CC BY
11
УДК 666.266.6:66.047.72:620.22
Наумов А.С., Липатьев А.С., Лотарев С.В., Липатьева Т.О., Сигаев В.Н.
ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ 0-BaB2O4 В ОКСИДНОМ СТЕКЛЕ
Наумов Андрей Сергеевич - аспирант 1 года обучения кафедры химической технологии стекла и ситаллов; email: andreynaum13@mail. ru;
Липатьев Алексей Сергеевич - к.х.н., ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов; Лотарев Сергей Викторович - к.х.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов; Липатьева Татьяна Олеговна - к.х.н., ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов; Сигаев Владимир Николаевич - д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1
Продемонстрирована возможность применения импульсного лазерного излучения для записи кристаллических волноводов P-BaB2O4 в стекле состава 47,5BaO-5Al2O3-47,5B2O3 (здесь и далее мол.%), актуальность которых определяется свойствами кристаллов в-бората бария, характеризующихся значительной оптической нелинейностью второго порядка и высокой оптической прозрачностью в видимом и ближнем ИК диапазонах. Проведена оценка волноводных свойств протяженных кристаллических треков P-BaB2O4. По сравнению с лантаноборогерманатным стеклом запись кристаллических волноводов в бариевоалюмоборатном стекле реализуется при значительно меньшей энергии лазерных импульсов и более высокой скорости перемещения лазерного пучка.
Ключевые слова: бариевоалюмоборатное стекло, лазерная кристаллизация, P-BaB2O4, ФС лазер.
LASER WRITING OF p-BaB2O4 CRYSTAL WAVEGUIDES IN OXIDE GLASS
Naumov A.S., Lipatiev A.S., Lotarev S.V., Lipatieva T.O., Sigaev V.N. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work we demonstrate the use of pulsed laser radiation for direct writing of P-BaB2O4 crystal waveguides in 47,5BaO-5Al2O3-47,5B2O3 glass (hereafter mol.%). P-BaB2O4 crystals have significant second-order optical nonlinearity and have excellent optical transparency in the visible and near-IR ranges. The waveguiding properties of extended crystal tracks of P-BaB2O4 were evaluated. In comparison with lanthanum borogermanate (LBG) glass, the writing of crystal waveguides in barium aluminoborate (BAB) glass can be performed at significantly lower pulse energy and higher scanning speed of the laser beam.
Keywords: barium aluminoborate glass, laser crystallization, P-BaB2O4, fs-laser.
Тенденция к миниатюризации в
приборостроении оказала большое влияние на развитие оптоэлектроники и интегральной оптики. Дополнительным стимулом их развития стали колоссальные энергетические затраты, которые сейчас требуются для передачи и обработки цифровой информации, объем которой увеличивается в геометрической прогрессии. Исследования в области лазерного
микромашиннинга уже сегодня позволяют разрабатывать миниатюрные оптоэлектронные приборы с пониженным энергопотреблением для решения задач по обработке световых потоков. В частности, изучение процессов, возникающих при воздействии лазером на стекло, перспективны для применения в таких областях как оптическая память, трехмерные голографические дисплеи, интегральная оптика.
Для передачи оптического сигнала требуются волоконнооптические системы передач, состоящие из волноводов. Благодаря лазерному модифицированию стекол в их объеме и на поверхности могут быть получены активные и пассивные, планарные и канальные волноводы [1]. Прямая лазерная запись происходит при фокусировке фемтосекундных (ФС) лазерных
импульсов в объем стекла, при этом в диэлектриках, имеющих высокую светопрозрачность на длине волны лазерного излучения, взаимодействие с ФС импульсами и модифицирование структуры происходит в области перетяжки лазерного пучка за счет нелинейных процессов многофотонного поглощения излучения, что позволяет модифицировать материал с высоким пространственным разрешением, в некоторых случаях даже преодолевая дифракционный предел [2]. Хотя лазерно-индуцированная кристаллизация была продемонстрирована для многих стекол с различной кристаллизационной способностью [1-3], запись кристаллических волноводов в стекле лазерным пучком изучалась в меньшей степени. Формирование в стекле канальных кристаллических волноводов происходит за счет локального нагрева ФС лазерным пучком с частотой следования импульсов более 100 кГц, обеспечивающей эффект аккумулирования тепла. Ранее в
лантаноборогерманатном стекле был
продемонстрирован волноводный эффект в записанных ФС лазером кристаллических треках [4]. Оценочный уровень оптических потерь в таких кристаллических волноводах, равный ~3,1 дБ/см, требует повышения качества их структуры и
разработки новых подходов к прямой лазерной записи таких волноводных структур.
Эффективность прямой лазерной записи кристаллических треков в объеме стекла подтверждена на примере треков, сформированных фазами LaBGeO5 и Ba2TiSi2O8 в стеклах составов 25La2O3-30B2O3-45GeO2 [4] и 40BaO-20TiO2-40SiO2 [5] соответственно. В настоящей работе подход к лазерной записи кристаллических канальных волноводов в оксидных стеклах развивается на примере стекла, для которого найден режим лазерной обработки, позволяющий сформировать в его объеме кристаллические волноводы на основе сегнетоэлектрической фазы P-BaB2O4 (BBO).
В рамках исследований синтезировано бариевоалюмоборатное (BAB) стекло состава 47,5BaO-5Al2O3-47,5B2O3, в котором оксиды BaO и B2O3 находятся в эквимолярном соотношении, соответствующем составу кристалла BBO. Синтез стекла производился из реактивов BaO, Al2O3 и H3BO3 марки «ОСЧ» в платиновом тигле емкостью 50 мл. Расплав выдерживали в течение 1 ч при максимальной температуре 1250 оС. Стекло получали закалкой расплава между стальными плитами с последующим отжигом при 500 оС в течение 6 ч. Из отожженного стекла изготавливались полированные плоскопараллельные пластины площадью ~2 см2 и толщиной ~1,5 мм.
В экспериментах по лазерному
модифицированию стекла использовался ФС лазер Pharos SP в режиме генерации импульсов длительностью 180 фс с частотой следования 200 кГц. Лазерный пучок диаметром около 4,5 мм
При энергии импульсов 150 нДж была подобрана скорость сканирования стекла лазерным пучком, при которой удалось реализовать запись однородных кристаллических треков. Скорости записи (V) варьировали от 40 до 100 мкм/с с шагом в 20 мкм/с. Визуальная оценка обработанных областей образца стекла на микрофотографиях в скрещенных поляризаторах показывает, что при скорости 80 мкм/с кристаллический трек записывался непрерывно (рис.1(б)) и имел наиболее гладкие края. При увеличении скорости сканирования наблюдался обрыв фронта кристаллизации. Стоит отметить, что
фокусировали в объем образца стекла на глубину 100 мкм с помощью объектива Olympus 20X с числовой апертурой 0,45. Влияние характеристик лазерного пучка (энергии импульса, скорости сканирования) на морфологию сформированных кристаллических треков было изучено при помощи поляризационного оптического микроскопа Olympus BX61. Анализ состава сформированных кристаллических треков проводился методом спектроскопии
комбинационного рассеяния света (КРС), с использованием конфокального КРС-
микроспектрометра «ИНТЕГРА Спектра».
На начальном этапе записи кристаллических треков в BAB стекле подбиралось оптимальное сочетания энергии лазерных импульсов и скорости сканирования лазерным пучком (рис.1). Энергия импульса считалась оптимальной, если при модифицировании стекла получался однородный по двулучепреломлению кристаллический трек. В ходе всего эксперимента энергия импульса (E) изменялась в интервале 150-300 нДж (с шагом в 50 нДж), с постоянной скоростью записи 50 мкм/с. Микрофотографии, полученные на оптическом микроскопе Olympus BX 51 в режиме скрещенных поляризаторов, показывают, что при энергии импульсов равной 150 нДж структура трека получается наиболее однородной (рис.1,а). При этом нужно отметить, что, увеличивая энергию импульсов, можно в больших пределах изменять ширину получаемого кристаллического трека. В исследуемых режимах ширина треков изменялась в диапазоне от ~ 2 до ~ 12 мкм.
изменение скорости сканирования не оказывает существенного влияния на ширину
кристаллического трека, которая оставалась практически неизменной - около 1,5 мкм.
Таким образом, найден оптимальный режим записи кристаллических треков в объеме BAB стекла (энергия импульса 150 нДж, скорость сканирования 80 мкм/с, пучок сформирован модой TEM00), обладающих волноводными свойствами (рис.2). Пики на спектре КРС этого трека хорошо совпадают с данными для кристаллов P-BaB2O4 [6], что подтверждает выпадение этой кристаллической фазы
Е = 150 нДэн: Е = 200 нДж
Е = 250 нДж
V = 40 мкм/с
Е = 300 нДж
у= 60 мкм/с
V- 80 мкм/с
100 мкм/с
4—<8)к 50 мкм
Рис.1. Оптические микрофотографии в скрещенных поляризаторах кристаллических треков, сформированных при
варьировании: а) энергии импульса; б) скорости записи.
(рис.3). Для оценки волноводного эффекта кристаллических треков использовалась ФС лазерная система ТЕТА-100 (длина волны 1030 нм) при частоте следования импульсов 100 кГц и длительности импульса 300 фс. Образец стекла с записанными кристаллическими структурами полировался таким образом, что исследуемый канальный волновод выходил обоими концами на
полированные поверхности торцов образца (рис.2,б). Лазерный пучок заводился в волновод путем фокусировки объективом с числовой апертурой 0,45. Для регистрации профиля распределения мод волновода, выходящее из волновода излучение собирали с помощью объектива с числовой апертурой 0,3 и направляли на анализатор профиля пучка Spiricon SP620U.
10 мкм
Рис.2. а) Оптический снимок в скрещенных поляризаторах продольного вида кристаллического трека, записанного
при Е = 150 нДж, V = 80 мкм/с; б) оптический снимок с торца кристаллического трека p-BaB2O4; в) профиль распределения интенсивности излучения на выходном конце кристаллического волновода p-BaB2O4. Стрелками указаны направления: распространения лазерного луча k и сканирования лазерным пучком ^
БаБ204 (рис.2,в) подтверждает, что сформированный кристаллический трек обладает волноводными свойствами. Более детальная характеристика кристаллических волноводов Р-БаБ204 находится в процессе изучения. Полученные результаты работы открывают большие перспективы применения методики лазерной кристаллизации стекла для расширения элементной базы волоконной и интегральной оптики.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (грант FSSM-2020-0003).
юолнзоощвнныогаовгозос woo 111»
ВОПНОЗЯ! ЧИСРО. см'
Рис.3. Поляризованные спектры КРС исходного стекла (1) и кристаллического трека p-BaB2O4 (2)
Таким образом, в формировании однородных кристаллических канальных волноводов P-BaB2O4 в объеме BAB стекла состава 47,5BaO-5Al2O3-47,5B2O3 была оптимизирована энергия импульса и скорость сканирования лазерным пучком. Выявлено, что скорость записи практически не влияет на ширину получаемых кристаллических треков. Все кристаллические треки, записанные при энергии импульсов 150 нДж и скорости сканирования в диапазоне от 40 до 100 мкм/сек (с шагом в 20 мкм/с), имели среднюю ширину около 1,5 мкм. Однако, при увеличении энергии импульса от 150 нДж до 300 нДж с шагом в 50 нДж ширина получаемых кристаллических треков увеличивается от ~2 до ~12 мкм. Рост кристалла BBO в таких условиях был нестабильным и неравномерным. Однако оценка волноводного эффекта кристаллических треков, сформированных Гауссовым пучком, демонстрирует перспективность лазерной записи протяженных кристаллических структур в BAB стекле. Профиль распределения интенсивности основной моды на выходном конце кристаллического волновода Р-
Список литературы
1. Komatsu T., et al. Laser patterning and growth mechanism of orientation designed crystals in oxide glasses: A review //Journal of Solid State Chemistry. - 2019. - Т. 275. - С. 210-222.
2. Cao J., et al. Femtosecond Laser-Induced Crystallization in Glasses: Growth Dynamics for Orientable Nanostructure and Nanocrystallization. Crystal Growth & Design, 19(4), 2189-2205, (2019).
3. Veenhuizen K. et al. Fabrication of graded index single crystal in glass //Scientific reports. - 2017. -Т. 7. - С. 44327.
4. Lipatiev A. S., et al. Direct laser writing of LaBGeO5 crystal-in-glass waveguide enabling frequency conversion //Crystal Growth & Design. -2017. - Т. 17. - №. 9. - С. 4670-4675.
5. Lipatiev A. S., et al. Growth of fresnoite single crystal tracks inside glass using femtosecond laser beam followed by heat treatment //Crystal Growth & Design. - 2018. - Т. 18. - №. 11. - С. 7183-7190.
6. Liu S., et al. High-temperature Raman spectroscopy of microstructure around the growing P-BaB2O4 crystal in the BaO-B2O3-Na2O system //Journal of Applied Crystallography. - 2014. - Т. 47. - №. 2. -С. 739-744.
