Direct laser writing in silver containing glasses

Tematyka tej pracy dotyczy tzw. drukowania laserowego (ang. direct laser writing - DLW) w szkłach zawierających jony srebra. W technice DLW wiązka lasera femtosekundowego jest ogniskowana w przezroczystym ośrodku, np. w szkle i na zasadzie absorpcji wielofotonowej dochodzi do modyfikacji właściwości takiego ośrodka jak np. jego współczynnika załamania. Podczas gdy klasyczna technika DLW koncentruje się na modyfikacji samej matrycy szklanej, to po wprowadzeniu do niej jonów metali szlachetnych, takich jak Ag+, co skutkuje zwiększoną światłoczułością szkła, możliwa jest jej modyfikacja bez degradacji. Impulsy femtosekundowe lokalnie inicjują procesy fototermiczne czego skutkiem jest wytrącanie klastrów i większych nanocząstek srebra charakteryzujących się odpowiednio silnymi pasmami fluorescencji i absorpcji w zakresie widzialnym. Powstające tym sposobem struktury klastrów mogą znaleźć liczne zastosowania w fotonice czy sensoryce.W ramach tej pracy, na bazie użyczonego przez firmę EKSPLA lasera FemtoLux 3, zbudowano układ doświadczalny do drukowania laserowego. Za pomocą tego układu wytworzono struktury klastrów srebra w specjalnie do tego przygotowanych próbkach szkła z zawartością jonów srebra. Próbki te zostały wytworzone technikami wymiany jonowej oraz tzw. quench-melting przez laboratorium CEMHTI CNRS w Orleanie we Francji oraz w Katedrze Chemii Krzemianów i Związków Wielkocząsteczkowych Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. Ponadto, dokonano analizy spektralnej fluorescencji wzbudzanej w wydzielonych klastrach przy użyciu specjalnie do tego celu zestawionego układu złożonego z mikroskopu konfokalnego, spektrometru siatkowego i kamery CCD ze wzmacniaczem obrazu.Otrzymane wyniki pozwoliły stwierdzić, że w procesie DLW kluczowym parametrem decydującym o charakterze powstałych modyfikacji jest fluencja wiązki laserowej w jej ognisku. Znacznie mniejsze jest natomiast znaczenie szybkości przesuwu próbki. Wykazano ponadto znaczną przewagę struktur klastrów wytworzonych w próbkach objętościowych nad tymi otrzymanymi w szkłach zawierających srebro wyłącznie w warstwach przypowierzchniowych.

The subject of this work concerns the so-called direct laser writing (DLW) in silver containing glasses. In the DLW technique, the femtosecond laser beam is focused in a transparent medium, e.g. in glass, and the properties of such a medium, such as its refractive index, are modified on the basis of multi-photon absorption. While the classic DLW technique focuses on modifying the glass matrix itself, by introducing noble metal ions such as Ag + into it, resulting in increased photosensitivity of the glass, it is possible to modify it without degrading. Femtosecond pulses locally initiate photothermal processes, resulting in the precipitation of clusters and larger silver nanoparticles characterized by respectively strong fluorescence and absorption bands in the visible range. The resulting cluster structures can find numerous applications in photonics and sensorics.As part of this work, an experimental system for DLW was built on the basis of the FemtoLux 3 laser lent by EKSPLA. Using this system, silver cluster structures were created in specially prepared glass samples containing silver ions. These samples were produced by ion exchange techniques and the so-called quench-melting by the CEMHTI CNRS laboratory in Orleans, France, and at the Department of Chemistry of Silicates and Macromolecular Compounds, Faculty of Materials Science and Ceramics, AGH. Moreover, spectral analysis of the fluorescence induced in the separated clusters was performed using a specially prepared system consisting of a confocal microscope, a eschelle spectrometer and a CCD camera with an image intensifier.The obtained results made it possible to conclude that in the DLW process the fluency of the laser beam in its focus is the key parameter determining the nature of the modifications. On the other hand, the sample speed is much less important. Moreover, a significant advantage of cluster structures produced in bulk samples over those obtained in glasses containing silver only in the subsurface layers was demonstrated.