Исследование фотоиндуцированного формирования микроструктур на поверхности карбазолсодержащего азополимера в зависимости от плотности мощности освещающего пучка

Структурированные лазерные пучки [1], в том числе с вихревой фазовой сингулярностью, широко используются в различных областях оптики, например, в микроскопии [2–4], обработке материалов [5–8] и оптическом микроманипулировании [9–11]. Новые явления и свойства поля, наблюдаемые благодаря внедрению таких пучков, характеризуются более высокой производительностью по сравнению с классическими типами пучков. Структурированные пучки могут быть сформированы с использованием пространственных модуляторов света (ПМС) [12–14], которые обеспечивают динамическое формирование поля в эксперименте. Однако сравнительно большой размер пикселя в ПМС ограничивает пространственное разрешение формы поля. Независимость от разрешения обеспечивается при использовании анизотропных кристаллов [15–17]. Наиболее эффективное формирование пучков с заданным фазовым распределением достигается с помощью дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [18]. Однако ДОЭ, как пассивные оптические компоненты, не поддерживают динамическое изменение оптических характеристик формы пучка.

Проблема создания пространственного и временного распределения электрического поля без привязки к пиксельной сетке может быть решена путём динамического формирования рельефа поверхности в полимерных плёнках полиметакрилата, легированных азокрасителем DR-1 (Sigma-Aldrich) [19, 20].

Фотоизомеризация молекул азокрасителя по энергии поглощённого света приводит к фотоиндуцирован-ному двулучепреломлению и дихроизму [21], которые делают азомолекулы с динамически изменяющимися свойствами. Сочетание вышеупомянутых особенностей материалов и свойств пучка может привести к созданию новых оптических устройств, таких, как перезаписываемая оптическая память [22], голографическая микроскопия с высоким разрешением [23], системы на основе полного оптического управления [24]. Это актуализирует исследования в области синтеза и изучения свойств тонких плёнок азополимера.

В работе [25] было представлено исследование голографической записи поверхности рельефа решёток в новом азополимере на основе карбазола. Указанный полимер продемонстрировал высокую эффективность в качестве регистрирующей среды.

В данной работе экспериментально изучено фо-тоиндуцированное формирование одиночных микроструктур в тонких плёнках карбазолсодержащего азополимера с использованием Гауссовых пучков линейной и эллиптической поляризацией.

Методы и материалы

Образцами для экспериментов являются подложки стекла типа К8 с нанесённым на их поверхность азополимером, полученным путём взаимодействия 340 мг поли-N-эпоксипропилкарбазола [26] с 34 мг 4-(4-нитрофенилазо)-анилина в кипящем толуоле (2 мл) в течение 3 часов. Для получения последнего был использован хромофор дисперсный оранжевый DO-3 (Sigma-Aldrich) с 90% красителя. Результирующий раствор, содержащий 30% массовой доли азокрасителя, был отфильтрован и нанесён на подложку методом центрифугирования.

Толщины высушенных образцов измерялись профилометром (P16+, KLA Tencor). Спектры поглощения плёнки толщиной 1600 нм в ультрафиолетовой и видимой областях, полученные спектрометром (MS7504, Solar TII), представлены на рис. 1.

Как видно из графика, высокое поглощение полученный азополимер имеет в области спектра от фиолетового до зелёного цвета.

Рис. 1. Спектр поглощения тонкой плёнки азополимера. Толщина плёнки 1600 нм

Формирование поверхностного рельефа при помощи облучения пучком Гаусса с различной поляризацией

Динамика формирования поверхностного микрорельефа в плёнках азополимера, индуцированных остро сфокусированным Гауссовым пучком различной интенсивности, исследована в работах [19, 20]. Фотоизомеризация азомолекул лазерным излучением и релаксационные процессы индуцируют анизотропную подвижность молекул полимера вдоль направления поляризации. Оптические градиентные силы вытягивают молекулы полимера вдоль одного преимущественного направления. В данных работах была продемонстрирована асимметрия поверхностных микроструктур под влиянием лазерного излучения с линейной поляризацией при плотности мощности порядка нескольких десятков мВт / см2. Сформированный микрорельеф показал преимущества смещения полимера вдоль направления от центра к краям с образованием двух возвышений к краям и полым в центре. В работе [27] также показаны поверхностные микроструктуры, сформированные под воздействием лазерного излучения с большей интенсивностью (325–865 Вт / см2). Они обладают асимметричными удлинёнными вершинами, которые увеличивают свою высоту за счёт увеличения плотности мощности. Целью настоящей работы является исследование влияния поляризационных состояний и доз лазерного Гауссова пучка (интенсивность и/или время экспозиции) на топографию плёнок азополимера. Оптическая установка для формирования рельефа поверхности схематически показана на рис. 2.

Рис. 2. Оптическая установка для формирования микроструктур в плёнках азополимера Гауссовыми пучками

В экспериментальных исследованиях было использовано линейно-поляризованное излучение одномодового лазера с длиной волны 532 нм. Лазерное излучение, проходя через диафрагму ( D ), расширялось коллиматором, состоящим из двух линз ( L ) и пинхола (PH). Четвертьволновая пластина (λ /4) применялась для управления состоянием поляризации пучка. Неполяризованный делитель пучка и высокоскоростная камера использовались для управления положением фокусированного на образце лазерного пятна. Объектив перед образцом характеризовался значением числовой апертуры, равной 0,15.

С помощью описанной установки осуществлена запись единичных микронеровностей воздействием лазерных пучков с линейной и эллиптической поляризациями. Мощность пучка варьировалась в диапазоне 500–3180 Вт / см2. Время записи каждой структуры составляло 180 с.

После записи сформированный микрорельеф измерялся с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver Pro-M, NT-MDT.

Изображения поверхностного микрорельефа, образованные в результате воздействия сфокусированных гауссовых пучков с эллиптичной поляризацией, показаны на рис. 3.

На рис. 3 а поверхностный микрорельеф представляет собой возвышение, имеющее более протяжённое основание вдоль одной оси симметрии. Вдоль ортогональной оси симметрии основание возвышения сильно сжато за счёт образования у основания локальных понижений рельефа.

Такое поведение можно объяснить на основе асимметрии колебаний во всех направлениях поперечных компонент электрического поля [28–30]. Увеличение плотности мощности приводит к увеличению высоты микроструктуры, расширению размера областей локальных понижений и их глубины.

Особенно интересные эффекты наблюдаются при воздействии лазерного пучка с линейной поляризацией (рис. 4). Поверхностная микроструктура, показанная на рис. 4, является асимметричной и имеет удлинённый профиль в разрезе, перпендикулярном направлению поляризации. Данная асимметрия материала азополимера была ранее упомянута в работах [19, 20]. Структура, показанная на рис. 4, имеет более сложную форму. На возвышении (рис. 4а) наблюдается формирование двух дополнительных возвышений на начальной стадии, которые аналогичны соответствующим микроструктурам в работе [27]. По бокам от этой структуры расположены две полости асимметричной формы, имеющие более резкий край со стороны близкой к центру. При увеличении плотности мощности до 3000 Вт / см2 поверхностная микроструктура становится еще более сложной (рис. 4б), где на возвышении можно увидеть четыре дополнительных пика. В центре между ними мы видим яму, образованную на начальном этапе, которая становится более выраженной при увеличении плотности мощности (рис. 4в). Однознач- плотности мощности невозможно из-за образования микроструктур различной формы. В области поверхностного облучения сфокусированным Гауссовым пучком наблюдается конкуренция между процессами образования выступов и канавок. Отсутствие осевой симметричной топографии и появление вершин после симметричного освещения Гауссовым пучком можно представить, как нелинейную зависимость высоты от

Рис. 3. Поверхностный рельеф полимерной плёнки после лазерного облучения с эллиптично поляризованным состоянием при интенсивности: 550 Вт/см2 (а), 1100 Вт/см2 (б), 1500 Вт/см2 (в)

Рис. 4. Поверхностный рельеф полимерной плёнки после лазерного облучения с линейно поляризованным состоянием при интенсивности: 1100 Вт/см2 (а), 3000 Вт/см2 (б), 3180 Вт/см2 (в)

Существенное различие микроструктур, сформированных при помощи пучков с линейной и эллиптичной поляризациями, может быть частично объяснено поляризационными эффектами. Вероятно, как показано в работах [19, 20], при формировании микрорельеф оказывает влияние на продольную и поперечную компоненты электрического поля. Однако в данном эксперименте при числовой апертуре значительно меньшей, чем 0,7, влияние продольной компоненты незначительно. Можно сделать предположение о большем влиянии поперечных компонент [28–30].

Заключение

В статье описывается синтез и оптические характеристики азополимера на основе поли-N-эпоксипропил-карбазола и хромофора 4-(4-нитрофенилазо)-анилина. В ходе экспериментов с ним были получены поверхностные микроструктуры под влиянием сфокусированного поляризованного Гауссова лазерного пучка высокой плотности мощности. Обнаружена сильная зависимость формы поверхностного рельефа от интенсивности облучения линейной поляризации. Эффекты образования рельефа под воздействием лазерного излучения являются интересными и важными для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований. Первоначальные попытки теоретического объяснения образования таких асимметричных структур были проведены в работе [27]. Однако, как было показано в [19, 20], фото-индуцированное образование поверхностных микроструктур не может быть объяснено механизмом поверх- ностной деформации, вызванной градиентом силы оптического поля. Новые результаты, полученные в ходе экспериментов, показали нелинейность процессов перемещения молекул материала азополимера под воздействием света, моделирование которого является актуальной задачей. Эксперименты с отдельным пучком имеют особое значение для описания продольного фо-тоиндуцированного массопереноса молекул азополимеров при интерференционной записи дифракционных решёток. Это может дать значительный импульс к развитию таких областей, как голографическая оптическая память, голографическая поляризационная микроскопия и т.д., где может быть использован эффект оптического формирования рельефа в плёнках полимерных материалов, легированных азокрасителями.

Данная работа была выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (грант № 18-07-01470) в части формирования структуры на поверхности азополимера, гранта Президента НШ-6307.2018.8 в части измерения формы поверхности и Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части оптических измерений.