CC BY
3
УДК 666.1.001.5
Федотов С.С., Липатьев А.С., Лотарев С.В., Пиянзина К.И., Сигаев В.Н.
МИКРОМОДИФИЦИРОВАНИЕ НАНОПОРИСТОГО СТЕКЛА ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ПУЧКОМ
Федотов Сергей Сергеевич, к.х.н., ассистент кафедры химической технологии стекла и ситаллов; ssfedotov@muctr.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 Пиянзина Ксения Игоревна, аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов Сигаев Владимир Николаевич, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов
Российкий химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва, Миусская пл., 9 Под действием фемтосекундных лазерных импульсов в объеме нанопористого стекла были сформированы микрообласти с поляризационно-зависимым двулучепреломлением. С помощью сканирующей электронной микроскопии показано, что данная микрообласть представляет собой полость с эллиптическим сечением, окруженную беспористым стеклом. Увеличение количества записывающих импульсов приводит к вытягиванию полости в направлении, перпендикулярном поляризации лазерного излучения. Показана реализация записи информации с кодированием 3 бит в ориентации медленной оси двулучепреломляющей микрообласти.
Ключевые слова: нанопористое стекло, двулучепреломление формы, оптическая память
LOCAL MICROMODIFICATION OF NANOPOROUS GLASS BY FEMTOSECOND LASER BEAM
Fedotov S.S., Lipatiev A.S., Lotarev S.V., Piyanzina K.I., Sigaev V.N. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
Microdomains manifesting polarization-sensitive birefringence were fabricated in nanoporous glass under the exposure to femtosecond laser pulses. It was shown by means of scanning electron microscopy that these microdomains are cavities with elliptical cross-sections surrounded with non-porous glass. It was revealed that an increase of a number of writing pulses leads to the elongation of the cavity along the axis perpendicular to the polarization plane of laser beam. Proof-of-concept of optical data storage with 3-bit multilevel encoding based on birefringence microcavities is demonstrated.
Keywords: nanoporous glass, form birefringence, optical data storage
Нанопористое стекло (НПС) стало объектом многих исследований благодаря его уникальной аморфной структуре, включающей в себя взаимопроникающие полые наноразмерные каналы. Традиционно данный материал изготавливают путем селективного кислотного вытравливания
натриевоборатной фазы из фазово-разделенного натриевоборосиликатного стекла. Широкие возможности варьирования размера пор и пористости наряду с допированием стекла функциональными компонентами открывают новые пути использования НПС для научных и технических применений [1, 2].
Воздействие на НПС фемтосекундными лазерными импульсами в общем случае приводит к трем видам модификаций: уплотнение, разуплотнение и формирование микропор в объеме стекла [3]. В 2018 году впервые было продемонстрировано формирование
двулучепреломляющих микрообластей с
ориентацией медленной оси перпендикулярной поляризации лазерного пучка, и фазовым сдвигом, напрямую определяемым параметрами лазерного пучка [4]. Однако структура двулучепреломляющей микрообласти, динамика ее формирования не были раскрыты.
В данной работе было синтезировано НПС по методике, включающей в себя синтез натриевоборосиликатного стекла, его
термообработки для наведения фазово-разделенной структуры и дальнейшего травления в 3Н растворе соляной кислоты до полного растворения и вымывания натриевоборатной фазы [5]. В результате было получено высококремнеземистое нанопористое стекло состава 0.4Na2Q-1.6B2Ü3-98SiÜ2 (мол.%). Плотность НПС составила 1.6 г/см3, а размер пор находится в интервале 4.5-10 нм.
Для лазерного модифицирования использовался фемтосекундный Yb:KGW лазер Pharos (Light Conversion Ltd.) с длиной волны генерации 1,03 мкм. В проведенных экспериментах использовался лазерный пучок с частотой следования импульсов 1 МГц, длительность импульса 180 фс и энергией импульса 50 нДж. Пучок фокусировался в образцы НПС объективом с числовой апертурой 0,65 на глубине 45 мкм от поверхности стекла. Анализ двулучепреломления областей стекла,
модифицированных фемтосекундным пучком, проводился на микроскопе Olympus BX61, оснащенном системой количественного
микроанализа двулучепреломления Abrio
М1сгоЫге1гт§епсе. Для подготовки к сканирующей электронной микроскопии стекла были отполированы до глубины расположения модифицированных лазером областей. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) была выполнена в режиме детектирования вторичных электронов.
Массив модифицированных областей в НПС был сформирован с помощью трех импульсов на точку. Количественный анализ двулучепреломления показал, что сформированные области обладают двулучепреломлением, медленная ось которого перпендикулярна поляризации лазерного пучка (Рисунок 1а). На рисунках 1б и 1в представлены изображения модифицированных областей в светлом поле и режиме распределения фазы проходящего света. Оба изображения свидетельствуют об анизотропной структуре модификации. При этом фаза света изменяется неоднородно в записанной области, а именно, она отрицательна в центре и положительна по краям модификации по сравнению с немодифицированным стеклом, что говорит о наличии уплотнения по краям и разуплотнении в центре модификации. Более того, центральная часть модификации обладает вытянутым сечением в виде эллипса, большая ось которого перпендикулярна поляризации лазерного пучка.
Е / / 1 \ \ — ы
а) к® ■ ■ в ■ 4 мкм
б) к(8> 4 мкм
в) к<8> В п о в □ с с о 4 мкм
г)к| ! 1 4 мкм
д) к<8> □ 1 МКМ
Рисунок 1 - Микроанализ точек, записанных тремя фемтосекундными импульсами: а) псевдоцветовое
изображение ориентации медленной оси двулучепреломения записанных модификаций; б,г) оптические фотографии модифицированных областей сверху и сбоку в светлом поле; в) Распределение фазы прошедшего света; д) изображение СЭМ. к - вектор распространения лазерного пучка, Е - вектор поляризации лазерного пучка.
Далее была изучена динамика формирования эллиптической полости с увеличением количества записывающих импульсов. Массив точек, сформированных одним, двумя или тремя лазерными импульсами, был исследован с помощью
количественного анализа двулучепреломления и СЭМ.
Согласно полученным данным,
модифицирование НПС одним лазерным импульсов приводит к формированию полости с круглым сечением в плоскости перпендикулярной распространению лазерного пучка. Диаметр полости составил около 450 нм, а внешний диаметр, включающий зону уплотнения, составил 810 нм. Под действием последующих фемтосекундных импульсов происходит вытягивание полости в направлении, перпендикулярном поляризации лазерного пучка. При этом, по данным СЭМ, диаметр уплотненной области также растет, однако ее форма остается близкой к круглой.
К® "
а) б) в) ^
т §> I
0.5 мкм
Рисунок 2 - СЭМ изображения микрообластей, сформированных а) одним; б) двумя; в) тремя лазерными импульсами. к - вектор распространения лазерного пучка, Е - вектор поляризации лазерного пучка.
Для эксперимента по записи информации в НПС текстовый файл размером 67 кБ был побитно разложен и записан в образце в виде информационных кластеров, представляющих собой прямоугольные двумерные массивы
модифицированных микрообластей. В медленной оси двулучепреломления каждой микрообласти было закодировано 3 бита информации, а средний фазовый сдвиг -двулучепреломляющих микрообластей с записанными данными составил около 20 нм. Анализ ошибок считывания производился путем определения действительного значения ориентации медленной оси двулучепреломления в заданном интервале для каждого пита информации. Для проверки устойчивости информации к действиям высоких температур был проведен цикл экспериментов по термообработке нанопористых стекол с записанной информацией. После каждой термообработки проводилось считывание информации и оценивалось количество ошибок. Всего было проведено 5 термообработок по одному часу при температурах от 600 до 750°С с шагом 50°С. Полученный график зависимости числа ошибок от температуры термообработки представлен на рисунке 5. из которого видно, что количество ошибок считывания резко возрастает при температуре, превышающей 700°С.
о ю s
Б
о
о со h-о Ф 3"
S §
30-
20-
10-
150 300 450 600 750 Температура термообработки, °С
45 90 135 180 Угол медленной оси, град
Рисунок 3 -а) Зависимость количества ошибок считывания в кластере, состояющих из 1024 точек от температуры термообработки; б) распределения углов медленной оси в термообработанных образцах.
В данной работе показано, что два или более фемтосекундных лазерных импульса создают двулучепреломляющие структуры в НПС с медленной осью, перпендикулярной плоскости поляризации лазерного луча, в то время как одиночный лазерный импульс генерирует круговую модификацию без поляризационно-чувствительного двойного лучепреломления. Исследования СЭМ показали, что модифицированная область представляет собой полость с эллиптическим поперечным сечением в плоскости,
перпендикулярной распространению лазерного луча. Вокруг эллиптической полости обнаружен слой плотного непористого стекла. Исследование межимпульсной динамики формирования
эллиптической полости выявило возможность управления формой полости, которой можно.управлять с помощью числа импульсов. Продемонстрированы надежная лазерная запись и считывание цифровой информации, закодированной в двулучепреломляющие структуры в объеме НПС. Лазерно-индуцированное двулучепреломление в НПС показало высокую термическую стабильность, зарегистрированные данные выдержали
термообработку до 700 ^ в течение 24 часов. Эти
результаты открывают путь к развитию технологии долговечной оптической памяти с многоуровневым кодированием с использованием НПС в качестве носителя информации.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (грант FSSM-2020-0003).
Список литературы
1. G. Y. Shakhgil'dyan, K. I. Piyanzina, A. A. Stepko, A. N. Natyrov, A. M. Mikhailov, V. I. Savinkov, V. N. Sigaev // Glass Ceram. - 2019. Vol. 75. - P. 377.
2. S.M. Dolotov, M.F. Koldunov, Ya.V. Kravchenko, V.B. Lugovoi, A.A. Manenkov, V.A. Petukhov, E.P. Ponomarenko, G.P. Roskova, T.S. Tsekhomskaya // Quantum Electron. - 2002. Vol. 32. - P. 669.
3. V.P. Veiko, S.I. Kudryashov, M.M. Sergeev, R.A. Zakoldaev, P.A. Danilov, A.A. Ionin, T.V. Antropova, I.N. Anfimova // Las. Phys. Lett. - 2016. Vol. 13. - P. 055901.
4. A. Cerkauskaite, R. Drevinskas, A.O. Rybaltovskii, P.G. Kazansky // Opt. Exp. - 2017. Vol. 25. - P. 8011.
5. V. A. Kreisberg, T. V. Antropova, and S. V. Kalinina // Glass Phys. Chem. - 2014. Vol. 40. - P. 501.
