностью поглощать лазерное излучение при рабочей длине волны и акцепторной подложкой, которая собирает выбрасываемый материал. При облучении импульсным лазером поглощенная энергия быстро нагревает донорный материал, вызывая его испарение, расширение плазмы или термоэластическое напряжение, что приводит к переносу материала на акцепторную подложку.

Конфигурация системы определяет режим работы: прямой ЛИПП (Рисунок 1А), где лазерный импульс фокусируется на доноре и материал выбрасывается в сторону акцептора, и обратный ЛИОП (Рисунок 1В), где лазерный луч входит со стороны акцептора, проходит через

него, прежде чем достичь и испарить донора. В обоих режимах донор поглощает лазерную энергию и инициирует перенос материала, при этом основное различие заключается в направлении попадания лазера и относительном расположении донора и акцептора. Эффективность и точность переноса зависят от параметров лазера (длины волны, длительности импульса, плотности энергии), а также от оптических и тепловых свойств материала донора.

Рисунок 1 - Схема лазерно-индуцированного переноса (A) прямой перенос ЛИПП и (B) обратный перенос ЛИОП. Компоненты: (a) фокусирующая линза, (b) сфокусированный лазерный импульс, (c) носимая подложка, (d) материал мишени, (e) переносимый материал, (f)

приемная поверхность

Если ЛИПП давно нашел эффективные приложения прежде всего в электронике [4] и в биологии в форме matrix-assisted версии [5] для переноса биологических объектов, а также в сборочных процессах в микроэлектронике [6], то ситуация с ЛИОП далеко не такая благополучная.

ЛИОП и имеет определенные преимущества перед ЛИПП, а именно: по этому методу пленки могут переноситься локально с любой поглощающей подложки, а не только с тонкоплёночной подложки, как при ЛИПП. Таким образом, не надо специально приготавливать донорную подложку- мишень, а главное, могут использоваться такие материалы, которые трудно получить в виде тонких пленок ввиду сложности их состава и нестехиометричности получаемых пленочных мишеней, их слабой адгезии и т.д. Однако эти преимущества сводились почти на нет очевидным ограничением толщины пленок депозитами со слабым поглощением лазерного излучения, при увеличении толщины они начинали поглощать падающий свет, и ЛИОП превращался в ЛИПП уже нанесенного покрытия. Таким образом, ЛИОП требовал либо поиска специальных приложений, где это недостаток несущественен, либо специальных приемов для его исключения. Следует отметить, что до настоящего времени ни один из этих подходов не дал устойчивых результатов.

Динамику обратного переноса можно понять, рассмотрев, как интенсивность лазера влияет на температуру материала-донора. При низкой плотности энергии лазера температура донора остается ниже порога кипения, и перенос материала не происходит. При увеличении плотности энергии температура донора достигает порога кипения, и контролируемый перенос материала становится возможным. Этот режим способствует мягкому осаждению на приемник без морфологических и структурных изменений, что характерно для типичного ЛИОП.

Однако при более высоких плотностях энергии температура донора значительно превышает температуру его кипения, что инициирует переход к совершенно иному механизму, известному как лазерно-индуцированная микроплазменная обработка (ЛИМП). В этом режиме донор подвергается быстрому испарению и частичной ионизации, что приводит к образованию плотного высокоскоростного плазменного факела. Эта плазма состоит из паров и энергичных ионов, которые воздействуют на приемник с энергией, достаточной для того, чтобы вызвать существенные изменения, такие как ионная имплантация, травление поверхности и подповерхностное растрескивание, вызванное тепловым ударом. В отличие от низкоэнергетического режима, связанного с перемещением мягких материалов, ЛИМП характеризуется способностью изменять физико-химические свойства, морфологию, геометрию и структуру поверхности приемника. Таким образом, он находит применение в передовых технологиях обработки поверхности, включая микрообработку и функционализацию материалов, где желаемым результатом является модификация подложки, а не просто перенос материала [7,8]. Переход между этими режимами в зависимости от увеличения интенсивности лазера показан на рис. 2.

Рисунок 2 - Режимы ЛИОП в зависимости от интенсивности лазерного излучения 1. Допороговый режим. 2. Режим мягкого лазерного переноса пленки, 3. Режим ионной имплантации травление-испарение и 4. Режим создания глубоко залегающих дефектов-термораскалывания. Ть - температура кипения материала пленки при нормальном давлении окружающей среды; qth - пороговая интенсивность лазерного излучения [9]

Появление ЛИМП значительно усилило исследовательский интерес к процессам переноса при ЛИОП, особенно к нагреву мишени при многоимпульсном облучении. Повышенное внимание также уделяется процессам, происходящим в лазерно-индуцированной микроплазме, в том числе в присутствии окружающей атмосферы, аспект которой ранее практически не рассматривался в исследованиях этой области. Кроме того, наблюдается рост интереса к новым приложениям ЛИОП в различных режимах, где его возможности иногда оказываются уникальными.

Разработка методов формирования металлических и оксидно-металлических пленок на прозрачных материалах посредством лазерно-индуцированной микроплазмы приобрела особое значение, особенно для задач отслеживания продукции, защиты от подделок и биосенсорики.

Контроль подлинности продукции и предотвращение подделок требуют создания новых методов нанесения высококонтрастных и защитных идентификационных меток на прозрачные материалы, таких как окисление и лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (ЛИППС). В настоящее время маркировка стекла осуществляется тремя основными способами: 1. Химическими чернилами, 2. Химическим травлением, 3. Генерацией микротрещин механическим или термическим (лазерным) методом.

Метод ЛИОП проявляет потенциал в нанесении наночастиц на микрофлюидные системы, упрощая создание сенсорных технологий. В настоящий момент серебряные наночастицы получают с помощью коллоидного синтеза с последующим термическим испарением на кварцевую поверхность, формируя слой наночастиц. Однако многоэтапный характер процесса снижает производительность и усложняет изготовление. Интеграция методов обратного лазерного переноса предоставляет возможности для упрощения нанесения наночастиц, повышения эффективности производства и решения технологических задач в различных областях применения [10-12].

Цель работы

Цель данной диссертации — разработка лазерно-плазменных методов локального осаждения тонких пленок и наночастиц на прозрачные материалы. Работа направлена на создание локализованных функциональных областей с определенными оптическими и химическими свойствами путем осаждения металлов, их оксидов и наночастиц, а также анализ их характеристик.

Задачи

Задача 1 - Провести аналитический обзор существующих методов, используемых для маркировки прозрачных материалов и нанесения покрытий на прозрачные материалы с использованием химических и физических методов.

Задача 2 - Выявить физические закономерности метода обратного лазерного переноса, ответственные за массоперенос материала, форму и толщину осадка.

Задача 3 - Определить технологические режимы для локального нанесения узоров и пленок на прозрачные материалы с использованием метода обратного лазерного переноса с наносекундными лазерными импульсами, исследуя как одноимпульсный, так и многократный режимы нанесения металлов.

Задача 4 - Исследовать метод обратного лазерного переноса для многоцветной маркировки на стекле с использованием многокомпонентного металлического сплава, оценить оптическую и химическую стабильность маркировок, а также провести детальное изучение осажденных пленок, включая их химические, морфологические и оптические параметры.

Задача 5 - Разработать и проверить систему на основе микрофлюидики с использованием метода обратного лазерного переноса для одноэтапного осаждения наночастиц с целью повышения оптической чувствительности и чувствительности к хемилюминесценции в устройствах детектирования.

Научная Новизна Работы

1. Внесён существенный вклад в понимание общих закономерностей лазерно-индуцированного обратного переноса: экспериментально показано и теоретически обосновано формирование кольцевой структуры осадка. Установлено, что массоперенос вещества в условиях лазерно-индуцированного обратного переноса удовлетворительно описывается испарительно-газодинамической моделью без учёта химических реакций в лазерно-индуцированной плазме.

2. Впервые предложено и реализовано использование многокомпонентного материала для создания полихромных цветовых меток на стекле методом лазерно-индуцированного обратного переноса. Установлено, что возможность применения латуни для многоцветной маркировки обусловлена совокупным действием двух механизмов генерации цвета: окислением металлических компонентов сплава с последующей интерференцией света в тонких оксидных плёнках и плазмонным резонансом в наночастицах, образующихся в осадке.

3. Впервые продемонстрировано использование схемы лазерно-индуцированного обратного переноса для локального осаждения наночастиц серебра на функциональные элементы микрофлюидных систем, что позволило существенно усилить сигнал хемилюминесценции в диагностических микрофлюидных ячейках.

Практическая Значимости Работы

Практическая значимость данной работы заключается в создании методологической и технологической основы для применения метода обратного лазерного переноса (ОП) в целях безопасной идентификации, создания усовершенствованных защитных меток и повышения чувствительности систем детектирования. В частности:

1. Разработан метод кодирования информации на стеклянных подложках с использованием техники обратного лазерного переноса, представляющий собой надёжный способ безопасной идентификации и защиты от подделок изделий из прозрачных материалов.

2. Разработана технология обратного лазерного переноса для локализованного осаждения наночастиц, предназначенных для генерации плазмонного резонанса. Эти наночастицы служат усилителями физико-химических эффектов, в частности, хемилюминесценции, повышая чувствительность и эффективность оптических и детектирующих систем.

3. Настоящая работа расширяет возможности использования LIBT как универсального метода локального осаждения функциональных тонких пленок и наночастиц металлов и их оксидов, демонстрируя его потенциал в различных областях, особенно при маркировке стеклянных изделий и в аналитическом приборостроении.

Положения, выносимые на защиту

1. Осаждение материала при гауссовом распределении энергии в пятне методом лазерно-индуцированного обратного переноса приводит к кольцевой форме осадка, связанной с реиспарением материала в центре пятна, что необходимо учитывать при построении стратегий сканирования пучка для получения функциональных элементов. При этом размеры кольца (с внешним диаметром от 75 до 450 мкм в диапазоне рабочих режимов для латуни и титана) определяются в основном плотностью мощности и коэффициентом сосредоточенности энергии в пучке.

2. Колориметрические характеристики осаждённых плёнок при лазерно-индуцированном обратном переносе латуни в режимах мягкого испарения и ионной имплантации (при плотностях мощности от 107 до 108 Вт/см2) определяются химическим составом исходного

сплава, химическим составом и фазовым состоянием осадка, а также степенью его нестехиометричности - преобладанием того или иного компонента. Оптические свойства осадка обусловлены двумя эффектами: окислением с образованием интерференционных оксидных плёнок, возникающих в результате взаимодействия компонентов лазерной эрозионной плазмы с кислородом, и плазмонными эффектами в наночастицах, формирующихся при испарении мишени и осаждающихся на приёмную подложку.

3. Лазерно-индуцированный обратный перенос серебра в режиме мягкого испарения (при плотностях мощности от 107 до 5 107 Вт/см2) позволяет создавать массивы плазмонных наночастиц на поверхности микрофлюидных элементов из кварцевого стекла, что приводит к усилению хемилюминесцентного сигнала в полтора раза за счёт эффекта плазмонного резонанса наночастиц.

Достоверность научных достижений

Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается воспроизводимостью экспериментов, применением современных высокоточных методов анализа, а также всесторонним анализом данных с учётом общепринятых методов обработки. Кроме того, теоретические расчёты находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными и соответствуют результатам, полученным другими исследователями в аналогичных исследованиях. Результаты были опубликованы на научных конференциях и в рецензируемых научных журналах.

Личный вклад автор

Выбор направления научного исследования, определение целей и задач диссертации, а также разработка плана работы были выполнены в сотрудничестве с научным руководителем. В практической части соискатель выполнял все описанные экспериментальные исследования. Его деятельность включала сборку и калибровку оптических систем, подготовку донорных и акцепторных подложек для процессов осаждения, а также предложение методов для исследования полученного материала и измерение его спектральных характеристик после обработки. Соискатель также участвовал в проведении сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии и лично обрабатывал полученные экспериментальные данные. Анализ, интерпретация и описание результатов были выполнены соискателем совместно с научным руководителем, академическими консультантами и соавторами публикаций по теме исследования. Значительный личный вклад соискателя подтверждается

многочисленными докладами на национальных и международных конференциях, а также его первое авторство среди перечисленных ниже публикаций.

Внедрение Результатов Работы

Данная диссертационная работа может быть отнесена к фундаментальным и поисковым исследованиям. Результаты, касающиеся лазерно-индуцированного формирования окрашенных плёнок на прозрачных подложках, были использованы в проекте, выполняемом по Соглашению с Российским научным фондом № 075-11-2021-045 от 24.06.2021 по теме: «Разработка оборудования и технологий лазерной функционализации поверхности медицинских изделий», реализуемом в Университете ИТМО. Результаты, связанные с анализом физических процессов, сопровождающих перенос материала при воздействии одиночных и многократных лазерных импульсов, в рамках исследований по лазерно-индуцированной передаче материала для формирования плёнок на прозрачных подложках, были также внедрены в рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом (Соглашение № 24-79-10230): «Исследование и разработка методов цветной лазерной маркировки прозрачных материалов», реализуемого в Университете ИТМО.

Апробация Результатов Работы

Результаты исследования были представлены в виде устных или стендовых докладов на следующих российских и международных конференциях: Пятьдесят четвертая (LIV) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (1111С - 2025), Россия; XVI Международная конференция «Прикладная оптика-2024», Россия; The 2024 Frontiers in Optics + Laser Science 2024, США; Conference Advanced Laser Technologies ALT 2024; XIII Конгресс молодых ученых ИТМО, 2024, Россия; HOLOEXPO Science & Practice - 2023, Россия; Международный симпозиум по лазерной прецизионной микрофабрикации 2022; Пятьдесят первая научная учебно-методическая конференция Университета ИТМО, 2022; International Conference Advanced Laser Technologies ALT21, Россия; VII Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2021, Россия; X Конгресс молодых ученых (КМУ), 2021, Россия; Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте - 2020, Россия.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях, из них 6 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 1 публикация в журналах из перечня ВАК и 3 в иных изданиях.

1. Ramos-Velazquez A. et al. The peculiarities of ablation and deposition of brass by nanosecond laser pulses at the LIBT-scheme // Optics & Laser Technology, 2025, Vol. 181, pp. 112006

2. Ramos-Velazquez A. et al. Laser-induced micro-scale polychrome marking of glass materials // Materials Letters, 2023, Vol. 343, pp. 134372

3. Polyakov D., Ramos-Velazquez A., Veiko V., Domakova V., Arbuzova K., Sinev D. Nanosecond laser ablation in confined mode of vapor/plasma plume expansion for metal films transfer: theoretical and experimental investigation // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2025, Vol. 251, pp. 127379

4. Avilova E., Domakova V., Ramos Velazquez A., Sinev D. New laser-based method for the structural coloring of glasses // Journal of Optical Technology, 2024, Vol. 91, № 3, pp. 164169

5. Buzykin A., Ramos-Velazquez A., Amiaga J. Morphology and chemical composition study of thin films on transparent substrates, deposited with laser-induced backward transfer (LIBT) // Frontiers in Optics, 2024, pp. JTu5A-17

6. Bondarenko A., Ramos-Velazquez A., Shmalko A., Zakoldaev R. Surface microfluidics elements fabrication by CO2-laser writing on glass: challenges and perspectives // Optical and Quantum Electronics, 2023, Vol. 55, № 4, pp. 379

7. Бондаренко А.Г., Заколдаев Р.А., Рамос Веласкес А. Лазерное структурирование кварцевых стекол для создания элементов микрофлюидики // Оптика и спектроскопия. - 2022. - Т. 130. - № 9

Публикации в иных изданиях:

1. Ramos-Velazquez A. et al. A novel method for silver nanoparticle deposition in microfluidic systems: backward laser transfer approach // Optical and Quantum Electronics, 2025, Vol. 57, № 5, pp. 1-15

2. Ramos-Velazquez A., Gudz N., Zakoldaev R., Veiko V. Polychrome labels on glass surface by laser-induced transferring // VII Международная конференция "Лазерные, плазменные исследования и технологии" ЛАПЛАЗ-2021 (Москва, 23-26 марта 2021 г.): сборник научных трудов конференции, 2021, Vol. Часть II, pp. 117-119

3. Вейко В.П., Заколдаев Р.А., Рамос Веласкес А. Лазерная маркировка прозрачных материалов и изделий из них // Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и на транспорте-2020: тр. XXVIII Междунар. - 2020. - С. 27-29

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, разделенных на подразделы в соответствии с результатами экспериментальных или теоретических исследований, заключения и приложений 1 и 2.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана научная новизна и практическая значимость исследования, сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе рассматриваются современные научные публикации, посвящённые типам и методам осаждения плёнок на прозрачные материалы, а также описываются существующие подходы к модификации колориметрических свойств плёнок, перенесённых с помощью лазерного излучения. Раздел 1.1 представляет обзор методов лазерной микрообработки и осаждения, с акцентом на их значении для функционализации прозрачных материалов. Раздел 1.2 рассматривает микрофабрикацию методом осаждения, включая традиционные подходы, новейшие достижения лазерно-ассистированных технологий и их ограничения, представлен метод лазерно-индуцированного переноса (ЛИП), в нём описаны его принципы и преимущества для точного бесконтактного осаждения, сравнены два основных варианта — ЛИПП и ЛИОП — с точки зрения конфигурации и механизмов осаждения. В разделе 1.3 анализируется метод ЛИПП, включая его физические механизмы, такие как тепловое расширение и взрывные явления. Изучаются различные режимы работы, определяемые интенсивностью лазерного излучения. Обсуждаются практические применения. Раздел 1.4 посвящён методу ЛИОП: подробно описаны его характеристики, подчёркивается его эффективность к точному осаждению на прозрачные подложки при облучении через акцепторный материал. Рассматривается процесс ЛИОП в режиме многократных импульсов. Раздел 1.5 рассматривает достижения ЛИОП в микрофабрикации прозрачных подложек, включая применение в металлизации, оптическом структурировании и интеграции наночастиц. В нём показаны возможности метода для создания проводящих цепей, оптических устройств, цветных меток и наноструктур. Также обсуждаются оставшиеся проблемы и ограничения метода ЛИОП, выявляются существующие технические пробелы.

Laser

Focused laser beam

Transfer proccess Acceptor-donor distance

Acceptor substrate

Donor Material

Рисунок 1 - Схема лазерного обратного переноса материала

Во второй главе рассматриваются физические процессы, определяющие механизм ЛИОП при облучении наносекундным лазером. Описаны процессы нагрева донора, его испарения, формирования плазменного факела и конденсации, обеспечивающие перенос плёнок на акцепторную подложку. Приведены результаты экспериментов и моделирования, включая одиночный и многократные импульсы. Глава завершается анализом эффективности осаждения итоговыми замечаниями о возможностях использования этих процессов для эффективного применения ЛИОП.

В разделе 2.1 описана экспериментальная установка и материалы в экспериментах по ЛИОП. Был использован волоконный лазер с длиной волны 1064 нм и длительностью импульсов 4-200 нс. В качестве донорных подложек использовались латунные или титановые пластины в прямом контакте с боросиликатным стеклом. Обсуждаются ключевые параметры, такие как энергия импульса, скорость сканирования и метод создания одиночных и множественных импульсов.

В разделе 2.2 исследовано влияние плотности энергии на морфологию материала, перенесённого с помощью одиночного импульса при ЛИОП, с особым вниманием к латуни и титану в качестве донорных материалов. Экспериментальные результаты показывают сильную зависимость формы и распределения осадков от плотности энергии примененной во время лазерного облучения. Результаты показали, что при относительно низких плотностях энергии (например, 8.9 Дж/см2) осаждённый на подложку материал имел пятнообразную морфологию, характеризующуюся малыми локализованными образованиями.

С увеличением плотности энергии до промежуточных и высоких значений ^ от 25.8 до 95.1 Дж/см2), морфология осаждённого материала значительно изменяется. Осадки принимают кольцевую форму, особенно отчетливо представленную на рисунке 2.

8.9 J/cm2

Deposited material

/Glass 1,

Brass

d) 16.4 J/cm2

25.8 J/cm2 f) 35.6 J/cm2

g) 45.8 J/cm2

h) 55 J/cm2

65.1 J/cm2

Рисунок 2 - Оптические микрофотографии осаждённого на стекле материала методом ЛИОП: (а) схема процесса; (Ь) методика получения изображений; (с-1) осаждение одним импульсом при различных плотностях энергии Q. Цвет точек указывает донорный материал;

изображения получены в проходящем свете

Количественный анализ распределения материала в осадке представлен на рисунке 3, где показана зависимость между плотностью энергии и максимальным диаметром осажденного материала. Результаты показывали, что как титан, так и латунь демонстрируют увеличение диаметра осаждения с ростом плотности энергии, однако титан показывает более линейную и предсказуемую зависимость. Напротив, латунь демонстрирует нелинейное поведение, характеризующееся резким увеличением распространения при промежуточных плотностях и последующим плато. Это указывает на порог, выше которого дополнительная энергия больше не способствует значительному расширению зоны осаждения — по крайней мере, в случае латуни.

Оптический вид осаждённой латуни анализируется при прямом наблюдении и через стеклянную подложку. При прямом наблюдении она имеет коричневые и красноватые оттенки, а через стекло выглядит ярче и может отображать зелёные, красные и жёлтые оттенки, особенно в диапазоне Q = 13,24-27,5 Дж/см2

Energy Density Q, (J/cm2) Energy Density Q, (J/cm2)

Рисунок 3 - Зависимости максимального диаметра осадка от плотности энергии (Q), при переносе вещества на стеклянную подложку. Левый график соответствует латуни (красные точки), правый — титану (синие точки). Вставки иллюстрируют методику измерения диаметра

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рамос Веласкес Алехандро, 2025 год

Список литературы:

1. Цветная лазерная маркировка поверхности металлов / С. Горный, В. Вейко, Г, Одинцова, Е. Горбунова, А. Логинов. Ю. Карлагина, А. Скуратова, Э. Агеев // Фотоника. — 2013. —X" 6 (42). - С. 34^4,

1. Вейко, В. П. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика / В. IL Вейко, М. Н. Либенсон, Г. Г, Червяков, Е. Б. Яковлев. - Москва г Физматлит, 2008. - 311 с.

3. Laser-induced film deposition by LIFT / V. P. Veiko, E. A. Shakhno, V, N. Smir-nov, A. M. Miaskovski, G. D, Nikishin // Physical mechanisms and applications. Laser and Particle Beams. - 2006. -Jim 1,-Jfc 24 (2). - P. 203.

4. Laser-induced microplasma as a tool for microstructuring transparent media / V. P. Veiko, S, A. Volkov, R. A. Zakoldaev, M. M. Sergeev, A. A. Samokhvalov, G. K. Kostyuk, K. A. Milyaev // Quantum Electronics. -2017. - № 47 (9). - P. 842.

5. Fast fabrication of multilevel phase plates used for laser beam correction / R. Zakoldaev, G. Kostyuk, V. Rymkevich, V. Koval, M. Sergeev, V. Veiko, E. Yakovlev, A. Si vers //Journal of Laser Micro / Nanoengineering. - 2017, - № 12 (3). - P. 281-285.

6. Laser microplasma as a tool to fabricate phase grating applied for laser beam splitting / G. K. Kostyuk, R. A. Zakoldaev, V. V. Koval, M. M. Sergeev, V. S. Rymkevich // Optics and Lasers in Engineering. - 2017. - T 92. - P. 63-69.

7. Rapid fabrication of spiral phase plate on fused silica by laser-induced microplasma / V. Shkuratova, G. Kostyuk, M. Sergeev, R, Zakoldaev, E. Yakovlev, O. Medvedev // Applied Physics. - 2020. - № 126 (4). - P. 1-6.

LYI-O-21

Investigation of Laser-Induced Formation of Polychrome Marks on

Glass

A. Ramus Velazquez1, N.O. Gutlz1, R.A. ZakoldaCV1, V.P. Veiko1

I- ITMO University, Kroitverkky Pr 49, hltig. A, Si Petersburg, 19711)1. Russia Main author email address: ok'itiiulmnunusvai ¡tiiin.ru

The development and improvement oT laser-induced transfer technologies (e.g. LIFT [ 1 ]) is needed to support the trend of labeling glass products. First of all, such technologies are industrially attractive as they are implemented on industrial fiber laser systems and arc easily integrated into Ihe technological process. The core of the marking process is based on the fact that laser radiation passes through the optical workpiece and is absorbed on the target. Intense absorption causes the target ablation and target particles doping on the glass surface layer [2]. In this case the composition of the evaporated particles and ablation conditions directly affect (lie mark properties - color, adhesion, stress. Undoubtedly, the industry requires a wide color palette formed, which is important for a higher storage density, protection against counterfeiting, and for creating attractive labels. Currently, such technologies have enirenched the possibility of funning one color in connection with the use of one-component targets. Therefore, in this work, we decided to expand the color palette of applied amplitude marks to 3-4 colors and study the processes associated with the colors formation.

Here, we have demonstrated polychrome marks with high visibility shades on flic glass by lascr-indttced transfer of brass target (Figure, a), ytterbium liber laser system (X=1064nm, t=2-200ns, f=2-lOOOkl 17) was employed for laser processing. The influence oflascr parameters such as pulses overlapping, flue rice, pulse duration ou the mark properties were determined. As a result, yellow, red, green, brown and grey marks were obtained on the back side of the glass plate (Figure, b). Colorimetry properties were investigated in the visible range and corresponding SEM/EDX investigation were accomplished.

Plasma plume

iv

glass Brass

Figure!, u) Schematic illustration of experimental procedure, b) investigation results - photo und SEM of the back-side.

Acknowledgment The reported study was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation research agreement No. 075-1 f-2019-066 of 22.11.2019, project title "Develop merit of high-tech production ofeqitipmeut and technologies lor laser coding of transported goods and their optical identification for the implementation in modern material flow management systems" {within the framework of dccrec of the Government of Ihc Russian Federation No. 218 of 09/04/2010)

H Yamada, T Sano, TNakayama. 1 Miyamoto. Optimization of laser-induced forward transfer process of metal thin Ulms. Applied Surface Science. Vol. 197 I9K, pp 41 MI5 (2002)

James Macdonafd. Henry dc Fossard. Nadeem Gabbani. William O'Neill, Ronan Daly. Material ejection dynamies in direct-writing of low resistivity tracks by laser-induced reverse transfer. Applied Surface Science. Vol. 536. 2021.