Zerstörungsfreie Prüfung der Oberflächen-Nanostrukturierung mittels Etikett

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 6008 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die ultraschnelle Laserbearbeitung kann bei den meisten Materialien eine Oberflächennanostrukturierung (SNS) induzieren, deren Abmessungen nahe an der Wellenlänge des Bestrahlungslasers liegen. Die In-situ-SNS-Charakterisierung könnte für die Feinabstimmung der Laserparameter von entscheidender Bedeutung sein, die für die Erzeugung komplexer und/oder hybrider Nanostrukturen von entscheidender Bedeutung ist. Die faszinierendsten Effekte erzeugen laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS), die im ultravioletten (UV) Bereich erzeugt werden. Ihre zerstörungsfreie Charakterisierung ist jedoch äußerst schwierig, da ihre Abmessungen nur 100 nm betragen können. Herkömmliche optische Abbildungsmethoden sind durch Beugung tatsächlich auf eine Auflösung von \(\ca. 150\) nm begrenzt. Obwohl optische Superauflösungstechniken über die Beugungsgrenze hinausgehen können, was theoretisch die Visualisierung von LIPSS ermöglicht, erfordern die meisten Superauflösungsmethoden die Anwesenheit kleiner Sonden (z. B. Fluorophore), die die Probe verändern und normalerweise mit einer direkten Oberfläche nicht kompatibel sind Inspektion. In diesem Artikel zeigen wir, dass ein modifiziertes markierungsfreies konfokales Reflexionsmikroskop (CRM) in einem Photonen-Neuzuordnungssystem (auch Re-Scan-Mikroskopie genannt) LIPSS unterhalb der Beugungsgrenze erkennen kann. SNS, die auf einer Titanprobe erzeugt wurden, die mit einem Femtosekunden-UV-Laser von \(\lambda =257\) nm bestrahlt wurde, wurden mit einer Nanostrukturierungsperiode im Bereich von 105 bis 172 nm charakterisiert. Unsere markierungsfreie, zerstörungsfreie optische Oberflächeninspektion wurde bei 180 \(\upmu\)m\(^2\)/s durchgeführt und die Ergebnisse werden mit kommerziellen REM verglichen, was die messtechnische Effizienz unseres Ansatzes zeigt.

Die ultrahochpräzise Laserbearbeitung von Materialien ist seit mehr als fünf Jahrzehnten weithin bekannt. Genauer gesagt ist die Erzeugung laserinduzierter periodischer Strukturen (LIPSS oder Ripples) ein universelles Phänomen, das den Weg für zahlreiche Anwendungen ebnet1, wie zum Beispiel die Abstimmung der Benetzbarkeit von Oberflächen2,3, das Hinzufügen antibakterieller Funktionalitäten2,4 oder die Kontrolle der Zelladhäsion5. 6,7,8. Femtosekundenlaser können LIPSS auf Oberflächen mit einer Periodizität erzeugen, die von der Bestrahlungswellenlänge abhängt. In der Literatur wurden zwei Arten von LIPSS beschrieben9: Low Spatial Frequency LIPSS (LSFL) und High Spatial Frequency LIPSS (HSFL). Wenn die LSFL eine Periode \(\Lambda _L\) aufweist, die größer als die Hälfte der Laserbestrahlungswellenlänge \(\lambda _i/2\) ist und im Allgemeinen senkrecht zur Laserpolarisation ausgerichtet ist, zeigen die HSFL eine Periodizität \(\Lambda _H\ ) kleiner als die Hälfte der Laserbestrahlungswellenlänge. Die Verwendung einer kürzeren Bestrahlungswellenlänge führt zu einer geringeren Welligkeitsperiodizität sowohl für LSFL als auch für HSFL, und jüngste Spitzenentwicklungen bei Ultraviolett-(UV)-FS-Lasern ermöglichen eine schärfere Oberflächenstrukturierung mit verbesserten optischen, chemischen oder mechanischen Effekten3,10,11,12. Zur Charakterisierung dieser Nanostrukturen sind Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) die Goldstandard-Werkzeuge, stellen jedoch bei dielektrischen oder fragilen Proben, die nicht metallisiert werden können, oder wenn die LIPSS-Amplitude von Interesse ist, eine Herausforderung dar. Darüber hinaus werden diese Charakterisierungsmethoden (SEM und AFM) für Nanostrukturen (wie LIPSS) im Allgemeinen außerhalb des Standorts (zum Laserstrukturierungsaufbau) durchgeführt, der für die Charakterisierungsinstrumente vorgesehen ist. Eine In-situ- oder Off-Site-Analyse ist möglich, erfordert jedoch häufig eine maßgeschneiderte Integration von Laseranlagen und Analyseinstrumenten13. Ein optisches System, das die messtechnische Untersuchung kleiner Objekte wie kleiner LIPSS ermöglicht, würde die parametrische Untersuchung beschleunigen und das Forschungstempo mit einer kostengünstigen Lösung steigern. Man könnte sich vorstellen, dass die zerstörungsfreie Prüfung von LIPSS mit großer Periode, die beispielsweise mit einem Infrarot-FS-Laser (IR) erzeugt wird, durch konventionelle optische Bildgebungsverfahren charakterisiert werden kann. Tatsächlich haben LSFL eine Periodizität um 600 nm und HSFL deutlich unter 300 nm, nahe an den besten Auflösungsgrenzen und daher kaum kontrastreich. Allerdings erzeugen sichtbare oder UV-fs-Laser HSLF- und LFSL-LIPSS mit einer Periodizität, die unter die optische Beugungsgrenze fällt: Um ein zerstörungsfreies Inspektionssystem aufrechtzuerhalten, sind optische Bildgebungsverfahren, die diese Beugungsgrenze überwinden, daher unerlässlich.

Die Super-Resolution-Mikroskopie (SRM) wurde in den 90er Jahren formalisiert und ist in mehreren Bereichen, insbesondere in der Biologie und Medizin, zu einem aufstrebenden Werkzeug geworden14,15,16,17. Die meisten SRM-Techniken wie STORM, STED oder nichtlineare SIM erfordern eine Markierung (normalerweise mit Fluorophoren) und nutzen die Fluoreszenzphotophysik, um die Beugungsgrenze zu überschreiten und eine laterale Auflösung von über 50 nm zu erreichen16,18,19,20. Für Materialwissenschaften, Proben wie Gläser, Metalle oder Polymere, bei denen die Oberflächenfunktionalisierung mit Fluoreszenz (wenn möglich)21 keine leichte Aufgabe ist, bleibt der Einsatz von SRM jedoch begrenzt. In der Literatur gibt es nur wenige Implementierungen für markierungsfreie optische Superauflösungssysteme. Beispielsweise kann eine Auflösung von 50 nm mithilfe des virtuellen Bildes erreicht werden, das durch über der Probe platzierte Mikrokügelchen erzeugt wird, um Nahfeldinformationen von der analysierten Oberfläche zu sammeln22. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, messtechnische Messungen vor Ort durchzuführen, bei denen ein zusätzliches Element wie eine Mikrosphäre die Integrität des Materials verändern würde. Einige indirekte optische Bildgebungsverfahren wurden implementiert, um periodische Oberflächen durch Beobachtung des durch das rückgestreute Licht verursachten Beugungsmusters zu charakterisieren. Es können jedoch Artefakte entstehen, wenn die Periodizität unterbrochen oder die anfängliche Strukturorientierung geändert wird23,24. Als Alternative wurde eine strukturierte Beleuchtung eingesetzt, um die Modulationsübertragungsfunktion des Mikroskops und damit den Bildkontrast bei nicht fluoreszierenden periodischen Proben zu erhöhen. Es ist eine gute Alternative für In-situ-Messungen25. Diese Technik erfordert jedoch einen ausgefeilten Algorithmus zum Abrufen des Bildes und ist daher keine Methode, bei der das, was Sie sehen, das ist, was Sie erhalten, mit potenziellen Rekonstruktionsfehlern möglich ist.

Um die räumliche Auflösung des Mikroskops zu erhöhen, schlagen wir die Verwendung eines markierungsfreien konfokalen Reflexionsmikroskops (CRM) in einem Photonen-Neuzuordnungsregime26 vor. Eines der Hauptmerkmale des Photon-Reassignment-CRM, auch bekannt als Re-Scan-CRM, besteht darin, die Bildpunktspreizfunktionen (PSFs) auf einem Matrixsensor27 abzutasten, anstatt nur die Photonen auf einem Einzelpixel-Detektor (Fotodiode oder Fotomultiplier) zu zählen ), wie es im konventionellen CRM üblich ist. Das Photon-Reassigned-Prinzip basiert auf der Neuzuordnung der detektierten Photonen durch Verkleinerung der Bild-PSF. Durch einen größeren Abstand zwischen den benachbarten PSFs werden höherfrequente Informationen verfügbar. Die Frequenzunterstützung kann mit Re-Scan-RCM im Vergleich zu herkömmlichem RCM bis zu verdoppelt26,28 werden, was letztendlich zu einem Auflösungsgewinn zwischen 1,4 und 2 führt (nach Neugewichtung im Frequenzbereich, einer Art Entfaltung)29; Darüber hinaus kann der Aufbau an eine vollständig optische Konfiguration30 angepasst werden, wodurch die Rechenzeit minimiert wird. Das erneut gescannte CRM bietet ein markierungsfreies, hochauflösendes Bild, das weder Vorabinformationen über die Probe, wie etwa die Oberflächeneigenschaften und die Materialbeschaffenheit, noch eine Kontrolle der Lichtpolarisation erfordert, die durch LIPSS verändert werden könnte. Es wurde bereits berichtet, dass mit der Technik eine laterale Auflösung von 90 nm für biologische Proben und Nanomaterialien erreicht werden kann31. Da mit rückgestreutem Licht eine Superauflösung erzielt wird, ist die Erfassungsgeschwindigkeit außerdem nur durch die Geschwindigkeit der Scanner begrenzt, was für mögliche In-situ-Messungen bei der Strukturierung der Oberfläche nützlich sein kann, mit der Möglichkeit zusätzlicher Messungen wie Raman Bildgebung zum Abrufen molekularer Informationen32 oder optisches Profilometer (siehe SI).

In diesem Artikel führen wir messtechnische Charakterisierungen von UV-generiertem Nanometer-LIPSS (Periodizität im Bereich von 105–172 nm) unter Verwendung unserer vollständig optischen, markierungsfreien Methode durch, die auf Photonenneuzuordnung basiert. Wir vergleichen die Methode mit konventionellen CRM- und nicht-optischen Goldstandardmethoden (SEM und AFM). Diese Ergebnisse ebnen den Weg für eine kennzeichnungsfreie und kostengünstige In-situ-Inspektion aller SNS.

LIPSS wurden über einer Titanlegierungsprobe mit einem UV-Femtosekundenlaser der vierten Harmonischen (\(\lambda _i=257\) nm, Einzelheiten siehe „Methoden“) erhalten. Die Nanostrukturen wurden auf einem Aufbau speziell für die LIPSS-Bildung erstellt (Abb. 1a) und dann auf dem erneut gescannten CRM-Aufbau analysiert. Die erzeugten LSFL und HSFL wurden mit einem REM auf einer texturierten Fläche von 40 \(\upmu \text {m}^2\) beobachtet, wobei jeweils eine Periode \(\Lambda _{\text {L}}=172\pm 14 gefunden wurde \) nm und \(\Lambda _{\text {H}}=105\pm 5\) nm, wie in Abb. 1b–d gezeigt.

REM-Bilder von erzeugtem LIPSS mit einem 257 nm UV-FS-Laser. Das vergrößerte Bild zeigt eine Periodizität (\(\Lambda\)) um 105 bzw. 172 nm für HSFLs und LSFLs. (a) Femtosekunden-Laseraufbau für die LIPSS-Bildung, (b) SEM-beobachteter Bereich mit 11.000-facher Vergrößerung, (c) 30.000-facher Vergrößerung für HSFL- und LSFL-Visualisierung, (d) gemessene Verteilung von die LSFL- und HSFL-Periode \(\Lambda _L=172\) nm, \(\sigma _L=14\) nm, \(\Lambda _H=105\) nm, \(\sigma _H=5\) nm.

Die Abmessungen dieser Strukturen liegen nahe oder kleiner als die beste optische Auflösungsgrenze: \(\lambda /(2\cdot NA) \ge 154\)-nm, mit \(NA\le 1,3\) (Wasserimmersionsobjektive sind einzuhalten zerstörungsfreie optische Charakterisierung) und \(\lambda \ge 400\)-nm, um die Verwendung solcher Objektive zu ermöglichen. Darüber hinaus wird der Bildinhalt nicht nur durch die Auflösungsgrenze bestimmt: Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF)33 – die den Kontrast als Funktion der Objektfrequenz charakterisiert – verschwindet bei Annäherung an die Grenzfrequenz des Systems auf Null. Obwohl theoretisch gelöst, sind selbst LSFL schwierig zu beobachten.

Unter Verwendung eines kontinuierlichen 405-nm-Lasers und eines Mikroskopobjektivs mit \(NA=1,27\), das im Aufbau von Abb. 2a zusammengebaut wurde, erreichten wir eine Auflösung von 176 nm (theoretische Auflösungsgrenze: \(r_o=160\) nm) mit regulärem CRM ; Beim Wechsel in den Superauflösungsmodus mit unserem Re-Scan-CRM wurde die laterale Auflösung bei \(r_{\text {rs}}=92\) nm gemessen, wie in Abb. 2d unter Verwendung der vollen Breite bei halbem Maximum von beobachtet die PSF. Dies ist ein Auflösungsgewinn von 1,91, der ausreicht, um sowohl LSFL als auch HSFL zu prüfen. Es ist wichtig zu erwähnen, dass dies nur eine Schätzung der Auflösung ist, da wir in einem kohärenten Bildgebungssystem arbeiten34. In Abb. 4 zeigen wir an tatsächlichen quasiperiodischen Strukturen, dass die Auflösung mindestens 105 nm beträgt.

Eingeschriebene LSFL haben eine Periode zwischen 145 und 190 nm (Abb. 3a). Mit der Weitfeldbildgebung wurden keine Wellen erkannt (Abb. 3b), mit herkömmlichem CRM wurden nur wenige erkannt (Abb. 3c), während das hochaufgelöste Re-Scan-CRM eine klare Visualisierung der Wellen ermöglicht (Abb. 3d).

Erstens erhöht das erneute Scannen des CRM die laterale Auflösung fast um das Doppelte im Vergleich zum herkömmlichen CRM (Abb. 2e), und es werden nun Wellen mit einer Abmessung kleiner als die Beugungsgrenze erkannt. Zweitens wird der Kontrast des erneut gescannten CRM-Bildes im Vergleich zu herkömmlichem CRM verbessert (dh höhere MTF), wodurch die Erkennungseffizienz der bereits aufgelösten Wellen verbessert wird.

Optischer Abbildungsaufbau und Auflösung des Systems. (a) Schematische Darstellung des optischen Aufbaus, (b) herkömmliches konfokales Reflexionsmikroskop-PSF, (c) erneut gescanntes konfokales Mikroskop-PSF, (d) radialer Durchschnitt der auf (b, c) gezeigten PSFs, (e) Modulationsübertragungsfunktion vom System.

LSFL über einer Titanlegierungsoberfläche, erstellt mit einem FS-Laser (\(\lambda _i=257\) nm) und analysiert mit verschiedenen Bildgebungstechniken. (a) SEM, (b) Weitfeld-Bildgebung, (c) herkömmliches CRM, die orangefarbenen Pfeile zeigen sichtbare LIPSS mit einer Periode >180 nm an, (d) erneut gescanntes CRM, (e) Diagramm des transversalen Schnitts, dargestellt in gestricheltem Weiß in (b–d), (f) LSFL-Periodenverteilung mit den 3 Bildgebungsmethoden.

Ein transversaler Schnitt auf SEM-, CRM- und erneut gescannten CRM-Bildern (Abb. 3a, c, d) ist in Abb. 3e dargestellt und dargestellt. Die Analyse zeigt, dass Wellen um die Auflösungsgrenze herum bei einem herkömmlichen CRM nicht zu unterscheiden sind, aber im Vergleich zum SEM zeigt die erneut gescannte CRM-Version ähnliche Intensitätsschwankungen mit kongruenter Periode.

Die Periode der LSFL wurde in einem Bereich von 40 \(\upmu \text {m}^2\) der nanotexturierten Oberfläche mithilfe von SEM, konventionellem CRM und Re-Scan-CRM analysiert. Die Verteilung der gemessenen Periode über die behandelte Oberfläche für die drei verschiedenen Methoden ist in Abb. 3f dargestellt. Für das herkömmliche CRM betrug die gemessene durchschnittliche Periode der LSFL 187 nm mit einer Standardabweichung von 12 nm, während die durchschnittliche Periode sowohl für SEM als auch für das superaufgelöste Re-Scan-CRM 172 nm mit einer Standardabweichung von 14 betrug nm. Die Messdiskrepanz mit herkömmlichem RCM ergibt sich aus einer verzerrten Messung aufgrund der Auflösungsgrenzschwelle, die die kleinsten Wellen verwirft.

Die Periode der HSFL (\(110 \pm 5\)-nm) liegt jenseits der Grenzfrequenz eines normalen optischen Mikroskops. Die MTF des erneut gescannten CRM stoppt bei 92 nm, an der Grenze zur Beobachtung des HSFL in der Probe. Abb. 4a zeigt die mit dem REM abgebildete strukturierte Oberfläche und wird mit regulärem CRM und Re-Scan-CRM verglichen (Abb. 4b, c). Auch wenn der Kontrast nicht so hoch ist wie beim LSFL (Abb. 3d), reicht es aus, den HSFL mit einem erneuten Scan des CRM zu unterscheiden, und einige hochfrequente Wellen bleiben unentdeckt. Ein transversaler Schnitt des markierten Bereichs in Abb. 4a – c ist in Abb. 4g dargestellt und zeigt, dass die Charakterisierung von HSFL mit Re-Scan-CRM möglich ist (weitere Einzelheiten siehe SI).

Die Frequenzunterstützung für alle Techniken wurde mithilfe der Fourier-Transformation der Bilder berechnet (Abb. 4a – c). Die Frequenzunterstützung des SEM umfasst erwartungsgemäß problemlos Nanometerinformationen; Ein Kreis mit spitzen blauen Punkten und ein orangefarbener Kreis zeigen jeweils die räumliche Frequenz, die der mittleren LSFL-Periode bzw. der mittleren HSFL-Periode entspricht (Abb. 4d). Der Vergleich mit der herkömmlichen CRM-Frequenzunterstützung (Abb. 4e) bestätigt, dass die Informationsunterstützung nicht einmal die LSFL-Grenzfrequenz umfasst. Daher kann für diese Probenregion nicht einmal die LSFL mit dem herkömmlichen CRM untersucht werden. Andererseits reicht die Re-Scan-CRM-Unterstützung (Abb. 4f) bis zur HSFL-Grenzfrequenz, sodass sowohl LSFL als auch HSFL mit unserer superaufgelösten Technik analysiert werden können.

Über die beispiellose zerstörungsfreie optische Inspektion von Wellen hinaus weist unsere Nanometer-Oberflächenanalysemethode weitere entscheidende Vorteile auf. Da Re-Scan CRM auf einem optischen Mikroskopieaufbau basiert, profitiert es von der berührungslosen Flexibilität der Technik. Diese markierungsfreie Auflösung unter 100 nm eignet sich besonders für die Erkennung und Analyse von Laseroberflächenstrukturierungen mit kurzen und ultrakurzen Pulsen, da diese Strukturierung üblicherweise im submikrometrischen Maßstab auftritt. Im Vergleich zu messtechnischen Goldstandardmethoden wie AFM oder SEM bietet Re-Scan CRM große Vorteile, unter anderem, dass (i) kontaktlose direkte Erfassungen an unveränderten Proben möglich sind (d. h. es sind kein Vakuum, keine Spitzen oder Metallisierung erforderlich). (ii) Die Erfassungsgeschwindigkeit beträgt derzeit 0,8 s, um einen Bereich von 12 \(\upmu\)m x 12 \(\upmu\)m zu inspizieren, also 180 \(\upmu\)m\(^2/s\) , und könnte durch den Übergang zur resonanten Abtastung eine Geschwindigkeit von bis zu 1 mm\(^2\)/s erreichen. (iii) Die elegante Einfachheit unseres optischen Charakterisierungsaufbaus macht ihn zu einer kostengünstigen, einfach anzuwendenden und zu wartenden Methode. Darüber hinaus kann die Erfassungsgeschwindigkeit des Re-Scan-CRM möglicherweise vor Ort während der Laserbearbeitung durchgeführt werden. Das Bild erfordert keine numerische Behandlung, da der gesamte Prozess optisch durch die beiden Spiegel erfolgt. Für maximalen Kontrast und maximale Auflösung wird nach der Erfassung dringend eine Neugewichtung der Photonen mittels Entfaltung empfohlen, siehe SI für Diskussion und Vergleich. Bei den in diesem Dokument vorgestellten CRM- und Rescan-CRM-Bildern (und extrahierten Profilen) handelt es sich um entfaltete Bilder. Bemerkenswert ist, dass die Extraktion der quantitativen Wellenhöhe aus dem entfalteten Signal nicht direkt erfolgt, da die Entfaltung nur am Intensitätsbild und nicht am tatsächlichen elektromagnetischen Feld durchgeführt werden kann.

Um einen ähnlichen Bereich abzubilden, würde es mit einem herkömmlichen AFM etwa 10 Minuten dauern, ohne Berücksichtigung der benutzerabhängigen Zeit für die Probenmanipulation und die Feinpositionierung unter dem AFM, um den interessierenden Bereich zu finden, die für diesen Ex-situ erforderlich sind Analyse. Was das SEM anbelangt, kann es hinsichtlich der Auflösung das Rescan-CRM bei weitem übertreffen, da es nicht durch optische Beugung begrenzt ist. Seine Erfassungszeit liegt im Sekundenbereich für den gleichen Messbereich. Die unverzichtbare kontrollierte Umgebung (wie ein bestimmtes Vakuumniveau) erfordert jedoch eine zeitaufwändige Probenmanipulation und macht diese Methoden mit der In-situ-Charakterisierung unvereinbar.

Hochaufgelöstes, erneut gescanntes CRM bietet die Möglichkeit, eine In-situ-Inspektion durchzuführen, die zwei große aktuelle Herausforderungen bei der LIPSS-Strukturierung bewältigen kann. Erstens sind messtechnische Messungen vor Ort zwingend erforderlich, um die Stabilität der Wellen unabhängig von den lokalen Materialeigenschaften zu beurteilen25. Zweitens, insbesondere bei ultraschnellen Lasern, steigert eine Echtzeit-Inspektion-Rückkopplungsschleife die Geschwindigkeit und Präzision der Laser-Multiparameter-Optimierung drastisch, einschließlich Spitzenleistung, Wiederholungsrate, Pulsdauer, Polarisation, räumlicher Überlappung, aber auch der zeitlichen und räumlichen Strahlintensitätsverteilung. Beispielsweise kam es im Hauptbereich des Laserschweißens zu einem Paradigmenwechsel, als die In-situ-Überwachung des Schlüssellochs35 ermöglicht wurde. Darüber hinaus wurde eine optische In-situ-Charakterisierungstechnik verwendet, um die zeitliche Form des ultraschnellen Lasers für die Massenfotoinschrift in Borosilikatglas36 oder zur Anpassung an ein benutzerdefiniertes Oberflächenablationsmuster37 zu optimieren. Re-Scan CRM ermöglicht zum ersten Mal solche Optimierungen im Nanometerbereich, bei denen mehrere Oberflächenfunktionen mit besonders biomedizinischem Interesse und komplexe Hybridoberflächen erreicht werden können.

Die optische Superauflösung wurde mit einem konfokalen Reflexionsmikroskop basierend auf der Neuzuordnung von Photonen erzielt, wie in Abb. 2a dargestellt. Als Beleuchtungsquelle wurde ein 405-nm-Dauerlaser (L405G1, Thorlabs, USA) verwendet; Der Laser wurde durch eine Lochblende (\(P1= 50 \upmu\)m) räumlich gefiltert, um eine perfekte Beugungsbegrenzung zu erreichen, und dann durch einen T70/R30-Strahlteiler (BS) auf ein selbstgebautes Mikroskop gerichtet. Das Licht wird durch die Linse \(L_3\) (\(f=200\) mm) in einen 2-Achsen-Galvospiegel (ScannerMAX Compact 506 Scanners, Pangolin, USA) projiziert. Dieser Spiegel ist wie jedes herkömmliche konfokale Mikroskop dafür verantwortlich, den Laser über die Probe zu scannen.

Um das Bild zu erhalten, fokussiert ein Mikroskopobjektiv (\(60\times\), Wasserimmersion, NA \(=\) 1,26, Nikon, Japan) das Licht auf die Probe und sammelt das von der analysierten Probe zurückgestreute Licht. Dieses zurückgestreute Licht wird durch denselben Galvospiegel entscannt und auf eine zweite Lochblende (\(P_2=300 \, \upmu\)m) fokussiert, wo nur das fokussierte Licht durch die Lochblende gelangen kann. Das Licht wird durch eine Linse (\(L_5=300\) mm) kollimiert und auf einen zweiten x-y-Scanner projiziert, der die Neuzuordnung der rückgestreuten Photonen überwacht, um den Abstand zwischen zwei benachbarten PSFs um das Zweifache zu vergrößern. Das Licht wird schließlich durch eine Linse (L_6=200) mm auf eine CMOS-Kamera (DCC1545M, Thorlabs, USA) fokussiert. Das Ergebnis ist ein direktes hochauflösendes Bild auf dem CCD. Die durchschnittliche Geschwindigkeit des Galvospiegels beträgt für kleine Winkel etwa 1 kHz; Die Spiegel wurden mithilfe einer ADC/DAC-Erfassungskarte (NIUSB-653, National Instrument, USA) gesteuert. Der gesamte Prozess zum Erreichen eines Superauflösungsbereichs wird optisch von den beiden Scannern durchgeführt. Nach der optischen Rekonstruktion kann jedoch eine Bildentfaltung angewendet werden, um den Auflösungsgewinn und den Bildkontrast zu maximieren (siehe SI). Abbildung 2b zeigt die PSF eines herkömmlichen konfokalen Reflexionsmikroskops, die direkt mit der PSF des erneut gescannten CRM verglichen werden kann, dargestellt in Abb. 2c. Beide PSFs wurden mit dem in Abb. 2a gezeigten Aufbau erhalten, wobei eine Probe von Goldnanopartikeln mit 60 nm Durchmesser (OD 1, stabilisierte Suspension in Citratpuffer, PubChem Substance ID 329765549, Sigma Aldrich) auf einem Deckglas vom Typ 1,5 aufgebracht wurde. Die Verschlechterung der experimentellen PSFs ist auf optische Aberrationen (hauptsächlich Koma und Astigmatismus) zurückzuführen. Diese Aberrationen werden durch die optische Qualität der Oberfläche der Galvospiegel verursacht, die nur bei \(\lambda /2,5\) bei \(\lambda =405\) nm garantiert sind.

Die LIPSS-Bildung wurde mit einem Femtosekundenlaser (PHAROS, Light Conversion, Litauen) durchgeführt, der bei 50 kHz mit einer Pulsdauer von 160 fs und einer Pulsenergie von 60 nJ arbeitete. Die vierte Harmonische (257 nm) wird mit dem HIRO Harmonic Generator des gleichen Unternehmens erreicht. Das Scannen wurde mit einem Galvoscanner (Thorlabs) und einem 100 mm f-\(\theta\)-Objektiv durchgeführt. Die Linien wurden mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/s geschrieben (98,4 % Überlappungsverhältnis). Bei der Probe handelte es sich um eine Titanlegierung (Ti6A14V, Goodfellow) mit einem anfänglichen arithmetischen Mittelwert (Sa) von 0,052 \(\upmu\)m.

HSFL über einer Titanlegierungsoberfläche, erzeugt mit einem FS-Laser (\(\lambda _i=257\) nm) und analysiert mit verschiedenen bildgebenden Verfahren, einschließlich ihrer Frequenzdarstellung. (a) SEM, (b) herkömmliches CRM, (c) Re-Scan-CRM, (d) Häufigkeitsdarstellung von (a), (e) Häufigkeitsdarstellung von (b), (f) Häufigkeitsdarstellung von (c), ( g) Darstellung des in (a–c) gezeigten Querschnitts.

Nach einem Ultraschallbad wurde die Probe mit einem kommerziellen REM (Jeol, Japan) untersucht. Abbildung 1a zeigt die Laserlinienbeschriftung. LIPSS bestehen aus LSFLs, die parallel zur Beschriftungsrichtung und senkrecht zur Laserpolarisation (in der Mitte) verteilt sind. und HSFLs, die senkrecht zur Scanrichtung und parallel zur Laserpolarisation angeordnet sind (beobachtet an den Rändern der Beschriftung).

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Laserbestrahlungsexperimente und die LIPSS-Vorbereitung wurden teilweise durch das Forschungs- und Innovationsprogramm LaserImplant der Europäischen Union Horizon 2020 unter der Fördervereinbarungsnummer 951730 unterstützt. Die hochauflösende Mikroskopie wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union finanziell unterstützt Nr. 848645 (Projekt SPECIPHIC) und vom CNRS-Vorreifungsprogramm (Projekt NanoInSitu).

Xlim Research Institute, CNRS UMR 7252, Universitéde Limoges, Limoges, Frankreich

Alberto Aguilar & Pierre Bon

UMR 5516 CNRS, Hubert-Curien-Labor, Universität Lyon, Jean-Monnet-Universität, 42000, Saint-Etienne, Frankreich

Alain Abou Khalil, David Pallares Aldeiturriaga, Xxx Silk und Cyril Mauclair

GIE Manutech-USD, 42000, Saint-Etienne, Frankreich

Xxx Silk & Cyril Mauclair

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AA konzipierte die Studie, führte das Re-Scan-CRM-Experiment durch, führte die Datenverarbeitung durch und verfasste das Manuskript. AAK konzipierte den LIPSS-Versuchsaufbau, führte die LIPSS-Bildung und SEM-Charakterisierung der Proben mit DPAXS durch und CM entwarf das LIPSS-Experiment und erhielt finanzielle Unterstützung für diesen Teil der Aktivität. PB konzipierte die Studie, schrieb das Manuskript und erhielt finanzielle Unterstützung für das Re-Scan-CRM. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Alberto Aguilar oder Pierre Bon.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Aguilar, A., Khalil, AA, Aldeiturriaga, DP et al. Zerstörungsfreie Inspektion der Oberflächennanostrukturierung mittels markierungsfreier optischer hochauflösender Bildgebung. Sci Rep 13, 6008 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32735-w

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Eingegangen: 20. Dezember 2022

Angenommen: 31. März 2023

Veröffentlicht: 12. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32735-w

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