Влияние параметров лазерного пучка на локальное двулучепреломление в кварцевом стекле Текст научной статьи по специальности «Физика»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_

УДК 666.1.001.5:538.911:535.552

С.С. Федотов1*, С.В. Лотарев1, А.С. Липатьев1, И.С. Глебов1, А.И. Курина1, Казанский П.Г.1'2, Сигаев ВН.1

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 2Университет Саутгемптона, Великобритания *email: monteske@mail.ru

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА НА ЛОКАЛЬНОЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В КВАРЦЕВОМ СТЕКЛЕ

Аннотация

В объеме кварцевого стекла фемтосекундным лазерным пучком сформированы области с локальным поляризационно-зависимым двулучепреломлением (нанорешетки). Установлена зависимость суммарной энергии лазерного излучения, требуемой для формирования нанорешетки с заданными параметрами, от энергии импульса. Исследовано влияние частоты следования лазерных импульсов на величину двулучепреломления нанорешеток.

Ключевые слова: кварцевое стекло, лазерное модифицирование, нанорешетки, двулучепреломление

Несколько лет назад было впервые продемонстрировано образование ориентированных периодических наноструктур, обладающих отрицательным двулучепреломлением, (так называемых нанорешеток) в модифицированных сфоркусированным, линейно поляризованным пучком фемтосекудного лазера микрообластях в объеме кварцевого стекла [1]. Их ключевой особенностью является перпендикулярная ориентация «медленной» оси двулучепреломления относительно поляризации сформировавшего нанорешетку фемтосекундного пучка, а также зависимость степени двулучепреломления, определяемого как возникающий при прохождении через нанорешетку фазовый сдвиг между обыкновенной и необыкновенной компонентами света, от параметров этого пучка. Хотя механизм образования таких структур до сих пор является предметом дискуссии [1-3] уже предложены различные варианты практического применения нанорешеток в том числе сверхстабильная многоуровневая оптическая память [4]. Для развития технологии оптической памяти на основе нанорешеток необходимо не только выявление механизма процесса модифицирования, но и детальное изучение влияния условий облучения на возможность формирования и свойства нанорешеток. До сих пор не проводились подробные исследования пороговых значений суммарной энергии фемтосекундных импульсов, требуемой для образования нанорешетки, хотя эта характеристика имеет большое практическое значение для разработки методик быстрой записи массивов нанорешеток. В данной работе впервые изучены диапазоны энергии и количества импульсов, которые позволяют сформировать в кварцевом стекле нанорешетки.

Исследование проводилось на полированных образцах кварцевого стекла марки КУ. В качестве источника излучения использовался фемтосекундный

лазер PHAROS фирмы Light Conversion (Х=1030 нм) с энергией импульса до 200 мкДж и частотой следования импульсов до 500 кГц. Лазерный пучок фокусировался в стекло на глубине 30 мкм от поверхности асферической линзой 40x c числовой апертурой 0,55. Стекло модифицировалось пачками импульсов длительностью 600 фс с варьированием их количества, энергии и частоты следования импульсов. Количество импульсов менялось в диапазоне от 4 до 47, энергия в импульсе - от 30 до 304 нДж, частота следования - от 25 до 400 кГц. Величина фазового сдвига (в нм) на нанорешетке и ориентация «медленной» оси регистрировались с помощью системы количественного анализа двулучепреломления Abrio Microbirefringence на базе микроскопа Olympus BX-51. Количественный анализ полученных данных производился в программном пакете Matlab R2010a

В качестве нижнего порога образования нанорешетки был принят фазовый сдвиг 20 нм, так как при меньших значениях увеличивается разброс, и возрастает вклад слабого двулучепреломления, обусловленного напряжениями вокруг

модифицированной области стекла и не зависящего от поляризации пучка. В согласии с литературными данными [5], было показано, что фазовый сдвиг в исследованных образцах возрастал как при увеличении количества импульсов с постоянной энергией импульса, так и при увеличении энергии импульса для постоянного числа импульсов, до тех пор, пока модифицированная область не начинает плавиться, что приводит к исчезновению поляризационно-зависимого двулучепреломления. Ключевым новым результатом стали неожиданные зависимости суммарной энергии импульсов, поданных в модифицируемую область, которая требуется для получения нанорешетки с заданным фазовым сдвигом, от энергии этих импульсов (рис. 1).

Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7

Рис. 1. Линии равного фазового сдвига для различных сочетаний числа импульсов и энергии импульса (слева) или суммарной энергии (справа) при частоте следования импульсов 25 кГц

Эксперименты показали, что при уменьшении энергии импульсов требуемое значение суммарной энергии монотонно увеличивается. Другими словами, малое количество мощных импульсов энергетически оказывается существенно эффективнее для формирования нанорешетки, чем большое количество слабых импульсов, причем диапазон изменения суммарной энергии пучка, вызывающей одинаковый эффект, варьируется в пределах двух порядков. Эта особенность, безусловно, выгодна для повышения скорости записи нанорешеток с заданными параметрами. Однако превышение определенного порога энергии импульса приводит к локальному разрушению облученной области, образованию существенных напряжений и микротрещин.

Увеличение частоты следования импульсов не меняет характера полученных зависимостей, но приводит к сужению области образования нанорешеток по энергии и количеству импульсов. Такое поведение, очевидно, является следствием усиления теплового эффекта на высоких частотах следования. С одной стороны, при прочих равных условиях увеличение частоты следования импульсов приводит к уменьшению фазового сдвига в сформированных нанорешетках (рис. 2). С другой стороны, энергетический порог плавления при этом также понижается, что приводит к заметному

уменьшению максимального фазового сдвига, который может быть получен в нанорешетке. Таким образом, в системах записи цифровых данных в нанорешетках потребуется выбор оптимального значения частоты следования записывающих фемтосекундных импульсов.

—

50

—I—

ни ist гсв ао эм йо ля Частота следования имлухыюв,

Рис. 2. Зависимость фазовой задержки от частоты следования импульсов при постоянной дозе энергии (28мкДж)

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (грант №14. Z50.31.0009).

—I—

zw

—I

150

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 2-ой категории Лаборатории лазерного нанострутктурирования стекла РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Глебов Иван Сергеевич, начальник Лаборатории лазерного нанострутктурирования стекла РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Курина Алена Игоревна, студентка 3 курса 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, Россия, Москва

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

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7_

Литература

1. Shimotsuma Y. Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses // Phys. Rev. Lett. - 2003. V.91(24) - p.247405.

2. Canning A. Anatomy of a femtosecond laser processed silica waveguide // Opt. Mater. Exp. -2011. Vol.1. №5. -p.998 - 1009

3. Richter S. Enhanced formation of nanogratings inside fused silica due to the generation of self-trapped excitons induced by femtosecond laser pulses // SPIE Proc. - 2012. Vol.8247. - p.82470N

4. Zhang J. 5D data storage by ultrafast laser nanostructuring in glass // Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO 2013), San Jose, CA, USA, Jun 2013, page CTh5D.9.

5. Richter S. Nanogratings in fused silica: Formation, control, and applications // J. Laser Applications. - 2012. - Т. 24. - №. 4. - С. 042008.

Sergey Sergeevich Fedotov1*, Sergey Victorovich Lotarev1, Alexey Sergeevich Lipatiev1, Ivan Sergeevich Glebov1, Alena Igorevna Kurina1, Peter Kazansky1,2, Vladimir Nikolaevich Sigaev1

1D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 2University of Southampton, Southampton, UK *email: monteske@mail.ru

INFLUENCE OF PARAMETERS OF THE LASER BEAM ON LOCAL BIREFRINGENCE INSIDE FUSED SILICA

Abstract

Regions possessing of local polarization-dependent birefringence (nanogratings) have been formed inside silica glass by the femtosecond laser beam. Dependence of the sum energy of the laser radiation required for formation of a nanograting with predetermined characteristics on the pulse energy is revealed. Influence of the pulse repetition rate on the birefringence of nanogratings is determined.

Key words: fused silica, laser-induced modification, nanogratings, form birefringence