С помощью прямой лазерной записи можно получать оптические микросхемы в объеме стекол и кристаллов, чтобы, например, создать на маленьком кусочке материала сотни микролазеров. Однако, физико-химические процессы, лежащие в основе лазерной записи изучены еще не так системно, чтобы надежно управлять ее режимами. Поэтому российские ученые из РХТУ и ИОФ РАН исследовали, что происходит при воздействии лазерного излучения на один из самых популярных оптических кристаллов — иттрий-алюминиевый гранат, и показали, что ключевую роль в прямой лазерной записи здесь играют пластические деформации. Работа опубликована в журнале Scientific Reports. Исследование поддержано Российским научным фондом.

Фемтосекундный лазер — с применением подобной у...

Фемтосекундный лазер — с применением подобной установки велась лазерная запись в экспериментах. Изображение: MIPT/Flickr, Creative Commons

Если на стекла или кристаллы направить сфокусированное и интенсивное лазерное излучение, то прямо внутри них можно нарисовать разные оптические структуры. Такой метод называют прямой лазерной записью. Часто в нем используют фемтосекундные лазеры, которые генерируют импульсы сверхмалой длительности в 10^(-13) секунды. Их интенсивность столь высокая, что если перемещать материал вдоль жестко сфокусированного фемтосекундного лазерного луча, то в определенной области внутри него будет изменяться химическая структура и, как следствие, показатель преломления. Так можно сделать оптический волновод — это аналог проводов на электрических микросхемах, только по волноводу распространяются не электроны, а оптические сигналы.

Для хорошего волновода нужно, чтобы показатель преломления однородно изменялся по всей его длине — так излучение будет двигаться по нему, как по трубе, и никуда не “вытекать”. Но чтобы точно управлять прямой лазерной записью, нужно хорошо понимать какие физико-химические процессы за ней стоят — что именно происходит с материалом, когда его облучают фемтосекундными лазерными импульсами. Однако, если причины изменения показателя преломления при записи в стеклах ученым уже понятны, то аналогичные явления в кристаллах изучены гораздо хуже, хотя они и больше подходят для создания оптических волноводов.

Поэтому ученые из Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и Института общей физики имени А.М. Прохорова Российской академии наук изучили процессы прямой лазерной записи в иттрий-алюминиевом гранате — популярном синтетическом кристалле для создания оптических микроструктур. Исследователи выяснили, что ключевую роль в них играют пластические деформации материала, вызванные лазерным излучением. “Человечество с незапамятных времен использует преимущества пластической деформации, например при ковке металла. Однако в нашем исследовании мы, возможно, впервые описываем пластическую деформацию, инициируемую не на поверхности кристалла, как обычно происходит при механическом давлении на образец, а внутри него», — прокомментировал сотрудник РХТУ и ИОФ РАН, один из авторов работы, Андрей Охримчук.

От дислокаций до лазеров

В работе ученые фокусировали лазерный луч внутри материала и постепенно перемещали его, изменяя от эксперимента к эксперименту скорость движения фокуса и энергию лазерного импульса. Затем исследователи смотрели, как от этих действий изменяется показатель преломления кристалла. Оказалось, что он значительно уменьшается в местах пластических деформаций, вызванных лазерным излучением, а интенсивность этого эффекта определяется образованием и скольжением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решетки.

Исследователи выделили три варианта пластических деформаций. В первом дислокации скользят свободно в объеме материала, во втором их становится так много, что они мешают перемещению друг друга, а в третьем концентрация дислокаций оказывается промежуточной и они образуют регулярные микроструктуры в кристалле. Сценарий же пластической деформации и, в конечном счете, показатель преломления модифицированного лазерным излучением участка граната, определяется прежде всего количеством лазерных импульсов, попадающих в одну точку — то есть задается режимом лазерной записи. Таким образом, ученые установили, как, меняя режим лазерной записи в иттрий-алюминиевом гранате, можно управлять структурой создаваемого в его объеме оптического волновода.

Визуализация процесса прямой лазерной записи в ...

Визуализация процесса прямой лазерной записи в иттрий-алюминиевом гранате. Исходное изображение: Scientific Reports/ Springer Nature. Creative Commons

Это может быть полезно для создания волноводных микролазеров. Обычный лазер представляет собой сложную систему оптических элементов, сердцем которой служит так называемая активная среда — оптический кристалл, размером от нескольких сантиметров, в котором при возбуждении генерируется и испускается излучение. Но вместо объединения сложных элементов создать лазер — или даже сотни микролазеров — можно и «нарисовав» его микросхему на кусочке оптического кристалла. Раньше ученые делали это с помощью электронной литографии или других дорогих и сложных методов, но в последнее время применяют прямую лазерную запись — достаточно как раз правильно настроить параметры записи и необходимую схему можно «нарисовать» за несколько минут.

«Предложенный нами механизм может быть актуален не только для иттрий-аллюминиевого граната, но и других кристаллов, что поспособствует исследованиям прямой фемтосекундной лазерной записи. Поэтому наши результаты могут сыграть важную роль в развитии подходов для создания микро- и наноструктур в кристаллах, которые востребованы при получении компактных лазерных источников для промышленности и медицины, оптических чипов для квантовых компьютеров, а также записи информации с неограниченным сроком хранения», — отметил Андрей Охримчук.

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками Международного центра лазерных технологий РХТУ им. Д.И. Менделеева и Института общей физики имени А.М. Прохорова Российской академии наук. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Статья: Fedotov, S. S., Butvina, L. N., & Okhrimchuk, A. G. (2020). Plastic deformation as nature of femtosecond laser writing in YAG crystal. Scientific reports, 10(1), 1-11. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-76143-w