ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 6, с. 3-8
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ ^^^^^^^^
НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
УДК 535.37
МНОГОФОТОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ И НЕПРЕРЫВНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
© 2012 г. А. Д. Залесский*, Н. А. Данильченко, Ю. В. Барбашов, Б. И. Западинский, О. М. Саркисов
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва *Е-таИ: aleksandr.zalesskij@phystech.edu Поступила в редакцию 14.10.2011
Разработана и создана установка, в которой используется два лазера — с фемтосекундным и непрерывным излучением. Для каждого лазера в установке реализовано голографическое управление при помощи двух пространственных оптических модуляторов. Выполнены эксперименты по созданию нескольких полимерных структур несколькими фемтосекундными оптическими "ловушками" одновременно. Показана возможность создания одного полимерного изделия посредством одновременного перемещения нескольких фемтосекундных оптических "ловушек". Также выполнены изготовление полимерного изделия несколькими фемтосекундными ловушками и оптическое манипулирование им при помощи нескольких непрерывных ловушек. Продемонстрирована возможность фокусировки фемтосекнудного излучения в протяженный объект ("нить" длиной 13 мкм) и изготовления полимерного объекта путем управления фемтосекундной оптической "ловушкой" в трехмерном пространстве.
Ключевые слова: двухфотонная полимеризация, голографическое оптическое манипулирование, фемтосекундное излучение.
ВВЕДЕНИЕ
Одна из особенностей фемтосекундных импульсов состоит в том, что благодаря малой длительности импульса можно получать световые импульсы высокой пиковой мощности при их маленькой энергии. Это позволяет эффективно осуществлять многофотонное поглощение с разрывом химических связей. Поэтому использование фемтосекундных импульсов дало новую жизнь многофотонной абсорбционной полимеризации. Технология фемтосекундной многофотонной полимеризации заключается в следующем. Подбирается длина волны фемтосекундного лазерного излучения таким образом, чтобы отсутствовало однофотонное поглощение в фотоактивной среде. Однако на этой длине волны имеет место двух-или многофотонное поглощение, инициирующее процесс полимеризации. Благодаря нелинейному характеру многофотонных процессов полимеризация происходит только в ограниченном фокальном объеме.
Поэтому многофотонное поглощение можно осуществлять в любой точке объема раствора. В результате многофотонного поглощения образуются электронно-высоковозбужденные молекулы, которые могут распадаться с образованием активных ча-
стиц (радикалы, ионы и электроны), осуществляющих процесс полимеризации. Материал полимери-зуется в месте фокусировки движущегося лазерного пучка, что позволяет изготовить нужную 3Э-струк-туру путем непосредственной лазерной "записи" в объеме фоточувствительного материала.
Передвигая положение фокуса оптического луча или столик, на котором расположен изучаемый объект, можно создавать сложные трехмерные структуры. Этот подход был предложен для создания трехмерной оптической записи [1] механических, оптических и других изделий высокого качества [2], для использования в стериоли-тографии [3] и т.д. В последнее время в литературе обсуждаются способы улучшения пространственного разрешения многофотонной полимеризации [4]. Практическая важность этого направления привела к тому, что для проведения многофотонной полимеризации появились многофокусные лазерные установки [5], позволяющие одновременно проводить полимеризацию в различных точках раствора мономера.
Цель нашей работы — показать новые возможности осуществления многофотонной полимеризации с использованием технологии голографи-ческого управления фемтосекундным и непрерывным излучением одновременно. В этой
300 320 340 360 380 400 420 440
Длина волны, нм Рис. 1. Спектр поглощения фотоинициатора "Daracur 4265".
работе мы демонстрируем возможность получения полимерных структур методом двухфотон-ной полимеризации (2ФП) и оптического манипулирования ими с использованием технологии голографического управления лазерным излучением. Нами была разработана и создана установка, в которой используются два лазера — с фемто-секундным и непрерывным излучением. Для каждого лазера в установке реализовано гологра-фическое управление при помощи двух пространственных оптических модуляторов. Наличие двух лазеров позволяет осуществить разделение функций: фемтосекудный лазер используется для инициации процесса полимеризации, при помощи непрерывного лазера осуществляется оптическое манипулирование полученными полимерными объектами. Манипулирование основывается на применении метода оптической "ловушки" — сфокусированный лазерный луч обладает свойством удерживать микрообъекты в области перетяжки. В нашем случае мы имеем возможность при помощи оптического пространственного модулятора (ПОМ) создавать множество оптических "ловушек", причем для каждой из них может быть задана индивидуальная траектория в трехмерном пространстве. С помощью второго ПОМ мы таким же образом можем управлять фемтосекундным излучением для инициации 2ФП во многих точках одновременно.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы. В склянке из темного стекла путем перемешивания были приготовлены смеси акрилата и фотоинициатора марки "Эагаеиг 4265" (смесь 1 : 1 дифенил (2,4,6-триметилбензо-ил)фосфиноксида и 2-гидрокси-2-метилпропио-фенона, спектр поглощения представлен на рис. 1) в количестве от 1 до 5 мас.% к общей массе акрилатов. По такой методике получены композиции на основе следующих акрилатов: бФЭА
(бисфенол-А этоксилат диакрилат), ОКМ-2 (оли-гокарбонат метакрилат) и ДАГ (диакрилат гек-сандиола).
Установка. Схема установки представлена на рис. 2. Основными элементами установки являются: фемтосекундный лазер МаьТа1 фирмы "Newport/Spectra Physics" (длительность — 100 фс, частота повторения — 80 МГц, спектральный диапазон 690—1000 нм), непрерывный Nd:YVO4-лазер c удвоением гармоники Milenia фирмы "Newport/Spectra Physics" (длина волны — 532 нм, средняя мощность — 3.5 Вт), инвертированный микроскоп OLYMPUS IX71, пространственные оптические модуляторы (ПОМ) SLM Holoeye HEO 1080P (размером 15.36 х 8.64 мм2, с разрешением 1920 х 1080 пикселей) и SLM Brillian (размером 16.39 х 10.56 мм2, с разрешением 1920 х 1200 пикселей), платформа атомно-силовой зондовой микроскопии NTEGRA фирмы "NT-MDT". Фемтосекундный лазер генерировал импульсы с центральной длиной волны X = 790 нм и длительностью 100 фс. При помощи пары линз достигались коллимация и растягивание диаметра фемтосекундного пучка до размеров первого ПОМ. Для непрерывного лазера также использовалась пара линз с целью коллимации и увеличения диаметра пучка до размеров второго ПОМ. Фемтосекундное и непрерывное лазерное излучения, отраженные каждое от своего ПОМ, совмещались при помощи дихроического зеркала. Далее использовалась еще одна пара линз и дихроиче-ское зеркало для заведения фемтосекундного и непрерывного лазерного излучения в объектив (Olympus 100 х UPLSAPO с числовой апертурой 1.4 или Olympus 60 х LUCPLFLN с числовой апертурой 0.7) инвертированного микроскопа. Кроме, того в установке используется призменный компрессор для чирпирования фемтосекундных импульсов, что позволяет изменять длительность действия оптической ловушки в предметной плос-
МНОГОФОТОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА
5
<Г
Непрерывный
лазер |-1
Образец ^ |_\ ■
11т
Предметный столик 1_Объектив
Компьютер
ССБ камера
| |
Спектрограф
Интерфейсные блоки
ПОМ 1
| ¡Видеокамера
Фемтосекундный лазер -
Призменный блок,47
чирпирования импульса
Рис. 2. Схема установки.
кости. Также в установке используется электромеханический затвор ТЬог1аЬ8 8Н05, позволяющий получать цуги фемтосекудных импульсов минимальной длительностью 10 мс.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Можно выделить три основных новых режима создания и манипулирования полимерными изделиями, которые были нами реализованы с использованием этой технологии: 1) создание нескольких полимерных структур несколькими фемтосекундными оптическими "ловушками" одновременно; 2) создание одного полимерного изделия посредством одновременного перемещения нескольких фемтосекундных оптических "ловушек"; 3) создание полимерных изделий фемтосекундными "ловушками" и оптическое манипулирование ими при помощи непрерывных "ловушек". Далее мы рассмотрим каждый из этих режимов более детально.
1. Издание нескольких полимерных структур несколькими фемтосекундными оптическими "ловушками" одновременно
В эксперименте использовалась фотоактивная акриловая композиция из раствора олигомера ОКМ-2 и фотоинициатора (массовая доля фотоинициатора — 5% от массы всего раствора). Фемто-секундное излучение посредством голографиче-ского управления одновременно фокусировалось внутри фотоактивной композиции в три фокальных пятна, после чего в них наблюдался процесс полимеризации. Таким образом, одновременно было получено несколько полимерных объектов. Далее эти полимерные объекты оптически захватывались и перемещались с помощью непрерывного лазера. Полимеризация проводилась на длине волны фемтосекундного лазерного излучения X = 780 нм; длительность импульсов — 130 фс; средняя мощность, приходящаяся на одно фокальное пятно ("ловушку"), составляла порядка
Рис. 3. Образование трехполимерных структур фем-тосекундными "ловушками" и их перемещение непрерывными "ловушками", стрелки указывают направление их перемещения.
10 мВт; время экспозиции — 1 с. Длина волны непрерывного лазерного излучения — 532 нм, средняя мощность, приходящаяся на одну "ловушку", составляла 7 мВт. Результат эксперимента приведен на рис. 3. Таким образом, приведенный эксперимент показывает возможность создавать одновременно несколько одинаковых или различных полимерных объектов несколькими фемтосекунд-ными оптическими "ловушками" путем задания для каждого оптического фокуса одинаковых или различных траекторий перемещения.
700 нм
-I s у / /
% 7 ^
| 9 мкм |
Рис. 4. Полимерное изделие, образованное посредством одновременного перемещения пяти ф
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.