Локальная модификация оптических свойств пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат наук Костюк Галина Кирилловна

• Костюк Галина Кирилловна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Костюк Галина Кирилловна

Содержание

Введение

Глава 1. Лазерная локальная модификация свойств и структуры

прозрачных диэлектриков

1.1 Лазерная модификация структуры прозрачных диэлектриков

1.2 Обоснование возможности локальной модификации структуры в пластинах пористого стекла

1.2.1 Пористое стекло: изготовление, особенности структуры

1.2.2 Предпосылки локальной модификации свойств в пластинах пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением

1.2.3 Роль взаимодействия кремнеземного каркаса и воды, содержащейся в каналах пористого стекла

1.3 Выводы к главе

Глава 2. Экспериментальные исследования лазерной локальной

модификации пластин ПС под действием излучения малой

мощности

2.1 Методика экспериментальных исследований

2.2 Исследование строения локально-модифицированных областей в пластинах ПС оптическими методами

2.3 Определение оптических характеристик ЛМО в пластине ПС

2.4 Формирование ЛМО в пластинах ПС, пропитанных глицерином

2.5 Качественное описание процессов формирования ЛМО

2.6 Дополнительные экспериментальные исследования по проверке предположения о формировании ЛМО в пластинах ПС

2.6.1 Формирование ЛМО в пластинах МАП стекла

2.6.2 Обсуждение результатов

2.6.3 Моделирование процесса перемещения молекул в водном растворе глицерина под действием лазерного излучения малой мощности, слабопоглощаемого раствором

2.7 Изменение свойств ЛМО в пластинах ПС в зависимости от длительности хранения

2.8 Выводы к главе

Глава 3. Герметизация ПС при стабилизации их оптических 73 свойств

3.1 Герметизация ПС спеканием

3.2 Стабилизация оптических свойств МОЭ спеканием

3.3 Исследование влияния спекания пластин ПС с ЛМО на строение

ЛМО

3.4 Определение оптических характеристик ЛМО после спекания

пластин ПС с ЛМО

3.5 Герметизация пластин ПС с сохранением пористой структуры материала

3.6 Технологический процесс герметизации пластин ПС тонкими уплотненными слоями с широких поверхностей

3.6.1 Методика эксперимента по созданию термоуплотненных слоев

3.6.2 Исследование герметизации ПС тонкими уплотненным слоями на старение

3.6.3 Обсуждение результатов

3.7 Выводы к главе

Глава 4. Практические применения

4.1 Применение микросфер

4.2 Применение пластин пористого стекла с термоуплотненными слоями

Заключение

Список литературы

Приложение

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Локальная модификация оптических свойств пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением»

Актуальность работы, постановка целей и задач работы

Возникновение и развитие фотоники уже сегодня требует создания фотонных чипов, аналогичных полупроводниковым чипам в микроэлектронике. Функциональные элементы фотонных чипов создаются на основе локальной модификацией структуры материала [1, 2], приводящей к управляемому изменению его оптических, электрических, химических, механических и других свойств.

Сегодня активно развиваются лазерные методы локальной модификации структуры оптических материалов. Поиск материалов, в которых можно быстро и управляемо изменять контролируемым действием лазерного излучения их основные характеристики стал как никогда актуальным [3, 4].

Весьма интересной матрицей для создания перспективных фотонных элементов и устройств являются нано- и микропористые кварцевые стекла. Пористые стекла (ПС) можно отнести к термодинамически неустойчивым средам из-за их сильно развитой поверхности, большой свободной энергии, не замкнутым связям и, как следствие этого, склонностью к присоединению дополнительных атомов (адсорбции газов), а также встраиванию атомов из жидкости и т.д. Особенностью ПС является возможность локального бесконтактного управления их свойствами за счет фотофизического и термохимического воздействия лазерного излучения. Благодаря этому они предоставляют широкие возможности создания разнообразных элементов и устройств нано- и микрофотоники, микроэлектронных, микромеханических, микроаналитических и иных приложений на базе единой оптически, электрически, химически и механически прочной матрицы кварца. Лазерные методы привлекательны их возможностью создавать элементы фотонных устройств в объеме материала. Это возможно при условии проникновения лазерного излучения на заданную глубину, что означает оптическую прозрачность материала для длины волны используемого лазерного излучения.

В настоящее время, наименее изученным направлением является создание локальных модифицированных областей (ЛМО) сложного строения в объеме стекла или стеклообразного материала. Особое внимание, которое уделяется этому направлению в последние годы, обусловлено тем, что сложное строение ЛМО позволит не только значительно расширить диапазон оптических характеристик ЛМО, но и объединить различные функции, например, фокусировки и рассеяния излучения различными частями ЛМО.

Доминирующее положение в создании ЛМО в объеме стекла и стеклообразного материала занимают технологии, основанные на применении лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульса. Однако, для этих технологий характерны высокая стоимость и сложность оборудования для их реализации. Поэтому создание доступных лазерных технологий формирования ЛМО при меньшей мощности формирующего излучения, порядка 104 -105 Вт/см2, и при больших длительностях импульса ~ 10-1 - 10-9 с или - даже при непрерывном излучении является чрезвычайно актуальным.

Хорошо известно, что процессы, протекающие при лазерном формировании ЛМО в стекле или стеклообразном материале обусловлены не только характеристиками пучка лазерного излучения, например длиной волны, плотностью мощности, длительностью и частотой следования импульсов, но также особенностями состава и структуры материала [1-3].

Исследования возможности создания микрооптических элементов (МОЭ) на плоскопараллельных пластинах ПС лазерным излучением, проведение которых на кафедре ЛТС началось с середины 80-х годов, а также детальное исследование их свойств и оптических характеристик МОЭ совместно с Институтом химии и силикатов им. И. В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН), позволило предположить, что ПС может стать именно тем материалом, формирование ЛМО в объеме которого будет возможно при меньшей мощности излучения.

Целью диссертационной работы является создание локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в объеме пластин пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением и исследование этих свойств.

Задачи:

1. Экспериментально определить параметры лазерного излучения, при которых происходит формирование ЛМО;

2. Исследовать геометрические и оптические характеристики ЛМО, а также ее строение;

3. Исследовать длительность существования ЛМО и предложить методы стабилизации свойств ЛМО при эксплуатации и хранении;

4. Предложить качественное описание процесса формирования ЛМО;

5. Экспериментально подтвердить предположение формирования ЛМО за счет перемещения глобул вторичного кремнезема в центр области облучения.

Методы исследования и материалы

Основным методом исследования является экспериментальное исследование

режимов создания локальных областей с модифицированными оптическими

свойствами в пористом стекле низкоинтенсивным лазерным излучением. При

этом, мощность падающего на пластину ПС и прошедшего сквозь нее излучения в

ходе процесса создания ЛМО определялось измерителями оптической мощности

Gentec Solo-2M, оснащенным пироэлектрическим детектором мощности UP19K -

110F-H9 с точностью 1% от измеряемой величины и эквивалентом мощности

шума ~1мВт. Определение температуры в плоскости формирования ЛМО в ходе

ее создания осуществлялось тепловизионной камерой Flip Titanium 520 M. Для

исследования свойств ЛМО использованы оптические и поляризационные

методы, в том числе и основанные на изучении в спектрах

пропускания/отражения отдельных частей ЛМО в диапазоне длин волн 350-

900 нм. Спектры пропускания и отражения были получены на МСФУ-КЮ-

30.54.072. Оптические и поляризационные исследования были выполнены на

оптическом микроскопе Carl Zeiss Axio Imager. Для исследования структуры

поверхности термоуплотненных слоев был использован атомно-силовой

6

микроскоп Solver PRO-M.

Научная новизна работы

1. Впервые показана возможность создания локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в объеме пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением.

2. Впервые предложена и экспериментально подтверждено предположение о формировании ЛМО за счет перемещения глобул вторичного кремнезема в центр области облучения.

3. Впервые показана возможность сохранения сложной развитой структуры ПС между термоуплотненными слоями, созданными на широких поверхностях пластин ПС, в течение длительного времени.

Практическая значимость работы

Предложен и опробован метод создания локальных областей с модифицированными оптическими свойствами в объеме пористого стекла низкоинтенсивным лазерным излучением. Такие области могут быть применены в качестве микрооптических элементов различного назначения.

Предложен и опробован метод пассивации пористого стекла для защиты от химической деградации и старения. Метод позволяет получить тонкий уплотненный слой на поверхности пористого стекла, не изменяющий оптических характеристик, и полностью изолирующий его объем от проникновения влаги и загрязнений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При воздействии на микропористое стекло лазерного излучения на длине волны ~1 мкм с плотностью мощности q = (1^3)-104 Вт/см2, длительности воздействия 270-300 с, при котором изменение температуры в области воздействия не превышает ~ 1°С, в объеме ПС формируется локальная область, обладающая фокусирующими оптическими свойствами.

2. Возникновение ЛМО, фиксируемое в конце процесса облучения, вполне

вероятно обусловлено перемещением глобул вторичного кремнезема,

заполняющих каналы пористого стекла в центр области облучения с

7

максимальным значением интенсивности лазерного излучения.

3. Создание на широких поверхностях пластины ПС тонких уплотненных слоев позволяет сохранить тонкую, развитую структуру ПС, которую нарушает спекание в печи.

Личный вклад автора

Все приведенные в диссертации результаты исследований, составляющие ее научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Достоверность результатов исследований, составляющих основу настоящей диссертационной работы подтверждается их воспроизводимостью, а также использованием обоснованных и апробированных физических методов, при их изучении и объяснении. Анализ данных, полученных экспериментальным путем, выполнен с учетом общепринятых методов обработки результатов, обеспечивающих их достоверность.

Апробация результатов работы

Материалы, изложенные в настоящей диссертационной работе, были представлены на научных конференциях всероссийского и международного уровня: II Международный форум по нанотехнологиям «RUSNANOTECH», 0608.10.2009, Москва, РФ; III Международная научная конференция «наноструктурные материалы - 2012: Россия - Украина - Беларусь», 1922.11.2012, СПб, РФ; Международная научная конференция-школа "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение", 04-07.10.2011; 02-05.10.2012; 01-04.10.2013; 14-17.10.2014, г. Саранск, РФ; Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» (FLAMN-13), 24-28.06.2013, СПб, РФ; The 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM 2014), 1720.06.2014, Vilnius, Lithuania; IV международная конференция по фотонике и информационной оптике, 28-30.01.2015, г. Москва, РФ.

Работа была поддержана следующими грантами: РФФИ (проекты № 1202-33144, № 16-32-00174-мол_а), государственным контрактом № 11.519.11.4017

8

от 21.10.2011, грантом президента РФ для ведущей научной школы № 619.2012.2, Российским научным фондом № 340689.

Публикации

Основная часть материалов диссертационной работы отражена в 22 научных работах, опубликованных за последние 5 лет, общим объёмом 7.38 печатных листов, в том числе в 12 статьях в научных журналах и изданиях из перечня ВАК, Web of Science и Scopus, и в 3 патентах.

Результаты работы опубликованы в научных журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, Web of science и Scopus:

1. Антропова Т.В. Особенности формирования планарных микрооптических элементов на подложках из пористого стекла под действием лазерного излучения и последующего спекания [Текст] / Антропова Т.В., Вейко В.П., Костюк Г.К., Гирсова М.А., Анфимова И.Н., Чуйко В.А., Яковлев Е.Б. // Физика и химия стекла, 2012. - Т. 38. - № 6. - С. 699-717 (1,19 п.л. / 0,17 п.л.).

2. Костюк Г.К. Структурные изменения в пористых стеклах под действием лазерного излучения при "холодном" и термическом уплотнении [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Антропова Т.В., Яковлев Е.Б., Анфимова И.Н. // Стекло и керамика, 2012. - № 12. - С.: 3-7 (0,31 п.л. / 0,06 п.л.).

3. Костюк Г.К. Лазерно-индуцированное локальное изменение оптических свойств щелочно-боросиликатных стеклах [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Антропова Т.В., Яковлев Е.Б., Анфимова И.Н. // Физика и химия стекла, 2013. - Т. 39. - № 3. - С.: 395-407 (0,81 п.л. / 0,16 п.л.).

4. Костюк Г.К. Формирование модифицированных областей под действием лазерного излучения пропитанных глицерином силикатных пористых стекол [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Яковлев Е.Б. // Физика и химия стекла, 2013. - Т. 39. - № 5. - С.: 691-703 (0,81 п.л. / 0,27 п.л.).

5. Костюк Г.К. Природа модифицированных областей в объеме стекла, индуцированных лазерным излучением с длиной волны, слабо поглощаемой стеклом [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Яковлев Е.Б. // Перспективные

материалы, 2013. - № 9. - С.: 43-53 (0,69 п.л. / 0,23 п.л.).

9

6. Заколдаев Р.А. Определение оптических характеристик локально модифицированных областей сложного строения в объеме кварциодного стекла [Текст] / Заколдаев Р.А., Сергеев М.М., Костюк Г.К., Яковлев Е.Б. // Стекло и керамика, 2013. - № 11. - С.: 13-18 (0,38 п.л. / 0,09 п.л.).

7. Zakoldaev R.A. Forming microoptical elements of extended form in the bulk of porous glass plates, sodden with glycerol water solution under the laser irradiation [Текст] / Zakoldaev R.A., Sergeev M.M., Kostyuk G.K. // Proceedings of SPIE, 2013. - Vol. 9065. - Р.: 90650P-6 (0,38 п.л. / 0,13 п.л.).

8. Заколдаев Р.А. Особенности структурных изменений в пористом стекле под действием лазерного излучения при "холодном" термоуплотнении [Текст] / Заколдаев Р.А., Сергеев М.М., Костюк Г.К. // Стекло и керамика, 2014. - № 6. -С.: 7-11 (0,31 п.л. / 0,10 п.л.).

9. Заколдаев Р.А. Лазерное формирование волноводных структур в объеме пластин пористого стекла, пропитанного водным раствором глицерина [Текст] / Заколдаев Р.А., Сергеев М.М., Костюк Г.К., Яковлев Е.Б. // Известия вузов. Приборостроение, 2014. - Т. 57. - № 6. - С.: 41-46 (0,38 п.л. / 0,09 п.л.).

10. Kostyuk G.K. The processes of modified microareas formation in the bulk of porous glasses by laser radiation [Текст] / Kostyuk G.K., Sergeev M.M., Yakovlev E.B. // Laser Physics, 2015. - Vol. 25. - No. 6. - Р.: 066003-10 (0,63 п.л. / 0,21 п.л.).

11. Сергеев М.М. Лазерная пассивация пористого стекла для защиты от химической деградации и старения [Текст] / Сергеев М.М., Костюк Г.К., Заколдаев Р.А., Яковлев Е.Б. // Физикохимия поверхности и защита материалов, 2015. - Т. 51. - № 3. - С.: 314-322 (0,56 п.л. / 0,14 п.л.).

12. Костюк Г.К. Моделирование процесса массопереноса в водном растворе глицерина под действием лазерного излучения малой мощности [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Заколдаев Р.А., Яковлев Е.Б. // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 9. С. 1-7 (0,44 п.л. / 0,11 п.л.).

Другие публикации:

13. Сергеев М.М. Лазерно-индуцированное локальное изменение оптических

свойств пористых силикатных стекол [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М.,

10

Антропова Т.В. // Материалы 10-ой Всероссийской конференция c элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, Республика Мордовия, Россия, - 2011. - С. 84 (0,06 п.л. / 0,02 п.л.).

14. Костюк Г.К. Локальная модификация пористых силикатных стекол под действием слабопоглощаемого лазерного излучения [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Антропова Т.В., Анфимова И.Н. // Материалы 11-ой Всероссийской (с международным участием) конференции с элементами научной школы для молодежи «материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, Республика Мордовия, Россия, - 2012 г. - С. 74 (0,06 п.л. / 0,02 п.л.).

15. Zakoldaev R.A. The local modification in the bulk of porous glass of glycerin under laser radiation [Текст] / Zakoldaev R.A., Sergeev М.М., Kostyuk G.K. // FLAMN13: Book of Abstracts, St. Petersburg, - 2013. - C. 69 (0,06 п.л. / 0,02 п.л.).

16. Sergeev М.М. Dynamics of change of optical characteristics of water solution of glycerin in the field of laser radiation [Текст] / Sergeev М.М., Zakoldaev R.A., Ovchinnikov I.A., Kostyuk G.K. // FLAMN13: Book of Abstracts, St. Petersburg. -

2013. - C. 57 (0,06 п.л. / 0,02 п.л.).

17. Veiko V.P. Laser densification of porous glasses for multiple photonics applications [Текст] / Veiko V.P., Kostyuk G.K., Sergeev M.M., Yakovlev E.B., Zakoldaev R.A. // Abstracts of the 15th International Symposium on LPM14, Vilnius, -

2014. - C. 137 (0,06 п.л. / 0,01 п.л.).

18. Костюк Г.К. Лазерное термоуплотнение поверхности пористого стекла [Текст] / Сергеев М.М., Костюк Г.К., Заколдаев Р.А., Яковлев Е.Б. // Материалы 13-ой Международной научной конференции-школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, Республика Мордовия, Россия, - 2014. - С. 117 (0,06 п.л. / 0,02 п.л.).

19. Костюк Г.К. Лазерно-индуцированное формирование мирооптических

элементов на поверхности стекла [Текст] / Костюк Г.К., Сергеев М.М.,

Заколдаев Р.А., Яковлев Е.Б. // Материалы V Международной конференции по

11

фотонике и информационной оптике, Москва, - 2015. Типография НИЯУ МИФИ. - С. 278-279 (0,13 п.л. / 0,03 п.л.).

Патенты:

20. Пат. 2474849 Российская Федерация, МПК-2006.01: С02Б 6/13; С03В 19/01. Способ изготовления планарного волновода / Антропова Т.В., Анфимова И.Н., Вейко В.П., Гирсова М.А., Костюк Г.К., Яковлев Е.Б.; заявитель и патентообладатель Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО). - № 2474849; заявл. 27.07.2011; опубл. 10.02.2013, Бюл. №4. - 11 с., 12 ил., 1 табл. (0,69 п.л. / 0,12 п.л.).

21. Пат. 2531222 Российская Федерация, МПК-2006.01: С02Б 6/10; С03С 23/00; Н01Р 11/00. Способ изготовления объемного волновода / Костюк Г.К., Сергеев М.М., Заколдаев Р.А., Вейко В.П., Яковлев Е.Б; заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. - № 2013132456; заявл. 12.07.2013; опубл. 20.10.2014, Бюл. № 29. - 20 с.: ил. (1,25 п.л. / 0,25 п.л.).

22. Пат. 2554595 Российская Федерация, МПК-2006.01: С02Б 5/00. Способ изготовления микрооптического растра / Сергеев М.М., Заколдаев Р.А., Костюк Г.К., Яковлев Е.Б., Вейко В.П.; заявитель и патентообладатель Университет ИТМО. - № 2013155857; заявл. 16.12.2013, опубл. 27.06.2015, Бюл. № 18. - 110 с.: ил. (6,88 п.л. / 1,38 п.л.).

Структура и объем диссертации

Диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список цитируемой литературы из 166 наименований и 1 приложение. Материалы работы представлены на 134 страницах, включая 42 рисунка.

Благодарности

Автор выражает благодарность сотрудникам каф. ЛТС Университета ИТМО д.т.н., проф. В.П. Вейко, к.т.н. М.М. Сергееву асп. Р.А. Заколдаеву, а также зав. лаб. Физической химии стекла ИХС РАН д.х.н., доц. Т.В. Антроповой, за ценные советы при обсуждении результатов проводимых исследований.

Глава 1. Лазерная локальная модификация свойств и структуры прозрачных диэлектриков

1.1 Лазерная модификация структуры прозрачных диэлектриков

При воздействии лазерного излучения большой интенсивности изменяются исходные свойства вещества под действием распространяющегося в нем света. Характеристики вещества становятся зависимыми от интенсивности падающего света. Изменения также могут быть связаны с локальным нагреванием, приводящим к дополнительному изменению оптических свойств. Длительность сохранения свойств после прекращения лазерного воздействия зависит от стабильности матрицы стеклообразного материала. Сохраняются главным образом изменения структуры, возникшие в результате теплового действия лазерного излучения.

Несмотря на разнообразие состава стекол и типов лазерного воздействия, длительные изменения фотоиндуцированных свойств в аморфном материале, каковым является стекло, происходят на основе одних и тех же процессов:

1. поглощения энергии падающего на материал лазерного излучения;

2. модификации матрицы стекла за счет поглощенной энергии, воспринимаемой как изменение физических свойств материала.

При воздействии лазерного излучения ИК диапазона изменения оптических свойств происходят главным образом за счет модификации матрицы стекла при нагревании. Для подобных целей чаще всего используется излучение СО 2 лазера. Энергия фотонов излучения СО2 лазера с длиной волны 10.6 мкм совпадает с энергией собственных колебательно-вращательных уровней силикатной матрицы, обеспечивая, тем самым, поглощение излучения и последующий эффективный локальный нагрев материала [5, 6]. Однако, за счет высокого поглощения 10-микронного излучения силикатной матрицей глубина проникновения излучения в объем материала не превышает 10 мкм [7].

Передача энергии от лазерного излучения к материалу при облучении материала лазерными импульсами с фемтосекундной (фс) длительностью, как

правило, основана на нелинейных процессах. Для реализации таких процессов доминирующими характеристиками лазерного пучка, кроме длительности импульса, является интенсивность (плотность мощности лазерного излучения д~1014 Вт/см2). Поглощение лазерного излучения, энергия фотонов которого много меньше ширины запрещенной зоны SiO2, происходит в этом случае, либо за счет процесса многофотонной ионизации, либо через фотоинициируемый процесс туннелирования, в котором электрон возбуждается из валентной зоны в зону проводимости. Многофотонная ионизация является доминирующим процессом при высокочастотном лазерном облучении в низко-энергетических режимах, в то время как, фотоинициируемое туннелирование доминирует в низкочастотных высокоэнергетических режимах [8].

Механизм фотоиндуцированных изменений, основанный на резонансном поглощении ИК излучения, справедлив и для случая фемтосекундных лазерных импульсов. Однако в этом случае энергия излучения используется непосредственно для возбуждения атомных колебаний в матрице стекла, что эквивалентно локальному повышению температуры, способному, в свою очередь, привести к изменению структуры. Как и в случае непрерывного излучения, использование ИК излучения с фс длительности импульса, в силу этого непригодно для модификации структуры в объеме стекла.

Как отмечалось во введении модификация структура в объеме стекла обусловлена не только параметрами лазерного излучения, но и природой стекла. Различия в процессах переноса энергии в оксидных и неоксидных стеклах обусловлены тем, что силикатные материалы (оксидные стекла) характеризуются шириной запрещенной зоны (6-9 эВ), в то время как халькогенидные и другие не оксидные стекла характеризуются сравнительно небольшой шириной запрещенной зоны (2-3 эВ) [9, 10].

Отметим, что первые сообщения о локальной модификации структуры в

объеме стекла появились еще в 1996 году [11, 12]. В одном из них,

представленным группой под руководством Хирао (Шгао), сообщалось о прямой

записи волновода в объеме стекла под действием сфокусированного пучка

14

излучения с фемтосекундной длительностью импульса [11, 12]. В работах, представленных группой под руководством Мазур (Mazur), сообщалось об использовании фемтосекундных лазерных импульсов для создания устройства трехмерного оптического хранения информации, основанного на создании модифицированных областей (МО) в объеме стекла [13, 14]. Модификация структуры стекла в этих работах приводила к изменению показателя преломления. Со времени этих первых сообщений число публикаций об использовании фемтосекундной лазерной модификации структуры в объеме стекла для создания устройств различного назначения неуклонно росло.

До сих пор большинство работ по модификации структуры в объеме стекла излучением с фемтосекундной длительностью импульса посвящено созданию ЛМО с измененным показателем преломления. Области с измененным показателем преломления уже сейчас используются для создания фотонных структур [15, 16], волноводов и волноводных усилителей [17, 18], разветвителей, соединителей [19, 20] и лазеров [21, 22]. Технологии фемтосекундной лазерной записи перспективны для изготовления трехмерных оптически интегрированных компонент.

Кроме модификации структуры, проявляющейся в изменении показателя преломления в результате фемтосекундного воздействия, с недавних пор стало возможным создание областей с измененным составом стекла [23], измененным валентным состоянием отдельных ионов [24] и с наночастицами металлов регулируемого размера и формы. Устройства на базе областей, содержащих металлические частицы [25-29] из-за сильной оптической нелинейности, обусловленной плазмонным резонансом этих частиц [30], находят применение в качестве оптических переключателей.

Фемтосекундная лазерная модификация широко применяется для

изготовления устройств для лабораторий на чипе (lab on chip) в объеме стекла

марки Foturan [26, 27, 31]. Воздействие излучения лазера с фемтосекундной

длительностью импульса на это стекло приводит к локальной кристаллизации

метасиликатной фазы, скорость травления которой в 5% растворе плавиковой

15

кислоты (ОТ) превышает скорость травления исходного стекла, что позволяет создавать локальные открытые каналы.

На основании краткого рассмотрения лазерной технологии создания ЛМО произвольной формы в объеме стекла фемтосекундным излучением можно сделать вывод о доминирующем положении данной технологии в области создания трехмерных структур различного назначения. Можно сделать также вывод о том, что в настоящее время, альтернативы данной технологии не существует. Однако, у данной технологии, как и любой другой, имеются недостатки. К недостаткам технологий создания ЛМО в объеме стекла с использованием лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульса справедливо можно отнести высокую стоимость и сложность оборудования для ее реализации.

Поэтому, поиск новых лазерных технологий, основанных на иных механизмах создания ЛМО в объеме стекла, востребован. Модификация структуры, осуществляемая этими новыми технологиями, тем не менее, не должна уступать по качеству структурам, формируемым с использованием фетосекундных технологий.

Поскольку, процессы, протекающие при лазерно -индуцированном создании

ЛМО, обусловлены, как отмечалось ранее, не только характеристиками пучка

лазерного излучения, а именно: длиной волны, плотностью мощности,

длительностью и частотой следования импульсов, но и природой стекла,

представляется убедительным, что поиск новых технологий может быть основан

на поиске оптического материала, локальное изменение свойств в котором будет

происходить под действием низкоинтенсивного лазерного излучения, то есть без

нагревания. Таким материалом может стать пористое силикатное стекло.

Сложная, разветвленная, высокоразвитая структура ПС, включающая поры

нанометрового размера и каналы, насквозь пронизывающие высококремнеземный

каркас ПС, способна обеспечить и разделение молекул по размерам, при

фильтрации сложных химических и биологических соединений [32-35] и

перемещение вещества, которым может быть пропитано ПС под действием

16

постоянного электрического поля [36].

К настоящему времени, ПС, кроме традиционных применений, как промежуточного продукта для создания кварцоидного стекла, путем спекания ПС, а также в химии и биологии, нашло ряд новых многообещающих применений, например, в качестве матриц для нанокомпозитов [37-46], элементов для лазерной техники [47], массивов микрооптических элементов (МОЭ) различной формы для применения в оптоэлектронике, которые создаются излучением СО2 лазера на поверхности образцов ПС [48-53]. Особенность структуры ПС с развитой поверхностью пор и каналов с тонкодисперсным аморфным кремнеземом, гидратированным молекулами воды, позволяет нам предположить, что ПС это именно тот материал, для модификации структуры которого потребуются гораздо меньшие плотности мощности, и что модификация структуры, т.е. создание областей с измененными свойствами в объеме стекла, в этом случае будет основано на ином механизме, по сравнению с механизмами, инициированными фемтосекундным излучением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Костюк Галина Кирилловна, 2017 год

Литература

1. Антропова, Т.В. [и др.]. Исследование теплофизических характеристик стекол на основе системы NaiO-BiOs-SiOi // Оптический журнал. 2002. Т. 69. № 3. С.: 88-90.

2. Antropova, T.V., Drozdova T.V. Sintering of optical porous glasses // Optica Applicata. 2003. Vol. XXXIII. No. 1. P.: 13-22.

3. Антропова. Т.В. [и др.]. Структурные преобразования в термически модифицированных пористых стеклах // Физика и химия стекла. 2007. Т. 33. № 2. С.: 154-170.

4. Столяр. С.В. [и др.] Вязкость и усадка пористых и кварцоидных стекол, получаемых на основе системы Na2O-B2O3-SiO2 // Журнал прикладной химии. 2008. Т. 81. No. 6. С.: 935-938.

5. Tkachev, A.S. et al. Radiation resistance of porous glasses // Glass Physics and Chemistry. 2004. Vol. 30. No. 2. P.: 173-179.

6. Василевская Т.Н., Антропова Т.В. Изучение структуры стеклообразных нанопористых матриц методом рентгеновского малоуглового рассеяния // ФТТ. 2009. Т. 51. № 12. С.: 23862393.