Grating fabrication by laser-based techniques  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
104477
Type PD
Principal investigator Vass, Csaba
Title in Hungarian Optikai rácsok készítése lézeres technikákkal
Title in English Grating fabrication by laser-based techniques
Keywords in Hungarian optikai rács, átlátszó anyag, lézer, két-nyaláb interferencia, időbontott vizsgálatok
Keywords in English grating, transparent material, laser, two-beam interference, pump-probe measurements
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Applied optics
Panel Physics
Department or equivalent Department of Optics and Quantum Electronics (University of Szeged)
Starting date 2012-10-01
Closing date 2015-09-30
Funding (in million HUF) 17.960
FTE (full time equivalent) 2.40
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A mikro- és szubmikrométeres mérettartományban megmunkált optikai anyagok számos területen alkalmazhatók: pl. a szenzorikában, spektroszkópiában, mikrooptikában valamint a mikrofluidikában. Ezek az anyagok hagyományos technikákkal, valamint lézer-alapú eljárásokkal is megmunkálhatók. Jelenleg ion-maratásos eljárásokat használnak az optikai anyagok e célból történő struktúrálására, köszönhetően az eljárás felbontásának és a megmunkált felület jó minőségének. Azonban ezek az eljárások komplikáltak és meglehetősen drága infrastruktúrát és berendezéseket igényelnek.
A tervezett projekt célja, hogy kipróbáljak, részletesen megvizsgáljak, valamint optimalizáljak olyan lézeres eljárásokat, melyek lehetővé teszik mikrométeres és mikrométer alatti feloldású periodikus struktúrák (transzmissziós rácsok, becsatoló rácsok, reflexiós fémrácsok, polarizátorok) létrehozását átlátszó tömbanyagokba, vékonyrétegekbe valamint fémekbe. A javasolt lézeres technikák remélhetőleg jól használható alternatívát jelentenek a jelenleg használt bonyolult és drága ion-maratásos módszekkel szemben.
Megvizsgálom, hogyan függnek az elkészített mintázatok legfontosabb paraméterei a lézer és a kísérlet egyéb paramétereitől. A tervezett időbontott vizsgálatokat és numerikus szimulációkat követően az elemi, nagy sebességű anyageltávolítási mechnizmus könnyebben érthetővé és értelmezhetővé válik. Célom, hogy optimalizáljam és összehasonlítsam a javasolt lézeres eljárásokat, majd kiválasszam az alkalmazások szempontjából ideálisat. Célom továbbá a felhasznált anyagok és anyagkombinációk közül kiválasszam a legmegfelelőbbet a spektroszkópiai, szenzorikai valamint optikai alkalmazásokhoz.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Pályázatomban olyan lézeres rácskészítési eljárásokat javasolok, melyekkel számos alkalmazáshoz (szenzorika, spektroszkópia, (mikro)optika) lehet az optikai anyagokat kiváló minőségben megmunkálni. E kifejlesztendő eljárások esetében kulcskérdés, hogy vajon elegendően jó minőséget szolgáltatnak-e, a segítségükkel elkészített struktúrák elegendően jó minőségűek és használhatók lesznek-e a kívánt gyakorlati célokra, és valóban alternatívaként szolgálhatnak-e a jelenleg is használt, komplikált és meglehetősen drága ion-maratásos eljárásoknak. Hogy megválaszoljam e kérdéseket a javasolt eljárásokat részletesen tanulmányozni kell.
Először azt kell megvizsgálni, hogy hogyan függnek az elkészített mintázatok legfontosabb paraméterei a lézer és a kísérlet egyéb paramétereitől. Ezzel párhuzamosan fontos, hogy megértsem és megmagyarázzam az elemi anyageltávolításban szerepet játszó elemi folyamatokat. Ehhez időbontott vizsgálatokat és numerikus szimulációkat kell végeznem. Továbbá elengedhetetlen, hogy felderítsem a javasolt technikák korlátait, előnyeit, hátrányait.
A javasolt projekt során az alábbi kérdésekre is választ keresek:
 Lehet-e két-nyaláb interferenciás elrendezésben lézeres hátoldali folyadékos maratással és ultrarövid impulzusokkal megvalósított ablációval mikrométeres struktúrákat létrehozni átlátszó vékonyrétegekbe minőségromlás nélkül optikai hullámvezető spektroszkópiai célra?
 Létrehozhatók-e kiváló minőségű, nagy diffrakciós hatásfokú transzmissziós rácsok átlátszó anyagokba az javasolt technikákkal spektroszkópiai célokra?
 Létrehozhatók-e kiváló minőségű fémrácsok ill. polarizátorok a javasolt lézeres technikákkal?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Célom, hogy kipróbáljak, részletesen megvizsgáljak, valamint optimalizáljak olyan ígéretes lézeres eljárásokat, melyek alkalmasak mikrométer alatti feloldású struktúrák készítésére különböző alkalmazásokhoz. A javasolt technikák remélhetőleg alternatívaként szolgálhatnak a komplikált és meglehetősen költséges ion maratásos technikákkal szemben, melyeket jelenleg is használnak optikai anyagok megmunkálására.
Célom, hogy az alkalmazások számára fontos optikai elemeket készítsek a javasolt lézeres eljárásokkal. A létrehozott mintázatok legfontosabb alkalmazási területei a következők:
 Az átlátszó vékonyrétegekbe készített becsatoló rácsok optikai hullámvezető spektroszkópiában és a szenzorikában használhatóak. Az optikai hullámvezető spektroszkópia egy igen érzékeny módszer, mellyel számos biológiai komponens időbeli változása egyszerűen nyomon követhető. Célom, hogy kiváló minőségű becsatoló rácsot készítsek átlátszó vékonyrétegekbe optikai hullámvezető spektroszkópiai és szenzorikai célokra.
 A mikrométer alatti periódusú transzmissziós rácsok UV-VUV spektroszkópiai célra használhatók.
 Vékony ”fémszálakból” álló rácsok polatizációs nyalábosztóként használhatók pl. a telekommunikációban. Jelenleg ilyen periodikus fémstruktúrákat bonyolult, többlépéses eljárással tudnak csak létrehozni. Célom, hogy ilyen fémrácsokat készítsek egy, az irodalomban fellelhetőnél olcsóbb és egyszerűbb eljárással.
Természetesen a kutatás e fázisában nem állíthatom, hogy a javasolt eljárások lesznek a legjobb és leggazdaságosabb módjai az optikai anyagok szubmikrométeres struktúrásának, hiszen ehhez a javasolt részletes kutatásokat el kell végezni, hogy megismerjük a módszerek előnyeit, hátrányait valamint a korlátait is. A projekt célja, hogy megvizsgáljam az eljárásokat, hogyan készíthetők azokkal kiváló minőségű mikrométernél kisebb periódusú mintázatok.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

Kutatásaim arra irányulnak, hogy az optikai anyagok mikro- és szubmikrométeres megmunkálására szolgáló lézeres eljárásokat fejlesszek ki. A javasolt lézeres módszerek lényegesen egyszerűbbek és olcsóbbak a ma használt ion-maratásos technikáknál.
A projekt keretében mikrométer alatti periódusú rácsok készítését tervezem lézeres eljárásokkal átlátszó és fém tömbanyagokba spektroszkópiai alkalmazásokhoz, átlátszó vékonyrétegekbe bioszeorokhoz, és fémszálakból álló rácsokat optikai alkalmazásokhoz.
A javasolt technikák (indirekt lézeres maratás, valamint utrarövid impulzusokkal megvalósított anyageltávolítás) esetében a szükséges beruházás, az eljárás összetettsége, és az ára sokkal kisebb, mint a jelenleg is használt eljárásoknál, a felbontása és a megmunkált felület minősége pedig összehasonlítható a jelenlegi eljárásokkal. Ez azt jelenti, hogy nem csak a tudományos kérdések ösztönöznek a javasolt lézeres módszerek fejlesztésére, hanem gazdaságossági szempontok is. Természetesen a kutatás ezen fázisában nem állítható, hogy a javasolt módszerek a legjobbak az optikai anyagok mikrométer alatti felbontású megmunkálására, hiszen a javasolt projektben szereplő vizsgálatok végrehajtása (előnyök, hátrányok kiderítése, korlátok meghatározása) elengedhetetlen e kérdések megválaszolásához. Célom, hogy e kérdésekre a kutatás végrehajtása során választ találjak, és használható eljárásokat fejlesszek ki.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Micro- and submicrometer structured optical materials have several application possibilities in sensing, spectroscopy, microoptics and microfluidics. These materials can be microstructured by conventional techniques, and laser-based methods. Presently ion etching technologies are applied for submicrometer structuring of optical materials, since the resolution and quality of processed surface high enough for optical application, but these procedures are a very complicated and it needs rather expensive devices and infrastructure.
The aims of proposed project are to introduce, investigate and optimize possible laser-based methods and target materials for producing applicable micro- and submicrometer periodical structures (transmission gratings, optical grating couplers, reflection metal grating, polarizer) in transparent and metallic bulk materials and films. The proposed laser-based techniques could provide good alternative of ion-etching method for fabrication of submicrometer structures for several applications.
The dependence of structure parameters on the experimental and laser parameters will be studied. In the detailed investigations time-resolved measurements will also carry out and a numerical model will be improved for understanding and interpretation of the elementary high-speed phenomenon and the complete material removal process. My aim is to optimize and compare the proposed techniques, and choose the most fitted materials, substrate-film combinations and procedure for fabrication of high quality gratings for particular spectroscopic, optical and sensing applications.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In my application I propose some laser-based grating fabrication methods for high quality structuring of optical materials for applications (sensing, spectroscopy, (micro)optics). The key question is if these introduced and developed procedures can produce high quality structures for special applications and can provide alternative of the presently used complicated and rather expensive ion-etching methods. In order to answer these questions it needs detailed investigations of the novel techniques.
First it necessary to study the dependence of the grating structures on the laser parameters at different target materials. Parallel to this, it is important to understand and interpret the elementary processes and phenomenon of material removal. In order to this time resolved studies and 2D numerical simulations will be carried out. Furthermore, it is essential to find the advantages, disadvantages and limitation factors of the proposed methods.
There are several crucial questions, which need to answer during the proposed project:
 Is it possible the submicrometer structuring of transparent films without quality loss for optical waveguide lightmode spectroscopy by two-beam interferometric laser-induced backside wet etching procedure and by and two-beam interferometric direct ablation by ultrashort pulses?
 Is it possible to fabricate high quality gratings having high diffraction efficiency for UV-VUV spectroscopy in thin transparent substrates by the proposed procedures? Which technique provides better results?
 Is it possible to fabricate high quality metallic gratings and metal-wire gratings by the proposed laser-based procedures?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

My aim is the introduction, investigation and optimization of laser-based methods for submicrometer structuring of optical materials for applications. The proposed techniques could provide alternative of complicate and rather expensive ion etching methods, which are presently used for fine structuring of optical materials.
My aim is to produce submicrometer structured optical materials by the proposed laser-based methods. The most important application possibilities of the fabricated structures are the followings:
 Optical grating couplers in high-index dielectric film are applied in optical waveguide lightmode spectroscopy (OWLS) and sensor applications. OWLS is a sensitive technique which is capable of real-time monitoring of several biological component. My aim is to fabricate high quality optical grating couplers is transparent films for OWLS and sensor applications.
 The submicrometer period gratings can be applied in UV and VUV spectroscopy.
 Metal-wire gratings can be used as polarizing beam splitter in e.g. optical telecommunication. The periodic metal structure can fabricate by a complicate multistep procedure, at present. My aim is to produce metal gratings by simplest and cheaper way than the previously presented studies.
Naturally, in this phase of the investigations it can not stated that the proposed procedures will the best and solution for submicrometer structuring of optical materials, since it needs detailed studies to get to know the procedure and find its advantages, disadvantages and limitation factors. The aim of this project is to investigate the proposed techniques and get more information about them and to fabricate submicrometer structured elements for different applications.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

My research is aimed towards developing of alternative laser-based methods for micro and submicrometer structuring of optical materials. The proposed laser-based techniques are significantly simpler and cheaper than the presently used ion-etching methods.
I plan to fabricate in this project submicrometer period gratings in transparent and metallic bulk materials by laser-based methods for spectroscopic applications, in films for biosensor applications and metal-wire gratings for optical applications by the proposed techniques.
The required investment, complexity and price of the proposed indirect laser etching technique and direct material removal by ultrashort laser pulses for submicrometer structuring of optical materials are much lower than in the case of presently used procedures, but the resolution and the quality of the structures could be comparable with them. This means that the not only scientific motivations exist for the development and investigation of the proposed technique, but the economical aspects would be also considerable. Naturally, in this phase of the investigations, it can not stated that the proposed procedures will the best solution for submicrometer structuring of optical materials, since it needs detailed studies to get to know the procedure and find its advantages, disadvantages and limitation factors. The aim of this project is to answer these questions and get more information about proposed methods and to fabricate some elements for applications.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A tervezett projekt célja az volt, hogy kipróbáljak, részletesen megvizsgáljak, valamint optimalizáljak olyan lézeres eljárásokat, melyek lehetővé teszik mikrométeres és mikrométer alatti feloldású periodikus struktúrák létrehozását átlátszó tömbanyagokba, vékonyrétegekbe valamint fémekbe. A végrehajtott kutatások során megvizsgáltam a struktúrák készítési feltételeit, a lehetséges alkalmazásokhoz igazítottam a létrehozási paramétereket, valamint demonstráltam az elkészített elemek használhatóságát. • Megállapítottam, hogy a megfelelő paraméterekkel rendelkező átlátszó vékonyrétegekbe lézeres eljárásokkal létrehozott periodikus struktúrák használhatók optikai hullámvezető szenzor alapelemeként. Kidolgoztam a készítési eljárást, meghatároztam releváns paramétereit. • Kidolgoztam a lenyomatkészítéses technikával létrehozott fémrácsok készítési eljárását, demonstráltam a rácsok működését. • Létrehoztam különböző, néhány 100 nm periódusú fémcsíkokat ömlesztett kvarcrácson, valamint demonstráltam a legkisebb periódusú mintázat polarizátorként való alkalmazhatóságát. • A fenti készítési eljárások megértéséhez numerikus szimulációkat végeztem, melynek eredményei jól egybeesik a kíséreti tapasztalatokkal, és segítenek azok magyarázatában. • A lézeres megmunkálási folyamat jobb megértéséhez kíséretileg vizsgáltam a struktúrakészítési alapfolyamatokat, azok időbeli lefutását.
Results in English
The aims of proposed project are to introduce, investigate and optimize possible laser-based methods and target materials for producing applicable micro- and submicrometer periodical structures in transparent and metallic bulk materials and films. During this project I studied the conditions of structuring; the parameters were fitted to the possible application, and I demonstrated the applicability of the produced structures. • I established that the produced gratings into transparent dielectrics can be applied as optical waveguide lightmode spectroscopy as incoupling element. I elaborated the grating fabrication procedure, determined its relevant parameters. • I elaborated the procedure of the melt-imprinting technique, and I demonstrated the applicability of produced metal gratings. • I prepared metal wire nanogratings on fused silica gratings, demonstrated the usability of smallest period structures as polarizer. • I established a numerical model and carried out simulations to understand and interpret the fabrication procedures. The results show good agreement with the experimental data. • I carried out time resolved studies for better understanding and interpretation of structuring and material removal procedure.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104477
Decision
Yes





 

List of publications

 
Vass C, Kiss B, Flender R, Felházi Z, Lorenz P, Ehrhardt M, Zimmer K: Comparative study on grating fabrication in transparent materials by TWIN-LIBWE and ultrashort pulsed ablation techniques, J LASER MICRO NANOEN 10: (1) 38-42, 2015
Kiss B, Flender R, Kopniczky J, Ujhelyi F, Vass C: Fabrication of polarizer by metal evaporation of fused silica surface relief gratings, J LASER MICRO NANOEN 10: (1) 53-58, 2015
Csaba Vass, Roland Flender, Balint Kiss, Karoly Osvay: Time-resolved study on periodic microstructure fabrication in polymers, In: Rode Andrei International Conference on Laser Ablation 2015 . Cairns, Ausztrália, 2015.08.31-2015.09.04. Kiadvány: Cairns: 2015. Paper O46. , 2015
B Kiss, R Flender, Cs Vass, K Osvay: Time-resolved study on grating formation in Polycarbonate, In: B Kiss, R Flender, Cs Vass, K Osvay Time-resolved study on grating formation in polycarbonate . Riga, Lettország, 2014.04.09-2014.04.02. Kiadvány: 2014. Paper P44. Developments in Optics and Communications / Laserlab III Training School, 2014
Vass Csaba, Andor Körmöczi, Hopp Béla: Two dimensional numerical modeling of TWIN-LIBWE method for interpretation of submicrometer grating fabrication in fused silica, In: Csaba Vass, Andor Körmöczi, Béla Hopp Andrei Rode (szerk.) (szerk.) Two dimensional numerical modeling of TWIN-LIBWE method for interpretation of submicrometer grating fabrication in fused silica: COLA 2015 International Conference on Laser Ablation 2015. Cairns:2015. pp. ., 2015
Flender Roland, Vass Csaba, Kiss Bálint, Osvay Károly: Polimerekbe készített optikai rácsok kialakulásának időbontott vizsgálata, In: Ádám P, Almási G (szerk.) (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. Pécs: Pécsi Tudományegyetem, TTK Fizikai Intézet, 2014. pp. ., 2014
Vass Csaba, Kiss Bálint, Flender Roland, Felházi Zoltán, Ujhelyi Ferenc, Osvay Károly: Optikai rácsok készítése lézeres eljárásokkal, In: Ádám P, Almási G (szerk.) (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. Pécs: Pécsi Tudományegyetem, TTK Fizikai Intézet, 2014. pp. ., 2014
B. Kiss, F. Ujhelyi, Á. Sipos, B. Farkas, P. Dombi, K. Osvay, Cs. Vass: Microstructuring of Transparent Dielectric Films by TWIN-LIBWE Method for OWLS Applications, JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol. 8, No. 3 (2013) 271-275, 2013
Cs. Vass, B. Kiss, J. Kopniczky, B. Hopp: Etching of fused silica fiber by metallic laser-induced backside wet etching technique, Applied Surface Science 278 241-244, 2013
Cs. Vass, B. Kiss, F. Ujhelyi, K. Osvay: Microstructuring of dielectric films by indirect laser etching method for waveguide applications, Fundamentals of Laser Assisted Micro– & Nanotechnologies (FLAMN-13), 2013
Cs. Vass, B. Kiss, F. Ujhelyi: Microstructuring of transparent dielectric films by TWIN-LIBWE method for OWLS applications, The 6th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2013) July 23–26, 2013., Toki Messe, Niigata, Japan, oral Tu1-OL-11, 2013
B. Kiss, R. Flender, Cs. Vass: Fabrication of micron and submicron period metal reflection gratings by imprinting technique, The 6th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2013) July 23–26, 2013., Toki Messe, Niigata, Japan, poster P23, 2013
C. Vass, B. Kiss, R. Flender, P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer: Micro-structuring of fused silica: nanosecond UV laser in TWIN-LIBWE arrangement versus ultrashort pulse ablation, The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2014), 17-20 June 2014, Vilnius, Lithuania, oral, Tu3-O-8 LPM2014 Program & Technical Digest Page, 2014
B. Kiss, R. Flender, J. Kopniczky, F. Ujhelyi, C. Vass: Fabrication of Polarizer by Metal Evaporation of Fused Silica Surface Relief Gratings, The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2014), 17-20 June 2014, Vilnius, Lithuania, poster, P53 LPM2014 Program & Technical Digest Page 2, 2014
C. Vass, R. Flender, B. Kiss, K. Osvay: Time-Resolved Study on Grating Fabrication in Transparent Dielectrics, The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2014), 17-20 June 2014, Vilnius, Lithuania, oral, Tu3-O-4 LPM2014 Program & Technical Digest Page, 2014
Cs. Vass, B. Kiss, R. Flender, J. Kopniczky, F. Ujhelyi: Polarizer Fabrication by Metal Evaporated Fused Silica Surface Relief Gratings, The 12th International Conference on Laser Ablation (COLA 2013) Okt 5-12, 2013., Ischia, Italy, poster, P1-58, 2013
B. Kiss, R. Flender, Cs. Vass: Fabrication of Micro- and Submicrometer Period Metal Reflection Gratings by Melt-Imprint Technique, JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol. 8, No. 3 (2013) 287-291, 2013
Cs. Vass, B. Kiss, J. Kopniczky, B. Hopp: Etching of fused silica fiber by metallic laser-induced backside wet etching technique, Applied Surface Science (2013) 278 241-244, DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.11.163, 2013




Back »