ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-18-34

УДК: 535.421

Лазерное формирование периодических структур как метод одноэтапного синтеза защитных голограмм

Москвин М.К., Щедрина Н.Н., Долгополов А.Д., Прокофьев Е.В., Романов В.В., Синев Д.А., Вейко В.П., Одинцова Г.В.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Москвин М.К., Щедрина Н.Н., Долгополов А.Д., Прокофьев Е.В., Романов В.В., Синев Д.А., Вейко В.П., Одинцова Г.В. Лазерное формирование периодических структур как метод одноэтапного синтеза защитных голограмм // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 4. С. 18–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-18-34

Ссылка на англоязычную версию:

Moskvin M.K., Shchedrina N.N., Dolgopolov A.D., Prokofiev E.V., Romanov V.V., Sinev D.A., Veiko V.P., Odintsova V.P. Periodic structures laser formation as a method of one-stage production of security holograms [In Russia] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 18–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-18-34

Аннотация:

Предмет исследования. В работе исследованы методы формирования топологии элементов на основе лазерно­индуцированных периодических поверхностных структур для реализации различных визуальных эффектов и структурных признаков в защитной голограмме, записанной непосредственно на поверхности нержавеющей стали AISI 430. Цель работы. Оптимизация процесса записи изображений с помощью лазерно­индуцированных периодических поверхностных структур на массивном металле при создании динамических изображений для решения задач защитной голографии. Метод. Метод основан на формировании лазерно­индуцированных периодических поверхностных структур под воздействием сканирующего лазерного излучения при одновременном повороте поляризации лазерного излучения. Процесс записи реализован при помощи излучения волоконного наносекундного лазера c длиной волны 1,064 мкм в 2­х координатной сканирующей системе с объективом плоского поля. Основные результаты. Разработана методика создания защитной голограммы, состоящей из набора элементарных ячеек, заполненных дифракционными микрорешётками с различной пространственной ориентацией. Выявлены основные факторы влияния на пространственную ориентацию лазерно­индуцированных периодических поверхностных структур при формировании структур с заданной топологией и наблюдаемыми визуальными динамическими эффектами на основе элементарных дифракционных микрорешётках: поляризация излучения и траектория сканирования пучка. Показано, что период дифракционных микрорешёток в рассматриваемом случае составляет около 1 мкм и равен длине волны воздействующего лазерного излучения. Практическая значимость. Предложенный в работе метод формирования дифракционных микрорешёток позволяет получать голографические элементы/изображения с различной пространственной топологией, различными визуальными и структурными признаками, отвечающими требованиям, предъявляемым к современным защитным голограммам в основных областях их применения.

 

Благодарность: исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (Проект № 21­79­10241).

Ключевые слова:

лазерно­индуцированные периодические поверхностные структуры, защитная голограмма, дифракционная решётка

Коды OCIS: 090.5640, 050.1950.

Список источников:
  1. Денисюк Ю.Н. Мой путь в голографии / Ю.Н. Денисюк — основоположник отечественной голографии // Сборник трудов Всероссийского семинара. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. С. 7–14.
  2. Gabor D. Holography, 1948–1971 // Science. 1972. V. 177. № 4046. P. 299–313. https://doi.org/10.1126/science.177.4046.299
  3. Leith E.N., Upatnieks J. Reconstructed wavefronts and communication theory // JOSA. 1962. V. 52. № 10. P. 1123–1130. https://doi.org/10.1364/JOSA.52.001123
  4. Benton S.A., Bove Jr.V.M. Holographic imaging. Hoboken.: John Wiley & Sons, 2008. 173 p. https://doi.org/10.1002/9780470224137
  5. Lu Y.T., Chi S. Compact, reliable asymmetric optical configuration for cost­effective fabrication of multiplex dot matrix hologram in anti­counterfeiting applications // Optik. 2003. V. 114. № 4. P. 161–167. https://doi.org/10.1078/0030­4026­00241
  6. Bulanovs A., Gerbreders V., Paschkevich V., Teteris J. Dot­matrix holographic recording in amorphous chalcogenide films // Advanced Optical Materials, Technologies, and Devices. SPIE. 2007. V. 6596. P. 128–131. https://doi.org/10.1117/12.726405
  7. Firsov A., Firsov A., Loechel B., Erko A., Svintsov A., Zaitsev S. Fabrication of digital rainbow holograms and 3D imaging using SEM based e­beam lithography // Optics Express. 2014. V. 22. № 23. P. 28756–28770. https://doi.org/10.1364/OE.22.028756
  8. Zhu X., Yan W., Levy U., Mortensen N.A., Kristensen A. Resonant laser printing of structural colors on high­index dielectric metasurfaces // Science advances. 2017. V. 3. № 5. P. e1602487. https://doi.org/10.1126/sciadv.160248
  9. Wlodarczyk K.L., Ardron M., Waddie, A.J., Dunn A., Kidd M.D., Weston N.J., Hand D.P. Laser microsculpting for the generation of robust diffractive security markings on the surface of metals // Journal of Materials Processing Technology. 2015. V. 222. P. 206–218. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2015.03.001
  10. Tamulevičius T., Juodėnas M., Klinavičius T., Paulauskas A., Jankauskas K., Ostreika A., Žutautas A., Tamulevičiu, S. Dot­matrix hologram rendering algorithm and its validation through direct laser interference patterning // Scientific reports. 2018. V. 8. № 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598­018­32294­5
  11. Lasagni A.F., Gachot C., Trinh K.E., Hans M., Rosenkranz A., Roch T., Mücklich F. Direct laser interference patterning, 20 years of development: From the basics to industrial applications // Laser­based micro­and nanoprocessing XI. SPIE. 2017. V. 10092. № 3. P. 186–196. https://doi.org/10.1117/12.2252595
  12. Voisiat B., Wang W., Holzhey M., Lasagni A.F. Improving the homogeneity of diffraction based colours by fabricating periodic patterns with gradient spatial period using Direct Laser Interference Patterning // Scientific reports. 2019. V. 9. № 1. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41598­019­44212­4
  13. Birnbaum M. Semiconductor surface damage produced by ruby lasers // Journal of Applied Physics. 1965. V. 36. № 11. P. 3688–3689. https://doi.org/10.1063/1.1703071
  14. Akhmanov S.A., Emel'yanov V.I., Koroteev N.I., Seminogov V.N. Interaction of powerful laser radiation with the surfaces of semiconductors and metals: nonlinear optical effects and nonlinear optical diagnostics // Soviet Physics Uspekhi. 1985. V. 28. № 12. P. 1084. https://doi.org/10.1070/PU1985v028n12ABEH003986
  15. Rudenko A., Mauclair C., Garrelie F., Stoian R., Colombier, J.P. Amplification and regulation of periodic nanostructures in multipulse ultrashort laser­induced surface evolution by electromagnetic­hydrodynamic simulations // Physical Review B. 2019. V. 99. № 23. P. 235412. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.235412
  16. Reif J., Varlamova O., Varlamov S., Bestehorn M. The role of asymmetric excitation in self­organized nanostructure formation upon femtosecond laser ablation // AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics. 2012. V. 1464. № 1. P. 428–441. https://doi.org/10.1063/1.4739897
  17. Bonse J., Gräf S. Maxwell meets Marangoni — a review of theories on laser­induced periodic surface structures // Laser & Photonics Reviews. 2020. V. 14. № 10. P. 2000215. https://doi.org/10.1002/lpor.202000215
  18. Dusser B., Sagan Z., Soder H., Faure N., Colombier J.P., Jourlin M., Audouard E. Controlled nanostructrures formation by ultrafast laser pulses for color marking // Optics express. 2010. V. 18. № 3. P. 2913–2924. https://doi.org/10.1007/s00339­012­6849­y
  19. Ionin A.A., Kudryashov S.I., Makarov S.V., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Golosov E.V., Golosova O.A., Kolobov Y.R., Ligachev A.E. Femtosecond laser color marking of metal and semiconductor surfaces // Applied Physics A. 2012. V. 107. № 2. P. 301–305. https://doi.org/10.1007/s00339­012­6849­y
  20. Tan B., Venkatakrishnan K. A femtosecond laser­induced periodical surface structure on crystalline silicon // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2006. V. 16. № 5. P. 1080. https://doi.org/10.1088/0960­1317/16/5/029
  21. Vorobyev A.Y., Guo C. Effects of nanostructure­covered femtosecond laser­induced periodic surface structures on optical absorptance of metals // Applied Physics A. 2007. V. 86. № 3. P. 321–324. https://doi.org/10.1007/s00339­006­3800­0
  22. Bonse J., Krüger J., Höhm S., Rosenfeld A. Femtosecond laser­induced periodic surface structures // Journal of Laser Applications. 2012. V. 24. № 4. P. 042006. https://doi.org/10.2351/1.4712658
  23. Gräf S., Kunz C., Müller F.A. Formation and properties of laser­induced periodic surface structures on different glasses // Materials. 2017. V. 10. № 8. V. 933. https://doi.org/10.3390/ma10080933
  24. Rebollar E., Castillejo M., Ezquerra T.A. Laser induced periodic surface structures on polymer films: From fundamentals to applications // European Polymer Journal. 2015. V. 73. P. 162–174. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.10.012
  25. Long J., Fan P., Zhong M., Zhang H., Xie Y., Lin C. Superhydrophobic and colorful copper surfaces fabricated by picosecond laser induced periodic nanostructures // Applied Surface Science. 2014. V. 311. P. 461–467. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.05.090
  26. Zhang Y., Zou G., Liu L., Wu A., Sun Z., Zhou Y.N. Vacuum brazing of alumina to stainless steel using femtosecond laser patterned periodic surface structure // Materials Science and Engineering: A. 2016. V. 662. P. 178–184. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.03.068
  27. Vorobyev A.Y., Guo C. Colorizing metals with femtosecond laser pulses // Applied Physics Letters. 2008. V. 92. № 4. P. 041914. https://doi.org/10.1063/1.2834902
  28. Bonse J., Höhm S., Koter R., Hartelt M., Spaltmann D., Pentzien S., Rosenfeld A., Krüger J. Tribological performance of sub­100­nm femtosecond laser­induced periodic surface structures on titanium // Applied Surface Science. 2016. V. 374. P. 190–196. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.11.019
  29. Martínez­Calderon M., Manso­Silván M., Rodríguez A., Gómez­Aranzadi M., García­Ruiz J.P., Olaizola S.M., Martín­Palma R.J. Surface micro­and nano­texturing of stainless steel by femtosecond laser for the control of cell migration // Scientific reports. 2016. V. 6. №. 1. P. 1–10. https://doi.org/10.1038/srep36296
  30. Ackerl N., Gugger P., Wegener K. Laser marking and coloration of Ti­6Al­4V with ultrashort pulses // Journal of Laser Applications. 2020. V. 32. № 3. P. 032013. https://doi.org/10.2351/7.0000021
  31. Li G., Li J., Hu Y., Zhang C., Li X., Chu J., Huang W. Femtosecond laser color marking stainless steel surface with different wavelengths // Applied Physics A. 2015. V. 118. № 4. P. 1189–1196. https://doi.org/10.1007/s00339­014­8868­3
  32. Lee K., Ki H. Femtosecond laser patterning based on the control of surface reflectance // Applied Surface Science. 2019. V. 494. P. 187–195. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.07.163
  33. Jwad T., Penchev P., Nasrollahi V., Dimov S. Laser induced ripples’ gratings with angular periodicity for fabrication of diffraction holograms // Applied Surface Science. 2018. V. 453. P. 449–456. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.277
  34. Gräf S. Formation of laser­induced periodic surface structures on different materials: fundamentals, properties and applications // Advanced Optical Technologies. 2020. V. 9. № 1–2. P. 11–39. https://doi.org/10.1515/aot­2019­0062
  35. Liu W., Jiang L., Han W., Hu J., Li X., Huang J.,Zhan S., Lu Y. Manipulation of LIPSS orientation on silicon surfaces using orthogonally polarized femtosecond laser double­pulse trains // Optics Express. 2019. V. 27. № 7. P. 9782–9793. https://doi.org/10.1364/OE.27.009782
  36. Kotsiuba Y., Hevko I., Bellucci S., Gnilitskyi I. Bitmap and vectorial hologram recording by using femtosecond laser pulses // Scientific Reports. 2021. V. 11. № 1. P. 1–8. https://doi.org/10.1038/s41598­021­95665­5
  37. Hermens U., Pothen M., Winands K., Arntz K., Klocke F. Automated polarization control for the precise alignment of laser­induced self­organized nanostructures // Optics and Lasers in Engineering. 2018. V. 101. P. 44–50. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.10.001
  38. Одиноков С. Методы и оптико­электронные приборы для автоматического контроля подлинности защитных голограмм. М.: Техносфера, 2013. 176 с.
  39. Gnilitskyi I., Derrien T.J.Y., Levy Y., Bulgakova N.M., Mocek T., Orazi L. High­speed manufacturing of highly regular femtosecond laser­induced periodic surface structures: Physical origin of regularity // Scientific reports. 2017. V. 7. № 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1038/s41598­017­08788­z
  40. Andreeva Y.M., Luong V.C., Lutoshina D.S., Medvedev O.S., Mikhailovskii V.Y., Moskvin M.K., Odintsova G.V., Romanov V.V., Shchedrina N.N., Veiko V.P. Laser coloration of metals in visual art and design // Optical Materials Express. 2019. V. 9. № 3. P. 1310–1319. https://doi.org/10.1364/OME.9.001310
  41. Öktem B., Pavlov I., Ilday S., Kalaycıoğlu H., Rybak A., Yavaş S., Erdoğan M., Ilday F.Ö. Nonlinear laser lithography for indefinitely large­area nanostructuring with femtosecond pulses // Nat Photon. 2013. V. 7. № 11. P. 897–901. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.272
  42. Rudenko A., Abou­Saleh A., Pigeon F., Mauclair C., Garrelie F., Stoian R., Colombier J.P. High­frequency periodic patterns driven by non­radiative fields coupled with Marangoni convection instabilities on laser­excited metal surfaces // Acta Materialia. 2020. V. 194. P. 93–105. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.04.058
  43. Tsibidis G.D., Skoulas E., Papadopoulos A., Stratakis E. Convection roll­driven generation of supra­wavelength periodic surface structures on dielectric suponir radiation with femtosecond pulsed lasers // Physical Review B. 2016. V. 94. № 8. P. 081305. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.081305
  44. Gurevich E.L. Mechanisms of femtosecond LIPSS formation induced by periodic surface temperature modulation // Applied Surface Science. 2016. V. 374. P. 56–60. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.09.091
  45. Prodger P., Gunning T. Time stands still: Muybridge and the instantaneous photography movement. Oxford.: Oxford University Press, 2003. 328 p.
  46. Fauchet P.M., Siegman A.E. Surface ripples on silicon and gallium arsenide under picosecond laser illumination // Applied Physics Letters. 1982. V. 40. № 9. P. 824–826. https://doi.org/10.1063/1.93274
  47. Zhang C.Y., Yao J.W., Liu H.Y., Dai Q.F., Wu L.J., Lan S., Trofimov V.A., Lysak T.M. Colorizing silicon surface with regular nanohole arrays induced by femtosecond laser pulses // Optics letters. 2012. V. 37. № 6. P. 1106–1108. https://doi.org/10.1364/OL.37.001106