CC BY
17
УДК 666.266.6:66.047.72:620.22
Михайлов А.А., Федотов С.С., Степко А.А., Пиянзина К.И., Лотарев С.В., Сигаев В.Н.
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОПОРИСТОГО СТЕКЛА НА ЛАЗЕРНУЮ ЗАПИСЬ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ В ОБЪЕМЕ СТЕКЛА
Михайлов Антон Александрович - студент 2 курса магистратуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, РХТУ им. Д. И. Менделеева, email: mikhavlov@muctr.ru; Федотов Сергей Сергеевич - к.х.н., инженер Международного центра лазерных технологий, РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва;
Степко Александр Александрович - начальник сектора лаборатории разработки и исследования стеклокомпозитов на основе неорганических связующих, АО "Композит", Россия, Королёв Пиянзина Ксения Ивановна - студентка 2 курса аспирантуры факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, 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;
Сигаев Владимир Николаевич - д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1
В данной работе изучено влияние условий синтеза нанопористого стекла на формирование двулучепреломляющих микрообластей под действием фемтосекундного лазерного излучения. Определен оптимальный режим ликвационной термообработки натриевоборосиликатного стекла для получения нанопористого стекла с наиболее подходящей пористостью для записи и хранения оптической памяти. Определены режимы лазерного модифицирования стекла, вызывающие образование поляризационно-зависимых двулучепреломляющих микроструктур.
Ключевые слова: нанопористое стекло, лазерное модифицирование, ФС лазер, двулучепреломление, оптическая память.
INFLUENCE OF NANOPOROUS GLASS SYNTHESIS CONDITIONS ON LASER WRITING OF BIREFRINGENCE INSIDE GLASS
Mikhaylov A.A., Fedotov S.S., Stepko A.A., Piyanzina K.I. Lotarev S.V., Sigaev V.N. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In present study, the influence of nanoporous glass synthesis conditions on birefringent microstructures inscription via femtosecond laser pulses was investigated. Optimal liquation temperature of sodiumborosilicate glass to obtain nanoporous glass with the most convenient porosity for optical data stogare was found. Optimum laser writing regimes for inscription ofpolarization-dependent birefringent microstructures are determined Key words: nanoporous glass, laser modification, FS laser, birefringence, оptical memories.
С древних времен человечество стремится сохранить достижения своего развития и культуры для будущих поколений. За все это время носители информации принимали самые различные виды: от стен пещер до миниатюрных флеш-накопителей. Основной проблемой носителей информации является их недолговечность и чувствительность по отношению к внешним условиям. Одним из наиболее перспективных материалов для записи и долговременного хранения информации является стекло. Это связано с его высокой термической стабильностью, оптическими характеристиками и химической стойкостью. Работы в данном направлении ведутся последние 20 лет. За это время был предложен ряд подходов к записи информации на основе создания областей с измененным показателем преломления, люминесцирующих областей, формируемых в объеме стекла с помощью фемтосекундного (фс) лазера. Революционным подходом стало использование в качестве единиц хранения информации двулучепреломляющих структур, величина двулучепреломления которых, определяемая как фазовый сдвиг в проходящем
через них свете, и ориентация медленной оси зависят от параметров лазерного излучения и направления плоскости поляризации пучка света. Варьируя данные параметры, можно управлять параметрами двулучепреломления, таким образом, записывая в одной точке несколько бит информации, что существенно повышает плотность записи данных. Основным объектом этих исследований служило кварцевое стекло, ставшее первым материалом, в котором были записаны нанопериодические микрообласти с управляемым двулучепреломлением (нанорешетки) [1]. Однако, на формирование в кварцевом стекле одной двулучепреломляющей области требуется не менее 20-30 фс импульсов, что принципиально ограничивает скорость записи. Исследование процессов формирования двулучепреломления в нанопористом высококремнеземистом стекле показали, что в нем также возможна запись областей с управляемым двулучепреломлением, но минимальное количество импульсов, необходимое для этого, может быть снижено до 3-4 [2], а воздействие фс импульса, разложенного в короткую
последовательность импульсов с интервалами —100 нс (гребенку) позволяет уменьшить это число до 1 [3]. Открытым вопросом остается влияние теплового прошлого, количества и размера нанопор на величину двулучепреломления и его статистические параметры. Изучению данного аспекта посвящена настоящая работа.
В данной работе была синтезирована серия образцов нанопористого стекла (НПС) с различной пористостью. В качестве исходного материала использовалось стекло натриевоборосиликатной системы с молярным составом 68% БЮ2, 27% В203, 4% №20, 1% А120. Данный состав лежит в области метастабильной ликвации [4], что позволяет получить путём ликвационной термообработки фазово- разделённое стекло со взаимопроникающей ликвационной структурой, состоящее из высококремнеземистой и натриевоборатной фаз. Основным параметром, влияющим на конечную пористость, является температура ликвационной обработки. Серия образцов
натриевоборосиликатного стекла была
термообработана в интервале 500-550°С Выдержка ликвировавшего стекла в растворе кислот позволяет селективно вытравить натриевоборатную фазу и получить высококремнеземистый материал с открытой канальной пористостью, НПС.
Для экспериментов по лазерному модифицированию использовался фемтосекундный лазер Pharos SP. Лазерное излучением фокусировалось объективом Olympus 50Х (N.A. = 0.65) в объёме образца на глубине 100 мкм. Частота следования импульсов составляла 250 кГц, а длительность импульса - 180 фс. Энергия импульса варьировалась в пределах 20-420 нДж, с шагом 20 нДж, а число импульсов на точку - от 2 до 1000000, в интервале от 2 до 10 с шагом в 2, а в интервале 101000000 с множителем 10. В каждом режиме было записано три точки с поляризацией лазерного пучка поляризациях 0° 45° 90°. Измерение параметров двулучепреломления модифицированных областей проводилось с помощью поляризационного оптического микроскопа Olympus BX61 с приставкой Abrio для количественного микроанализа двулучепреломления.
После обработки результатов измерения были построены тепловые карты зависимости величины фазового сдвига от энергии и количества импульсов. Представленные на рисунке 1 значения фазового сдвига были получены усреднением фазового сдвига по трем точкам, записанным с различной поляризацией.
со
О sj
t Ё I—1
л
О
е
'•J (U
¡У О
1000000 100000 10000 1000 100 10 8 6 4
2" О
1000000 100000 10000 1000 100 10 8 6 4
1000000 100000 10000 1000 100 10
1 к
1 В
Энергия импульса, нДж
Рисунок 1. Тепловые карты величины фазового сдвига для образцов НПС, полученных из стекла с ликвационной термообработкой при А) 500°С, Б) 515°С, В) 520°С, Г) 525°С, Д) 530°С, Е) 550°С.
Анализ полученных зависимостей показал, что максимальный фазовый сдвиг немонотонно зависит от температуры ликвационной термообработки исходного стекла и принимает максимальное значение 270 нм в случае термообработки при 520°С. Для образца НПС-520 максимальное двулучепреломление достигается при меньшем
числе записывающих импульсов, чем для остальных образцов. Таким образом, полученная поровая структура в данном образце лучше всего подходит для формирования двулучепреломляющих структур. При дальнейшем повышении температуры наблюдается постепенное снижение фазового сдвига, вплоть до максимального значения в 94 нм,
Б
что втрое меньше, чем для образца НПС-520. Также наблюдается неравномерность зависимости фазового сдвига от параметров лазерного модифицирования. Для всех исследованных образцов нанопористого стекла удалось найти режимы модифицирования, при которых двулучепреломляющая структура образуется уже под действием двух фемтосекундных импульсов.
Для применения в оптической памяти с многоуровневым кодированием ключевой особенностью является зависимость ориентации
двулучепреломления от ориентации плоскости поляризации лазерного пучка. Для выявления оптимальных режимов записи двулучепреломления анализировалось отклонение между направлением медленной оси полученных микрообластей и поляризацией записывающего лазерного пучка. Критерием приемлемого режима было выбрано отклонение не более чем на 10° от заданного. Режимы модифицирования, при которых было выполнено это условие, соответствуют светлым областям на рис. 2.
1000000 100000 10000 1000 100 10 s
6 +
Г<| П ГО
Энергия импульса, нДж
Рисунок 2. Карты режимов лазерного модифицирования НПС 500-550 с зависимой ориентацией медленной оси образованных двулучепреломляющих микроструктур, где температура ликвационной обработки составила
А) 500°С, Б) 515°С, В) 520°С, Г) 525°С, Д) 530°С, Е) 550°С.
Для образцов с ликвационной обработкой при 520 С наблюдается самый широкий интервал параметров записи, позволяющий управление ориентацией медленной оси двулучепреломления образованных наноструктур с заданной точностью. При увеличении температуры ликвационной термообработки наблюдается резкое увеличение разброса ориентации медленной оси.
Таким образом, в данной работе получены данные о формировании двулучепреломляющий структур в объеме НПС, прошедших ликвационную термообработку при различных температурах. Показано, что оптимальной средой для записи информации является НПС, прошедшее термообработку при 520°С, как с точки зрения скорости формирования двулучепреломления, так и с точки зрения отклонения угла медленной оси двулучепреломления от заданного. В дальнейшем планируется проведение работ по подбору оптимальных режимов записи с минимальным
стандартным отклонением параметров
записываемых микроструктур от заданных, что обеспечит надежность считывания информации.
Список литературы
1. Zhang J. et al. Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass //Physical review letters. - 2014. - Т. 112. - №. 3. - С. 033901.
2. Lipatiev A. S. et al. Multilevel data writing in nanoporous glass by a few femtosecond laser pulses //Applied optics. - 2018. - Т. 57. - №. 4. - С. 978-982.
3. Fedotov S. S. et al. 3-bit writing of information in nanoporous glass by a single sub-microsecond burst of femtosecond pulses //Optics letters. - 2018. - Т. 43. -№. 4. - С. 851-854..
4. Полякова И.Г. Нижняя и верхняя границы области метастабильной несмешиваемости в системе Na2O-B2O3-SiO2 // Физика и химия стекла. - 1997. - Т.23, №1. - С. 68-84.
