CC BY
55
УДК 666.1.001.5:538.911:535.552
С. С. Федотов1*, С. В. Лотарев1, А. С. Липатьев1, П. Г. Казанский1,2, В. Н. Сигаев1
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 2Университет Саутгемптона, Великобритания * email: sergey.fedotov.91.@gmail.com
ЛОКАЛЬНОЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В СТЕКЛЕ, НАВЕДЕННОЕ ФЕМТОСЕКУДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ПУЧКОМ
Под действием фемтосекундного лазерного пучка в кварцевом стекле получены области, обладающие двулучепреломлением, согласно литературным данным, связанным с возникновением нанорешеток, что подтверждается данными атомной силовой микроскопии. Аналогичный эффект впервые продемонстрирован для титаносиликатного стекла 8,4 масс.%ТЮ2 - 91,6 масс.%8Ю2.
Ключевые слова: кварцевое стекло; лазерное модифицирование; нанорешетки; двулучепреломление.
Фемтосекундные лазеры успешно
применяются в различных областях науки и техники, благодаря минимальной длительности и крайне высокой пиковой мощности импульсов, в том числе в нелинейной, оптике, фемтохимии и др. Развитие фемтосекундной лазерной техники открывает новые возможности в области обработки с субмикронным разрешением и наноструктурирования материалов.
Благодаря нелинейному характеру поглощения фемтосекундных импульсов, зона взаимодействия излучения с прозрачными диэлектриками не выходит за пределы перетяжки сфокусированного пучка, что позволяет осуществлять прецизионную обработку твердых веществ. Облучение фемтосекудным лазером кварцевого стекла дало неожиданные результаты. В местах облучения лазерным пучком было обнаружено анизотропное рассеяние света и двулучепреломление [1], которые в дальнейшем удалось связать с так называемыми нанорешетками (Рис.1), представляющими собой периодически чередующиеся области с нормальным и уменьшенным содержанием кислорода [2]. Выяснилось, что они обладают свойствами присущими одноосным кристаллам, в том числе, двулучепреломлением. Недавно Казанский и др. [5] показали перспективность использования таких наноструктур для создания объемной оптической памяти, обладающей неограниченным сроком службы, беспрецедентно высокой температурной стабильностью и сверхвысокой плотностью хранения данных. Подобная емкость достигается благодаря использованию дополнительных параметров нанорешетки при кодировании информации: направления медленной оси и силы двулучепреломления (фазового запаздывания). Изменяя параметры лазерного излучения, а именно среднюю мощность импульса, количество импульсов и частоту их следования, можно влиять на эти характеристики наноструктур [2, 4].
Рис. 1. Изображение нанорешетки в кварцевом стекле, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии в режиме обратного рассеяния электронов [2]
Однако механизм возникновения нанорешеток и связь их свойств с параметрами лазерного пучка все еще не до конца изучены. Существуют противоречивые данные о зависимости периода нанорешетки от пиковой мощности импульса. Так, результаты, представленные в [2], говорят об увеличении периода решетки при увеличении пиковой мощности импульса, в то же время в работе [3] приводятся сведения о постоянстве периода в некотором диапазоне мощностей, в исследовании [4] опубликованы данные об уменьшении периода решетки при увеличении мощности импульса. Кроме того, до сих пор нанорешетки удалось получить лишь в кварцевом стекле, за исключением одной работы, где они были сформированы в оптических стеклах BK7 и ULE [6].
В настоящей работе была проведены эксперименты по получению двулучепреломляющих областей при различных параметрах облучения фемтосекундным пучком, а также предпринята попытка получить
В экспериментах использовались
плоскопараллельные полированные образцы кварцевого стекла марки КВ с размерами размеры 50х40х5 мм, а также титаносиликатное стекло стекла состава 8,4 масс.%TiO2-91,6 масс.°/<^Ю2 производства компании Corning. В качестве источника сверхкоротких импульсов
использовался фемтосекундный регенеративный усилитель ТЕТА фирмы «Авеста-проект», генерирующий излучение с длиной волны 1029 нм, длительностью импульса 290 фс и частотой следования импульсов до 100 кГц. Излучение фокусировалось объективом Х50 с числовой апертурой 0,65 на глубину около 150 мкм от поверхности образца. Непрерывные линии были получены за счет перемещения образца, расположенного на двухкоординатном
моторизованном столике с компьютерным управлением перпендикулярно направлению распространения лазерного луча. Количество испущенных импульсов задавалось с помощью внешнего генератора сигналов. Энергия импульса изменялась посредством ослабителя мощности излучения.
Результаты облучения анализировались на поляризационном оптическом микроскопе Olympus BX51, а также методами атомно-силовой микроскопии для выявления нанорешеток.
Было исследовано воздействие на кварцевое стекло неподвижного пучка для различных энергии и количества импульсов. Также для нескольких значений энергии импульсов была получена непрерывная линия с помощью сканирования лазерным пучком. При формировании линии мощность излучения варьировалась от 1,35 Вт до 0,18 Вт. Запись точек проходила в тех же пределах по мощности импульса для различных значений количества импульсов. Микрофотографии линий и точек получены в скрещенных поляризаторах (рис. 2, 3). Свечение в скрещенных поляризаторах свидетельствует о локальном нарушении исходной линейной поляризации света проходящего через материал света за счет сформированного лазерным пучком
двулучепреломления. Были определены положения скрещенных поляризатора и анализатора, при которых свечение исчезало, что соответствует случаю, когда ось поляризатора параллельна одной из осей двулуче-преломляющей области. Было показано, что направление одной из осей параллельно поляризации фемтосекундного лазерного пучка, сформировавшего данные области, что говорит в пользу связи двулучепреломления с появлением нанорешетки. Однако для подтверждения наличия или отсутствия нанорешеток необходимы дальнейшие исследования с привлечением методов структурного анализа на атомном уровне.
Стоит обратить внимание на то, что при увеличении средней мощности лазерного
излучения увеличивается свечение
двулучепреломляющей области, что может быть связано как с некоторым увеличением ее размеров, так и, в первую очередь, с увеличением силы двулучепреломления, приводящим к возрастанию фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучами. Этот результат согласуется с результатами исследований, представленными в [2-4], где также показано, что с изменением мощности излучения изменяется период нанорешетки.
1,35 Вт 0,90 Вт! 0,36 Вт 0,18 Вт
Рис. 2. Фотография линии в скрещенных поляризаторах, полученной в объеме кварцевого стекла при различной мощности излучения фемтосекундного лазера.
Г" I- Н- Н
CD CQ CQ CQ
00 CD О О
Ч- со r^ CD
о" о" о" сГ
100000
50000
25000 12500
Рис. 3. Фотография в скрещенных поляризаторах точек, полученных в объеме кварцевого стекла при различных мощностях 0,18, 0,36, 0,70, 0,90, 1,35 Вт и количестве импульсов 100000, 50000, 25000, 12500.
Для изучения зависимости характеристик двулучепреломляющей области от количества импульсов были записаны точки с использованием 105, 5104, 2,5-104, 1,25-104 импульсов. Для каждого количества импульсов было исследовано воздействие пучка с шестью разными значениями средней мощности, за исключением сочетания максимальных количества и энергии импульсов во избежание локального разрушения образца. Как и в случае с линией, наблюдалось усиление рассеяния с увеличением мощности импульса. Напротив, заметного влияния количества импульсов на
характеристики нанорешетки, не наблюдается, несмотря на то, что количество импульсов, направленных в одну точку, в ходе эксперимента изменялось в 8 раз, то есть практически на порядок (рис. 3). Более подробную информацию позволили бы получить количественные измерения параметров двулучепреломления и электронная микроскопия.
Рис. 4. АСМ-изображение морфологии поверхности в области облучения, полученное полуконтактным методом (размеры даны в микрометрах).
Для проведения атомно-силового анализа с помощью зондовой нанолаборатории «Интегра Спектра» компании «НТ-МДТ» образец был отшлифован так, чтобы двулучепреломляющие области оказались на поверхности, после чего он был подвергнут травлению плавиковой кислотой в концентрации 45% в течение 30 с. Травление двулучепреломляющих областей шло заметно быстрее, чем травление необлученных участков стекла, так что глубина вытравленных областей оказалась больше, чем позволял измерить зонд методом полуконтактной атомно-силовой микроскопии, поэтому далее анализ проводился на наклонной поверхности вытравленной линии. (рис.4).
На изображении можно видеть параллельные протяженные углубления шириной около 0,150,25 мкм, что соответствует литературным данным [2-4] однако они не формируют явной периодической картины. Вероятнее всего, это следы от образованных в ходе облучения наноструктур, однако режим травления оказался слишком жестким и местами привел к полному растворению наноструктур. Отсутствие периодичности также может быть связно с использованием шагового двигателя при перемещении образца во время сканирования, что приводит к неравномерному распределению энергии излучения.
Микрофотография участка стекла состава 8,4 масс.%TЮ2-91,6 масс.%^Ю2, облученного фемтосекундным лазером, в скрещенных поляризаторах (рисунок 5) также свидетельствует о возникновении двулучепреломления в облученных областях. Для формирования точек использовалось различное количество импульсов: от 100000 до 1000,
а также разная средняя мощность излучения: от 0,11 Вт до 0,84 Вт (рис. 5). Однако утверждать, что оно обусловлено формированием нанорешеток на данный момент преждевременно. Как и в случае кварцевого стекла, наблюдается существенное увеличение размера и яркости свечения модифицированного пятна с ростом средней мощности излучения, но количество импульсов при изменении на два порядка практически не влияет на вид облученной области. На рисунке также видны микротрещины в области точек, образовавшиеся, очевидно, в силу недостаточной прочности стекла. Следует отметить, что свечение всего стекла в скрещенных поляризаторах с периодическим изменением яркости говорит о наличии в нем остаточных напряжений и заметной свильности.
Рис. 5. Фотография в скрещенных поляризаторах точек, полученных в объеме стекла состава 8,4%ТЮ2 - 91,6%8Ю2 при различных параметрах лазерного излучения.
В результате воздействия фемтосекундного лазерного пучка в объеме кварцевого стекла были получены двулучепреломляющие области, согласно литературным данным обусловленные
возникновением «нанорешеток» (структур с периодическим колебанием химического состава), что было подтверждено атомной силовой микроскопией. Показано, что характер двулучепреломления сильно зависит от энергии импульса и в режиме сканирования, так и в дискретном режиме. Каких-либо изменений при варьировании количества импульсов отмечено не было.
В титаносиликатном стекле 8,4 масс.%TiO2-91,6 масс.°/<^Ю2 впервые продемонстрировано двулучепреломление, сформированное под действием фемтосекундного лазера. Для решения вопроса о связи этого двулучепреломления с образованием нанорешеток необходимы дальнейшие исследования.
Федотов Сергей Сергеевич аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Лотарев Сергей Викторович к.х.н., с.н.с. кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Липатьев Алексей Сергеевич к.х.н. инженер кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Казанский Петр Георгиевич к.ф-м.н., профессор университета Саутгемптона, Саутгемптон, Великобритания; руководитель Международного центра лазерных технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
Сигаев Владимир Николаевич д.х.н., профессор кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Kazansky PG, et al. Anisotropic phenomena during direct writing with ultrashort light pulses in glass //Quantum Electronics and Laser Science. - Vol.21. - 2000 - PP. 242-243
2. Shimotsuma Y, et al. Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses // Physical Review Letters. - Vol.91[24]. - 2003. - 247405.
3. Bhardwaj VR, et al. Optically produced arrays of planar nanostructures inside fused silica // Physical Review Letters. - Vol.96. - 2006. - 057404.
4. Yang WJ, et al. Self-assembled periodic subwavelength structures by femtosecond laser direct writing // Optics Express. - Vol. 14[21]. - 2006. PP. 10117-10124.
5. Zhang J, et al. 5D data storage by ultrafast laser nanostructuring in glass // Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO 2013), page CTh5D.9, San Jose, CA, USA, Jun 2013.
6. S. Richter et al. Laser induced nanogratings beyond fused silica - periodic nanostructures in borosilicate glasses and ULETM // Optical Materials Express. - Vol. 3[8]. - 2013. PP. 1161-1166.
Fedotov Sergey Sergeevich1, Lotarev Sergey Victorovich1, Alexey Sergeevich Lipatiev1, Peter Kazansky1'2, Vladimir Nikolaevich Sigaev1
1D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 2University of Southgampton, Southgampton, UK
LOCAL BIREFRINGENCE INSIDE FUSED SILICA INDUCED BY THE FEMTOSECOND LASER BEAM
Abstract
Birefringent regions were formed in silica glass under a femtosecond laser beam, which is related to formation of nanogratings according to the literature. This was confirmed bay atomic force microscopy. Similar effect was for the first time obtained in 8,4TiO2 - 91,6SiO2 (wt. %) glass.
Keywords: fused silica, laser-induced modification, nanogratings, formed birefringence
