CC BY
20
ФЕМТОСЕКУНДНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ В СЕРЕБРЯНО-ФОСФАТНЫХ СТЕКЛАХ
Ольшин Павел Константинович, Киреев Алексей Андреевич, Васильева Анна Алексеевна, Поволоцкий Алексей Валерьевич, Маньшина Алина Анвяровна, Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург
Соколов Иван Аристидович, Санкт-Петербургский Политехнический университет, ООО «АтомТяжМаш», г. Санкт-Петербург
E-mail: pavel_olshin@bk.ru
Аннотация. Проведено исследование люминесцентных свойств высококонтрастных фазовых структур, полученных в объеме фосфатных стекол, содержащих в качестве модификатора оксид серебра. Формирование фазовых структур производилось при помощи фемтосекундного лазерного излучения. Обнаружена зависимость интенсивности люминесценции высококонтрастных фазовых структур от параметров лазерного излучения (количество сканирований). Обнаружен эффект фотовыцветания фазовых структур под действием непрерывного лазерного излучения. Определена зависимость степени выцветания от времени облучения непрерывным лазерным излучением.
Ключевые слова: фемтосекундная лазерная запись, серебряно-фосфатные стекла, люминесцентные свойства, оксид серебра, фазовая структура.
В 1996 году группа Хирао показала возможность локального изменения оптических свойств стекол под воздействием субпикосекундного лазерного излучения, длина волны которого лежит в области прозрачности стекла [1]. Изменение структуры и оптических свойств материалов под действием лазерного излучения принято называть лазерной записью. Образование высококонтрастных элементов при воздействии фемтосекундных импульсов обычно обусловлено изменением структуры облучаемых материалов, которое и ведет к изменению оптических свойств образцов. При этом, чем больше энергии вводится в образец, тем больше образованные изменения. Увеличение дозы
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
может происходить за счет увеличения энергии в импульсе, за счет уменьшения скорости сканирования образца или за счет увеличения количества сканирований. За счет локальности создаваемой модификации химической структуры стекла и, как результат, изменения оптических параметров, возможно создание высококонтрастных фазовых элементов различной геометрии -оптических волноводов, разветвителей, линз, дифракционных решеток и т.д.
Несмотря на небольшое количество времени, прошедшее с первых опытов по созданию высококонтрастных элементов в стеклах при помощи импульсного лазерного излучения, в настоящее время уже разработаны методики лазерно-индуцированной модификации самых разнообразных материалов - стекол разнообразного состава, кристаллов [2] и даже полимеров [3].
В последнее время большое внимание уделяется изучению лазерно-индуцированных процессов в стеклах, содержащих в качестве модификаторов оксиды металлов. Интерес к этим стеклам вызван их необычными свойствами. Под действием фемто секундного лазерного излучения ионы металлов могут мигрировать из области облучения [4, 5]. Более подвижные ионы ожидаемо проявляют лучшие характеристики при миграции. Наиболее подвижными ионами является ионы щелочных металлов и некоторых одновалентных благородных металлов - золота, серебра. Из-за химической инертности и склонности благородных металлов к формированию металлических частиц, удается получить наноразмерные кластеры данных металлов. Локальное изменение состава сложнокомпонентных стекол, обусловленное миграцией ионов и формированием металлических наночастиц, позволяет создавать интересные с практической точки зрения функциональные материалы с уникальными свойствами.
Таким образом, использование стекол, содержащих в своем составе подвижные ионы неактивных металлов, позволит создать функциональные элементы с уникальными оптическими свойствами. Одним из наиболее подходящих для этих целей является ион Ag+, инертность которого сочетается с одной из самых больших подвижностей среди ионов металлов. Одним из недостатков использования стекол данного состава является необходимость отжига стекол после взаимодействия для увеличения размеров нанокластеров серебра.
Данная работа направлена на создание и исследование высококонтрастных фазовых структур в серебряно-фосфатных стеклах состава (Ag2O)x - (Р205)(1-Х) (х=35, 45, 55%).
В качестве исходных реагентов при синтезе стекол использовались AgN03 и Н3Р04, квалификации ЧДА. Смесь реагентов постепенно помещалась в
о
кварцевые тигли, находящиеся при температуре 300 С, после чего температура постепенно повышалась до 900°С и выдерживалась в течение 90 минут. Выработка стекол производился на стальную плиту, отжиг производился при температуре 100°С в течение 6 часов. После этого образцы шлифовались и
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
полировались с двух сторон.
Для создания высококонтрастных структур использовался титан: сапфировый лазер, излучающий свет длиной волны 800 нм, с длительностью импульса 100 фс, частотой следования импульсов 250 кГц, энергия импульсов составляла 40 нДж, использовался сорокакратный микрообъектив. Образец помещался на столик с двуосным моторизированным транслятором, перемещение образца производилось перпендикулярно направлению распространения лазерного излучения, скорость перемещения образца менялась в пределах от 150 мкм до 1 мм в минуту. В результате облучения происходило инициирование структурных изменений. Области с измененными в результате облучения лазерным излучением оптическими свойствами были получены в стеклах всех исследованных составов.
Наибольший контраст достигался в стеклах, содержащих наибольшее количество оксида серебра - 55%. Поэтому дальнейшие эксперименты по исследованию влияния параметров лазерной записи на характеристики высококонтрастных фазовых структур производились со стеклом данного состава.
Рис. 1 Влияние количества сканирований образца 0,55 Ag2O- 0,45 Р205 на люминесценцию модифицированных областей; снизу-вверх - 1, 3, 5, 10, 20, 40, 100 сканирований; возбуждение люминесценции излучением
с длиной волны 532 нм
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
На рис.1 изображена серия высококонтрастных фазовых структур, записанная при помощи лазерного излучения с описанными выше параметрам. Количество сканирований менялось от 1 до 100 раз. Изображение получено при 100-кратном увеличении. Длина структур составляет 50 мкм, ширина меняется от 2 мкм у структуры, полученной при однократном сканировании до 6 мкм у структуры, полученной при стократном сканировании.
Полученные высококонтрастные фазовые структуры обладают люминесценцией, характерной для дырочных центров на атомах кислорода в результате разрыва связей [6]. При этом, при увеличении количества сканирований увеличивается и люминесценция, что может быть объяснено увеличением количества таких связей. Разрыв связей происходит в результате восстановления серебра и образования атомарного серебра:
О- - Ag+ ^ О^ + Ag0
Рис. 2 Изображение, полученное при 1000-кратном увеличении, высококонтрастной структуры после лазерного воздействия, справа изображен график зависимости люминесценции от времени экспозиции непрерывным лазерным излучением с длиной волны 532 нм и мощностью 20 мВт
»
150
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
Также было обнаружено, что при действии непрерывного лазерного излучения происходит осветление модифицированной области, при этом происходит уменьшение люминесценции в облученной непрерывным излучением области. На рис.2. изображена структура, полученная в стекле состава 0,55 Ag2O - 0,45 P2O5 после облучения фемтосекундным лазерным излучением с вышеуказанными параметрами, после действия на неё непрерывного лазерного излучения с длиной волны 532 нм мощностью 20 мВт в течение 120 секунд. В верхней части микрофотографии хорошо заметна область, подвергшаяся воздействию непрерывного лазера, в которой нарушается однородность волноводной структуры. График, изображенный на рис.2., показывает деградацию люминесценции при облучении непрерывным лазером. Наблюдаемое фотовыцветание связано с реорганизацией структуры -окислением атомов серебра.
Серебряно-фосфатные стекла являются перспективной средой для создания различных высококонтрастных элементов с уникальными свойствами. Основными преимуществами которой являются возможность изменять записанные структуры и отсутствие необходимости в отжиге.
Исследования влияния параметров записи и стирания модифицированных структур проведены в ресурсном центре СПбГУ «Оптические и лазерные методы исследования вещества».
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках соглашения о предоставлении субсидии № 14.576.21.0003, уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57614X0003.
Литература:
1. K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, K. Hirao Writing waveguides in glass with a femtosecond laser// Opt. Lett., 1996, V. 21, № 21, pp. 1729-1731.
2. A. G. Okhrimchuk, A. V. Shestakov, I. Khrushchev, J. Mitchell Depressed cladding, buried waveguide laser formed in a YAG:Nd3+ crystal by femtosecond laser writing// Opt. Lett., 2005, V. 30, № 17, pp. 2248-2250.
3. S. Maruo, T. Saeki Femtosecond laser direct writing of metallic microstructures by photoreduction of silver nitrate in a polymer matrix// Opt. Exp., 2008, V. 16, № 2, pp. 1174-1179.
4. Y. Liu, M. Shimizu, B. Zhu, Y. Dai, B. Qian, J. Qiu, Y. Shimotsuma, K. Miura, K. Hirao Micromodification of element distribution in glass using femtosecond laser irradiation// Opt. Lett., 2009, V. 34, № 2, pp. 136-138.
5. M. Dubov, V. Mezentsev, A.A. Manshina, I.A. Sokolov, A.V. Povolotskiy, YV. Petrov Waveguide fabrication in lfithium-niobo-phosphate glasses by high repetition
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
rate femtosecond laser: route to non-equilibrium material's states // Opt. Mat. Exp., 2014, V. 4, № 6, pp. 1197-1206.
6. D.L. Little, M. Ams, P. Dekker, G.D. Marshall, M.J. Withford Mechanism of femtosecond-laser induced refractive index change in phosphate glass under a low repetition-rate regime// J. Appl. Phys., 2010, V. 108, 033110.
»
152
