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: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-78-91

УДК: 535.21

Гибридная лазерная субтрактивная технология формирования оптофлюидных элементов в нанопористой силикатной матрице

Шишкина А.С., Алсаиф Я., Якимук В.А., Ли Ч., Андреева О.В., Заколдаев Р.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Шишкина А.С., Язан Алсаиф, Якимук В.А., Ли Чуньюй, Андреева О.В., Заколдаев Р.А. Гибридная лазерная субтрактивная технология формирования оптофлюидных элементов в нанопористой силикатной матрице // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 4. С. 78–91. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-78-91

 

Shishkina А.S., Yazan AlSaif, Yakimuk V.А., Li Chunyu, Andreeva O.V., Zakoldaev R.А. Hybrid laser subtractive technology for the fabrication of optofluidic elements in a nanoporous silicate matrix [ In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 78–91. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-78-91

Ссылка на англоязычную версию:

test

Аннотация:

Предмет исследования. Исследование влияния щелочного травления на три типа модификации нанопористой силикатной матрицы: двулучепреломляющие структуры, уплотнение и разуплотнение материала, сформированные ультракороткими лазерными импульсами в объёме материала. Цель работы. Проводится исследование влияния щелочного травления на оптические и морфологические свойства трёх типов лазерно­индуцированной модификации нанопористой силикатной матрицы: двулучепреломляющие структуры, уплотнение и разуплотнение материала, сформированные ультракороткими лазерными импульсами. Методология. Технология реализуется за три этапа: (i) прямая лазерная запись в пластине нанопористой силикатной матрицы с применением остросфокусированных (20Х, NA = 0,4) фемтосекундных лазерных импульсов (n = 25–50 кГц, u = 1, 5, 45 мм/с, Р = 15–60 мВт, t = 500 и 2000 фс, l = 515 нм); (ii) щелочное травление в гидроксиде калия, которое способствует очищению сформированных треков. Кроме того, на этом этапе происходит увеличение среднего размера пор до 17 нм; (iii) очистка образца в дистиллированной воде с последующей сушкой в печи. Основные результаты. Определены условия формирования полых микроканалов с длиной 5 мм и шириной 5–7 мкм, микроканалов с уплотнённой оболочкой вокруг, а также микроканалов с селективным отражением в узком видимом спектральном диапазоне. Каналы также были заполнены жидкостью с объёмом 3 мкл, где спустя 10–12 с произошло полное испарение жидкости из канала. Практическая значимость. Продемонстрированы ключевые этапы гибридной лазерной субтрактивной технологии создания микрофлюидных и оптофлюидных элементов внутри нанопористой силикатной матрицы. Проведённое исследование открывает новые возможности при разработке объёмных микрофлюидных систем, что востребовано для исследования биохимических реакций или диагностики изменений окружающей среды. В перспективе созданные оптофлюидные элементы могут быть востребованы при создании диагностических устройств – лабораторий на чипе (lab on a chip).

 

Благодарность: исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 20­71­10103). Исследование по вводу лазерного излучения в оптофлюидный микроканал было выполнено в рамках финансовой поддержки гранта НИРМА ФТ МФ Университета ИТМО «Канальные оптические микроволноводы в нанопористых оптических материалах для задач диагностики окружающей среды» Якимук Вероники.

Ключевые слова:

микроканалы, пористое стекло, нанопористая матрица, фемтосекундные лазерные импульсы, субтрактивная технология

Коды OCIS: 140.3390, 160.2750

Список источников:
  1. Bruus H. Theoretical microfluidics. Chippenham: Oxford university press, 2007. 345 p.
  2. Li W., Chu W., Yin D., Liang Y., Wang P., Qi J., Wang Z., Lin J., Wang M., Wang Z., Cheng Y. A three­dimensional microfluidic mixer of a homogeneous mixing efficiency fabricated by ultrafast laser internal processing of glass // Applied Physics A. 2020. V. 126. № 10. P. 1–7. https://doi.org/10.1007/s00339­020­04000­8
  3. Niculescu A.G., Chircov C., Bîrcă A.C., Grumezescu A.M. Fabrication and applications of microfluidic devices: A review // International Journal of Molecular Sciences. 2021. V. 22. № 4. P. 2011. https://doi.org/10.3390/ijms22042011
  4. Italia V., Giakoumaki A.N., Bonfadini S., Bharadwaj V., Le Phu T., Eaton S.M., Ramponi R., Bergamini G., Lanzani G., Criante L. Laserinscribed glass microfluidic device for nonmixing flow of miscible solvents // Micromachines. 2018. V. 10. № 1. P. 23. https://doi.org/10.3390/mi10010023
  5. Liao Y., Song J., Li E., Luo Y., Shen Y., Chen D., Cheng Y., Xu Z., Sugioka K., Midorikawa K. Rapid prototyping of three­dimensional microfluidic mixers in glass by femtosecond laser direct writing // Lab on a Chip. 2012. V. 12. № 4. P. 746–749. http://doi.org/. 10.1039/C2LC21015K
  6. Tan D., Zhang B., Qiu J. Ultrafast laser direct writing in glass: Thermal accumulation engineering and applications // Laser & Photonics Reviews. 2021. V. 15. № 9. P. 2000455. https://doi.org/10.1002/lpor.202000455
  7. Fedotov S., Lipatiev A., Lipateva T., Lotarev S., Sigaev V. Hollow channel formation inside Sodium Aluminoborate Glass by femtosecond laser writing and distilled water etching // Materials. 2021. V. 14. № 19. P. 5495. https://doi.org/10.3390/ma14195495
  8. Sima F., Sugioka K. Ultrafast laser manufacturing of nanofluidic systems // Nanophotonics. 2021. V. 10. № 9. P. 2389–2406. https://doi.org/10.1515/nanoph­2021­0159
  9. Macias­Montero M., Muñoz F., Sotillo B., Del Hoyo J., Ariza R., Fernandez P., Siegel J., Solis J. Femtosecond laser induced thermophoretic writing of waveguides in silicate glass // Scientific reports. 2021. V. 1. № 1. P. 1–12. https://doi.org/10.1038/s41598­021­87765­z
  10. Shakhgildyan G., Lipatiev A., Lotarev S., Fedotov S., Sigaev V. Glass: Home of the periodic table // Frontiers in Chemistry. 2020. V. 8. P. 384. https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00384
  11. Kanehira S., Si J., Qiu J., Fujita K., Hirao K. Periodic nanovoid structures via femtosecond laser irradiation // Nano Letters. 2005. V. 5. № 8. P. 1591–1595. https://doi.org/10.1021/nl0510154
  12. Li X., Xu J., Lin Z., Qi J., Wang P., Chu W., Fang Z., Wang Z., Chai Z., Cheng Y. Polarization­insensitive space­selective etching in fused silica induced by picosecond laser irradiation // Applied Surface Science. 2019. V. 485. P. 188–193. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.04.211
  13. Capuano L., Tiggelaar R.M., Berenschot J.W., Gardeniers J.G., Römer G.R. Fabrication of millimeter­long structures in sapphire using femtosecond infrared laser pulses and selective etching // Optics and Lasers in Engineering. 2020. V. 133. P. 106114. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2020.
  14. Vazquez R.M., Osellame R., Nolli D., Dongre C., van den Vlekkert H., Ramponi R., Pollnau M., Cerullo G. Integration of femtosecond laser written optical waveguides in a lab­on­chip // Lab on a Chip. 2009. V. № 1. P. 91–96. https://doi.org/10.1039/B808360F
  15. Lijing Z., Zakoldaev R.A., Sergeev M.M., Petrov A.B., Veiko V.P., Alodjants A.P. Optical sensitivity of waveguides inscribed in nanoporous silicate framework // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 1. P. 123. https://doi.org/10.3390/nano11010123
  16. Sima F., Sugioka K., Vázquez R.M., Osellame R., Kelemen L., Ormos P. Three­dimensional femtosecond laser processing for lab­on­a­chip applications // Nanophotonics. 2018. V. 7. № 3. P. 613–634. https://doi.org/10.1515/nanoph­2017­0097
  17. Liu C., Liao Y., He F., Song J., Lin D., Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Compact 3D microfluidic channel structures embedded in glass fabricated by femtosecond laser direct writing // Journal of Laser Micro Nanoengineering. 2013. V. 8. № 2. P. 170. http://doi.org/10.2961/jlmn.2013.02.0010
  18. Zhong L., Zakoldaev R.A., Sergeev M.M., Veiko V.P., Li Z. Porous glass density tailoring by femtosecond laser pulses // Optical and Quantum Electronics. 2020. V. 52. № 1. P. 1–8. https://doi.org/10.1007/s11082­019­2163­7
  19. Kudryashov S., Rupasov A., Zakoldaev R., Smaev M., Kuchmizhak A., Zolot’ko A., Kosobokov M., Akhmatkhanov A., Shur V. Nanohydrodynamic local compaction and nanoplasmonic form­birefringence inscription by ultrashort laser pulses in nanoporous fused Silica // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 20. P. 3613. https://doi.org/10.3390/nano12203613
  20. Itina T.E., Zakoldaev R.A., Sergeev M.M., Ma H., Kudryashov S.I., Medvedev O.S., Veiko V.P. Ultra­short laser­induced high aspect ratio densification in porous glass // Optical Materials Express. 2019. V. 9. № 11. P. 4379–4389. https://doi.org/10.1364/OME.9.004379
  21. Быков Е.П., Заколдаев Р.А., Андреева Н.В., Шишкина А.С., Яндыбаева Ю.И., Андреева О.В. Изготовление нанопористых силикатных матриц: вопросы оптической однородности // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 3. С. 56–67. https://doi.org/10.17586/1023­5086­2022­89­03­56­67
  22. Ma H., Zakoldaev R.A., Rudenko A., Sergeev M.M., Veiko V.P., Itina T.E. Well­controlled femtosecond laser inscription of periodic void structures in porous glass for photonic applications // Optics Express. 2017. V. 25. № 26. P. 33261–33270. https://doi.org/10.1364/OE.25.033261
  23. Liao Y., Ni J., Qiao L., Huang M., Bellouard Y., Sugioka K., Cheng Y. High­fidelity visualization of formation of volume nanogratings in porous glass by femtosecond laser irradiation // Optica. 2015. V. 2. № 4. P. 329­34. https://doi.org/10.1364/OPTICA.2.000329
  24. Kudryashov S.I., Danilov P.A., Rupasov A.E., Smayev M.P., Kirichenko A.N., Smirnov N.A., Ionin A.A., Zolot'ko A.S., Zakoldaev R.A. Birefringent microstructures in bulk fluorite produced by ultrafast pulsewidth­dependent laser inscription // Applied Surface Science. 2021. V. 568. P. 150877. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150877
  25. Liu Z., Xu J., Lin Z., Qi J., Li X., Zhang A., Lin J., Chen J., Fang Z., Song Y., Chu W. Fabrication of single­mode circular optofluidic waveguides in fused silica using femtosecond laser microfabrication // Optics & Laser Technology. 2021. V. 141. P. 107118. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107118
  26. Xu J., Sima F., Sugioka K. Femtosecond laser direct writing for 3D microfluidic biochip fabrication // Laser Micro­Nano­Manufacturing and 3D Microprinting. 2020. P. 247–272. https://doi.org/10.1007/978­3­030­59313­1_8