Nondestructive inspection of surface nanostructuring using label-free optical super-resolution imaging

Contrôle non destructif de nanostructurations de surface par imagerie de super-résolution optique sans marque

Alberto Aguilar (1, 2) , Alain Abou Khalil (3) , David Pallares Aldeiturriaga (3) , Xxx Sedao (3, 4) , Cyril Mauclair (3, 4) , Pierre Bon (2, 1)

1 XLIM-PHOT - Photonique Fibre et Sources Cohérentes
2 XLIM - XLIM
3 LHC - Laboratoire Hubert Curien
4 GIE Manutech-USD

Ultrafast laser processing can induce surface nanostructurating (SNS) in most materials with dimensions close to the irradiation laser wavelength. In-situ SNS characterization could be key for laser parameter's fine-tuning, essential for the generation of complex and/or hybrid nanostructures. Laser Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) created in the ultraviolet (UV) range generate the most fascinating effects. They are however highly challenging to characterize in a non-destructive manner since their dimensions can be as small as 100 nm. Conventional optical imaging methods are indeed limited by diffraction to a resolution of ≈ 150 nm. Although optical super-resolution techniques can go beyond the diffraction limit, which in theory allows the visualization of LIPSS, most super-resolution methods require the presence of small probes (such as fluorophores) which modifies the sample and is usually incompatible with a direct surface inspection. In this paper, we demonstrate that a modified label-free Confocal Reflectance Microscope (CRM) in a photon reassignment regime (also called re-scan microscopy) can detect sub-diffraction limit LIPSS. SNS generated on a titanium sample irradiated with a λ =257 nm femtosecond UV-laser were characterized with nanostructuring period ranging from 105 nm to 172 nm. Our label-free, non-destructive optical surface inspection was done at 180µm²/s, and the results are compared with commercial SEM showing the metrological efficiency of our approach.

L'interaction entre un laser ultrarapide et une objet peut induire une nanostructuration de surface (NSS) dans la plupart des matériaux, avec des dimensions proches de la longueur d'onde du laser d'irradiation. La caractérisation de NSS in-situ pourrait être la clé permettant un réglage fin des paramètres lasers, essentiel pour la génération de nanostructures complexes et/ou hybrides. Les structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) générées par une illumination ultraviolette (UV) génèrent les effets les plus fascinants. Ils sont cependant très difficiles à caractériser de manière non destructive puisque leurs dimensions descendre à 100 nm. Les méthodes d'imagerie optique classiques sont en effet limitées par la diffraction à une résolution de ≈ 150 nm. Bien que les techniques de super-résolution optique puissent aller au-delà de la limite de diffraction, ce qui permet en théorie la visualisation de LIPSS, la plupart des méthodes de super-résolution nécessitent la présence de petites sondes (comme des fluorophores) qui modifient l'échantillon et sont généralement incompatibles avec une imagerie directe des surfaces. Dans cet article, nous démontrons qu'un microscope confocale en réflectance sans marquage (CRM) dans un régime de réallocation de photons (également appelé microscopie de re-scan) peut détecter des LIPSS spis la limite de diffraction. Les NSS générées sur un échantillon de titane irradié avec un laser UV femtoseconde λ = 257 nm ont été caractérisés avec une période de nanostructuration allant de 105 nm à 172 nm. Notre inspection de surface optique sans marquage et non destructive a été effectuée à 180 µm²/s, et les résultats sont comparés avec un MEB commercial montrant l'efficacité métrologique de notre approche.

Domaines: Optique [physics.optics]; Matériaux

Alberto Aguilar, Alain Abou Khalil, David Pallares Aldeiturriaga, Xxx Sedao, Cyril Mauclair, et al.. Nondestructive inspection of surface nanostructuring using label-free optical super-resolution imaging. 2023. ⟨hal-03931110⟩