Условия роста микрокристаллов в лантаноборогерманатном стекле под действием фемтосекундного лазерного пучка Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 666:11.01:54.03:536.425

Т. О. Гельманова1'*, С. В. Лотарев1, А.С. Липатьев1, П.Г. Казанский1'2, В.Н. Сигаев1

1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

2 Университет Саутгемптона, Саутгемптон, Великобритания

* e-mail: gelmanova@bk.ru

УСЛОВИЯ РОСТА МИКРОКРИСТАЛЛОВ В ЛАНТАНОБОРОГЕРМАНАТНОМ СТЕКЛЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

В данной работе представлены результаты локальной лазерной кристаллизации лантаноборогерманатного стекла с помощью фемтосекундного лазера. Исследованы зависимости времени возникновения кристалла LaBGeO5 от параметров лазерного облучения. Показано, что минимальная частота следования импульсов, при которой возможен рост кристаллов в лантаноборогерманатном стекле, уменьшается с увеличением энергии импульса.

Ключевые слова: фемтосекундный лазер; локальная кристаллизация; активные диэлектрики, стекло.

Метод локального модифицирования стекла с помощью облучения сфокусированным лазерным пучком открывает новые возможности для точной обработки материалов, в том числе стекол. Здесь особенный интерес представляют стекла, в которых возможно формирование

люминесцирующих и нелинейно-оптических структур. Такие материалы могут найти применение в качестве фотонных устройств интегральной оптики. С точки зрения практического применения в интегральной оптике, при формировании интегральных элементов в стекле лазерным пучком важны высокая скорость, точная геометрия, управляемость и повторяемость. Это определяет актуальность изучения механизмов и кинетических характеристик роста

микрокристаллов по лазерным пучком, механизмов лазерного модифицирования и поиск стекол, оптимальных для этой задачи. Одной из важнейших стеклообразующих систем, в которых возможно получение активных диэлектрических фаз, является система Ьа20з-В20з-0е02, в стеклах которой возможно выделение

сегнетоэлектрическх кристаллов ЬаВ0е05, обладающих заметной квадратичной оптической нелинейностью. Эти кристаллы со структурой типа стилвеллита рассматриваются как перспективная активная среда для лазеров с самоудвоением частоты за счет частичного замещения атома Ьа атомами Рг или Nd [1]. Важной особенностью кристалла ЬаВ0е05 является возможность конгруэнтной

кристаллизации как на поверхности, так и в объеме исходного лантаноборогерманатного стекла, что позволяет получать прозрачные поверхностные кристаллические слои [2], объемные наноструктуры [3], кристаллические линии сложной формы в объеме стекла [5,6].

Для данного исследования был выбран состав 25Ьа20з'25В20з500е02, который точно соответствует составу кристалла ЬаВ0е05. Для варки были использованы реактивы категории ХЧ: Ьа20з, НзВ0з, ве02. Варку проводили в платиновом тигле с крышкой в электрической печи. Тигель с шихтой нагревали до температуры 1з00оС и после выдержки в течение 10 минут прессовали между стальными плитами. Полученную бесцветную отливку отжигали при температуре 630оС, разрезали, шлифовали и полировали до зеркального блеска. Все эксперименты по лазерному модифицированию лантаноборогерманатных стекол были выполнены на фемтосекундном лазере ТЕТА производства компании «Авеста-Проект» со следующими характеристиками: длина волны 1030 нм, длительность импульса 290 фс, средняя мощность до 5 Вт и частота следования импульсов до 100 кГц. Использование фемтосекундного лазера позволяет передавать энергию лазерного излучения любому стеклу независимо от наличия линейного поглощения на длине волны лазерного пучка [4].

Схема эксперимента представлена на рисунке 1. Лазерный пучок, проходя через ослабитель мощности, заводится системой поворотных зеркал в объектив с 50-кратным увеличением и фокусируется на образец, помещенный в миниатюрную печь с подсветкой, через кварцевое окно, закрывающее печь. Перемещение печи с образцом в плоскости образца проводилось моторизованным столиком.

Система

Внешний

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для локальной кристаллизации

фемтосекундным лазером

Использование внешнего генератора синхроимпульсов позволило плавно изменять частоту следования лазерных импульсов. Для изменения энергии импульса использовался ослабитель мощности пучка.

Облучение сфокусированным на глубине 100 мкм лазерным пучком проводилось как с нагревом в миниатюрной печи до 400 оС, так и при комнатной температуре. В результате воздействие на стекло разным количеством импульсов с заданной энергией были получены серии «точечных» областей, содержащих

микрокристаллы ЬаБОеОб. Время от начала облучения до появления кристаллического образования фиксировалось по зеленому свечению, возникавшему за счет генерации второй гармоники микрокристаллами. Полученные области исследовались методами спектроскопии комбинационного рассеяния, показавшей, что они содержат кристаллическую фазу ЬаБвеОб. Было обнаружено, что для зарождения кристалла на частоте следования импульсов 100 кГц при комнатной температуре оптимальная мощность лежит в интервале от 1,1 Вт до 1,84 Вт. В таких условиях микрокристаллы ЬаБОеО5 формируются за 2-4 с (рис.2). причем, при снижении энергии импульса время возникновения кристалла в выбранном участке стекла существенно увеличивается. При энергии импульса ниже 4 мкДж кристаллизация не наблюдалась. При повышении энергии импульса до 20 мкДж и более, происходит растрескивание стекла. Вопреки ожиданиям, предварительный нагрев стекла приводил к значительному замедлению образования кристаллов. Так, при частоте следования импульсов 100 кГц и температуре подогрева 400оС, оптимальное значение мощности составило 1-1,1 Вт, а время появления кристаллов

увеличилось до 30-40 с. При повышении средней мощности излучения, время появления кристаллов увеличивается, а при достижении значений выше 1,4 Вт, стекло растрескивается.

Рис. 2. Зависимость времени возникновения микрокристаллов ЬаБОеОг от средней мощности лазерного излучения

Частота,

Рис. 3. Зависимость времени возникновения микрокристаллов ЬаБОеОг от частоты следования импульсов лазерного излучения при средней мощности 1 Вт

С уменьшением частоты следования импульсов требуется существенно большее время для формирования микрокристаллов, причем зависимость времени от частоты имеет четко экспоненциальный характер. Так, при средней мощности в 1 Вт, время зарождения кристаллов на частоте 100 кГц в десятки раз меньше, чем при той же средней мощности на частоте 30 кГц (см. рисунок 3).

Таким образом, была проведена серия экспериментов по обнаружению минимального значения частоты следования импульсов, при которой возможен рост кристаллов ЬаБОеО5 в лантаноборогерманатном стекле при облучении неподвижным пучком лазера. При облучении в использованной конфигурации удалось получить микрокристаллы борогерманата лантана на частоте 9 кГц при энергии импульса 120 мкДж без дополнительного подогрева, что более чем в 20 раз меньше минимальной частоты следования импульсов в прежних работах по кристаллизации стекла фемтосекундным лазером (200 кГц).

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (грант 14.Z50.31.0009) и РФФИ (гранты 13-03-01018 и

14-03-00931).

ПЭВМ

Гельманова Татьяна Олеговна аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Лотарев Сергей Викторович к.х.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Липатьев Алексей Сергеевич аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Сигаев Владимир Николаевич д.х.н., профессор кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Казанский Петр Георгиевич к.ф-м.н., профессор университета Саутгемптона, Великобритания, Саутгемптон; руководитель Международного центра лазерных технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия Москва

Литература

1. Каминский А. А., Милль Б.В., Буташин А.В., Шигорин В. Д. / Стилвеллитовое стекло с ионами Nd3+ - новый лазерный материал // Изв. АН СССР. Неорганические материалы, Т.28, №9, 20252026.1992.

2. Takahashi, Y., Benino, Y., Fujiwara, T. and Komatsu, T. "Second harmonic generation in transparent surface crystallized glasses with stillwellite-type LaBGeO5," J. Appl. Phys. 89(10), 5282-5286 (2001).

3. Gupta, P., Jain, H., Williams, D. B., Kanert, O. and Kuechler, R., "Structural evolution of LaBGeO5 transparent ferroelectric nano-composites," J. Non-Crystalline Solids 349, 291-298 (2004).

4. S.M. Eaton, Topics in Applied Physics. 123, 3 (2012).

5. Stone A. Formation of ferroelectric single-crystal architectures in LaBGeO5 glass by femtosecond vs. continuous-wave lasers / Sakakura M., Shimotsuma Y., Stone G., Gupta P., Miura K., Hirao K., Dierolf V., Jain H. // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2010. - Vol. 356.- P. 3059-3065.

6. Stone A. Directionally controlled 3D ferroelectric single crystal growth in LaBGeO5 glass by femtosecond laser irradiation / Sakakura M., Shimotsuma Y., Stone G., Gupta P., Miura K., Hirao K., Dierolf V., Jain H. // Optical Society of America. - 2009. - Vol. 17 - Iss. 25. - P. 23284 - 23289.

Tatiana Olegovna Gelmanova*, Sergey Victorovich Lotarev, Alexey Sergeevich Lipatiev, Peter Kazansky, Vladimir Nikolaevich Sigaev

1 D.I. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

2 University of Southgampton, Southgampton, UK * e-mail: gelmanova@bk.ru

FEMTOSECOND LASER-INDUCED MICROCRYSTAL GROWTH CONDITIONS IN LANTHANUM BOROGERMANATE GLASS

Abstract

In the present work, we report the results of local laser-induced crystallization of lanthanum borogermanate glass by using a femtosecond laser. Dependence of LaBGeO5 crystal precipitation time on the laser beam parameters has been investigated. We have shown that the minimum pulse repetition frequency providing the crystal growth in lanthanum borogermanate glass decreases with increase of the pulse energy.

Key words: femtosecond laser; local crystallization; active dielectrics, glass.