Nanostrukturování povrchů extrémním ultrafialovým a rentgenovým laserovým zářením
ID projektu:GA14-29772S
Poskytovatel:Grantová agentura České republiky
Období:01.01.2014 - 31.12.2016
Příjemce -- koordinátor:Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
-- Ing. Libor Juha, CSc.
Spolupříjemce / hl. řešitel(é):Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i., Praha -- RNDr. Karel Koláček, CSc.
Spoluřešitelé z ÚFPA. Frolov, V. Prukner, J. Schmidt, J. Štraus

Cíle projektu: Nové zdroje intenzívního koherentního krátkovlnného záření, tedy XUV/rtg. lasery s vysokoteplotním plazmatem nebo svazkem relativistických elektronů, představují nadějný nástroj přímého nanostrukturování povrchů různých materiálů, neboť mohou ablačně či desorpčně otisknout obrazec s detaily srovnatelnými s vlnovou délkou záření. Klíčovou výhodou XUV/rtg. laserů pro přípravu nanostruktur požadovaného profilu je unikátní kombinace krátké vlnové délky, vysokého stupně koherence a extrémního špičkového výkonu. Existence určité prahové fluence potřebné k přímému strukturování povrchu vyžaduje právě dostatek výkonu ve fokusovaném svazku. Ačkoliv zdroje typu vysokých harmonických nebo nekoherentní plazmové zdroje vyvíjené pro extrémní ultrafialovou lithografii mohou také posloužit k přenesení obrazce s detaily menšími než desetina mikrometru, nevyprodukují prostorovou nanostrukturu několika impulzy záření. Tento projekt je zaměřen na systematický výzkum vytváření nanostruktur na površích různých materiálů ozářených intenzívním krátkovlnným zářením a objasnění mechanismu jejich vzniku.

Dosažené výsledky: Výzkum začal (podle plánu) s metrologií XUV laserového pulzu – zaměřenou na měření energie laserového pulzu, na divergenci laserového svazku a na odrazivost fokusujícího zrcadla. Energie laserového pulzu byla měřena vakuovou fotodiodou (naší vlastní konstrukce) se zlatou fotokatodou umístěnou blízko za mřížkovou anodou. Nová kalibrační procedura vychází z tabelované fotoemise zlata a z měření transmise Al filtrů, sběrné účinnosti anody a útlumu měřících kabelů. Ukázalo se, že typická energie laserového pulzu generovaného naší 400 mm dlouhou kapilárou při ~20 kA výbojovém proudu je ~0,8-1 mJ, zatímco energie pulzu generovaného stejnou kapilárou při výbojovém proudu ~40 kA je ~40 mJ. To je nejvyšší energie ve světě dosažená na této vlnové délce. Změřená odrazivost našeho multivrstvého (Sc/Si) zrcadla při kvazinormálním dopadu je 22,5%. Divergence laserového svazku byla počítána z profilů laserového svazku registrovaného fluorescenčním stínítkem ve vzdálenosti 570 a 1180 mm od ústí kapiláry. Zjištěná hodnota je 2,07 ± 0,17 mrad pro 232 mm dlouhou kapiláru, a 2,59 ± 0,30 mrad pro 400 mm dlouhou kapiláru. Tvar fokusovaného svazku byl zkoumán také pomocí ablačních otisků. Mj. bylo zjištěno, že zobrazení má velký astigmatizmus s astigmatickým rozdílem ~16 mm. Nedávno byla série ablačních otisků pořízených před tangenciálním ohniskem analyzována mikroskopem atomárních sil; tento experimentálně získaný z-sken byl importován do numerického kódu popisujícího šíření svazku. Jedním z výsledků této simulace byl i astigmatický rozdíl blízký k námi změřené hodnotě. Rozdílnost našeho standardního a vysoko-energetického režimu činnosti našeho laseru byla demonstrována i ablačními plumy (výtrysky zářících mraků emitovaných částic) z povrchů pevných terčíků.

Související výsledky:

Štraus J., Koláček K., Schmidt J., Frolov O., Vilémová M., Matějíček J., Jäger A., Juha L., Toufarová M., Choukorov A., Kasuya K.: Response of fusion plasma-facing materials to nanosecond pulses of extreme ultraviolet radiation. Laser and Particle Beams 36 [3] (2018) 293-307. [ Link ]

Makhotkin I.A., Sobierajski R., Chalupský J., Tiedtke K., de Vries G., Stoermer M., Scholze F., Siewert F., van de Kruijs R.W.E., Louis E., Jacyna I., Jurek M., Klinger D., Nittler L., Syryanyy Y., Juha L., Hájková V., Vozda V., Burian T., Saksl K., Faatz B., Keitel B., Ploenjes E., Schreiber S., Toleikis S., Loch R., Hermann M., Strobel S., Nienhuys H.-K., Gwalt G., Mey T., Enkisch H.: Experimental study of EUV mirror radiation damage resistance under long-term free-electron laser exposures below the single-shot damage threshold. Journal of Synchrotron Radiation 25 [1] (2018) 77-84. [ Link ]
[Workshop on FEL Photon Diagnostics, Instrumentation and Beamline Design (PhotonDiag2017). Stanford, 01.05.2017-03.05.2017]

Toufarová M., Hájková V., Chalupský J., Burian T., Vacík J., Vorlíček V., Vyšín L., Gaudin J., Medvedev N., Ziaja B., Nagasono M., Yabashi M., Sobierajski R., Krzywinski J., Sinn H., Störmer M., Koláček K., Tiedtke K., Toleikis S., Juha L.: Contrasting behavior of covalent and molecular carbon allotropes exposed to extreme ultraviolet and soft x-ray free-electron laser radiation. Physical Review B 96 [21] (2017) 1-11, č. článku 214101. [ Link ]

Kasuya K., Motokoshi S., Taniguchi S., Nakai M., Tokunaga K., Koláček K., Schmidt J., Frolov O., Štraus J., Matějíček J., Choukourov A.: Ablation-erosion analyses of various fusion material surfaces and developments of surface erosion monitors for notification of fusion chamber maintenance times, as an example: Visible light transparent SiC and up-conversion phosphors applied to plasma facing surface structures, useful for versatile purposes to protect and diagnose fusion chambers and so on. Proceedings of SPIE, Vol. 10254: XXI INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON HIGH POWER LASER SYSTEMS AND APPLICATIONS 2016. Bellingham: SPIE, 2017 - (Schuocker, D.; Majer, R.; Brunnbauer, J.), č. článku 102541B. SPIE. ISBN 978-1-5106-1009-5. ISSN 0277-786X. [ Link ]
[International Symposium on High Power Laser Systems and Applications 2016/21./. Gmunden (AT), 05.09.2016-09.09.2016]

Koláček K., Schmidt J., Štraus J., Frolov O., Juha L., Chalupský J.: Interaction of Extreme Ultraviolet Laser Radiation with Solid Surface: Ablation, Desorption, Nanostructuring. Proceeding of SPIE Vol. 9255: 20th International Symposium on High Power Systems and Applications 2014, HPLS and A 2014. Vol. 9255. Bellingham : SPIE-INT SOC OPTICAL ENGINEERING, 2015 - (Tang, C.; Chen, S.; Tang, X.), 92553U-92553U ISBN 978-1-62841-322-9. ISSN 0277-786X. - (SPIE. 9255). [ Link ]
[International Symposium on High Power Laser Systems and Applications 2014/20./. Chengdu (CN), 25.08.2014-29.08.2014]

Frolov O., Koláček K., Schmidt J., Štraus J., Choukourov A., Kasuya K.: EUV nanosecond laser ablation of silicon carbide, tungsten and molybdenum. Conference proceedings of 9th International Conference on Reactive Plasmas, 68th Gaseous Electronics Conference and 33rd Symposium on Plasma Processing. Meieki, Nakamura-ku, Nagoya : Japan Society of Applied Physics, 2015 - (Toyoda, H.; Vukovic, M.), GT1.00124-GT1.00124 ISBN 978-4-86348-529-7. - (APS Meeting).
[International Conference on Reactive Plasmas, 68th Gaseous Electronics Conference and 33rd Symposium on Plasma Processing/9./. Honolulu, Hawaii (US), 12.10.2015-16.10.2015]

Schmidt J., Štraus J., Koláček K., Frolov O.: Nanostructuring of solid surfaces by discharge-pumped xuv laser source. NANOCON 2015: 7th International Conference, Papers - Full Texts. Ostrava : TANGER, spol. s r.o, 2015 - (Shrbená, J.; Zbořil, R.) ISBN 978-80-87294-59-8.
[NANOCON 2015. International Conference /7./. Brno (CZ), 14.10.2015-16.10.2015]

Schmidt J., Koláček K., Frolov O., Štraus J., Choukourov A.: Soft X-ray source based on the high-current capillary-discharge system. Proceedings of SPIE Volume 9589; X-ray Lasers and Coherent X-ray Sources: Development and Applications XI. Vol. 9589. Bellingham : SPIE-INT SOC OPTICAL ENGINEERING, 2015 - (Klisnick, A.; Menoni, C.), "958911-1-958911-6" ISBN 978-1-62841-755-5. ISSN 0277-786X. - (SPIE. 9589). [ Link ]
[SPIE Conference : X-Ray Lasers and Coherent X-Ray Sources: Development and Applications XI. San Diego, CA (US), 12.08.2015-13.08.2015]

Schmidt J., Koláček K., Frolov O., Štraus J.: XUV Source Based on the Fast High-Current Capillary-Discharge System. Proceedings of the 2014 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, IPMHVC 2014. Santa Fe : IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc, 2015 - (Garner, A.), s. 360-362 ISBN 978-1-4673-7323-4. - (IEEE). [ Link ]
[IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, IPMHVC 2014. Santa Fe (US), 01.06.2014-05.06.2014]

Frolov O., Koláček K., Schmidt J., Štraus J.: Ablation Plume Induced by Laser Euv Radiation. X-Ray Lasers 2014: Proceedings of the 14th International Conference on X-Ray Lasers. Springer International Publishing, 2015 - (Rocca, J.; Menoni, C.; Marconi, M.), s. 397-403 - (Springer Proceedings in Physics. 169). [ Link ]
[International Conference on X-Ray Lasers/14./. Fort Collins, Colorado (US), 26.05.2014-30.05.2014]