Модификация структуры халькогенидных стеклообразных полупроводников под воздействием фемтосекундного лазерного излучения
ÓÄÊ 535.212
ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈß ÑÒÐÓÊÒÓÐÛ ÕÀËÜÊÎÃÅÍÈÄÍÛÕ ÑÒÅÊËÎÎÁÐÀÇÍÛÕ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊΠÏÎÄ ÂÎÇÄÅÉÑÒÂÈÅÌ ÔÅÌÒÎÑÅÊÓÍÄÍÎÃÎ ËÀÇÅÐÍÎÃÎ ÈÇËÓ×ÅÍÈß
2009 ã.
Ì. À. Ëåñèê; À. Â. Àâåðèíà; À. À. Øèìêî; À. À. Ìàíüøèíà, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò ëàçåðíûõ èññëåäîâàíèé Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: rita-lesik@yandex.ru
 ðàáîòå èññëåäîâàëèñü ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ, èíäóöèðîâàííûå ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì ñ äëèíîé âîëíû λ = 800 íì, äëèòåëüíîñòüþ èìïóëüñà τ = 100 ôñ è ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ f = 80 ÌÃö â îáúåìíûõ îáðàçöàõ ñòåêëîîáðàçíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.  ðåçóëüòàòå ðàáîòû áûëè ñîçäàíû âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â ñòåêëàõ As2S3 è 0,15(Ga2S3)–0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %) ïðè ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ (ñïîñîá çàïèñè, ñêîðîñòü è êîëè÷åñòâî ñêàíèðîâàíèé). Ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ, èíäóöèðîâàííûå ôåìòîñåêóíäíûì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, â îáðàçöå ñòåêëà As2S3 áûëè èññëåäîâàíû ìåòîäîì êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ.
Êîäû OCIS: 160.4760, 190.4180.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 04.10.2008.
Ââåäåíèå
Íà äàííûé ìîìåíò óñòðîéñòâà ‘îïòè÷åñêîé ïàìÿòè” ñ÷èòàþòñÿ íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûìè ïðè ðàçðàáîòêå è ñîçäàíèè ñèñòåì õðàíåíèÿ èíôîðìàöèè.  òàêèõ óñòðîéñòâàõ îïòè÷åñêîå èçëó÷åíèå èñïîëüçóåòñÿ äëÿ çàïèñè è/èëè ñ÷èòûâàíèÿ èíôîðìàöèè, ïðè ýòîì äîñòèãàþòñÿ âûñîêèå ïëîòíîñòè çàïèñè è ñêîðîñòè ñ÷èòûâàíèÿ.
Èñïîëüçîâàíèå óëüòðàêîðîòêîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ èíäóöèðîâàíèÿ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ïîçâîëÿåò ìèíèìèçèðîâàòü òåðìè÷åñêèå ýôôåêòû è äîñòè÷ü âûñîêîãî ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàçðåøåíèÿ. Ýòî îòêðûâàåò íîâûå âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ ýëåìåíòíîé áàçû äëÿ èíòåãðàëüíîé îïòèêè, îïòè÷åñêîé çàïèñè èíôîðìàöèè âûñîêîé ïëîòíîñòè, à òàêæå äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå äèàãíîñòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ (íà îñíîâå lab-on-a-chip) äëÿ ýêñïðåññíûõ èññëåäîâàíèé â õèìèè, áèîëîãèè, ìåäèöèíå.
Èñïîëüçîâàíèå ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ôåìòîñåêóíäíîãî äèàïàçîíà ïîçâîëÿåò èíèöèèðîâàòü çíà÷èòåëüíûå ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ âåùåñòâà çà ñ÷åò íåëèíåéíûõ ïðîöåññîâ, ðàçâèâàþùèõñÿ âñëåäñòâèå âûñîêèõ èíòåíñèâíîñòåé ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, è, êàê ðåçóëüòàò, èçìåíÿòü îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ â ìèêðî- è äàæå íàíîðàçìåðíûõ îáëàñòÿõ [1, 2]. Ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé ïîä âîçäåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå ñòåïåíü èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê â çíà÷èòåëüíîé ìåðå îïðåäåëÿþòñÿ ïàðàìåòðàìè èçëó÷åíèÿ è ñâîéñòâàìè ìàòåðèàëà. Ïðè ýòîì ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî â îñíîâå ìåòîäà ëàçåðíîé çàïèñè ëåæèò ìíîãîôîòîííîå ïîãëîùåíèå, ïðèâî-
äÿùåå ê ëîêàëüíîé èîíèçàöèè è, êàê ðåçóëüòàò, ê ñòðóêòóðíûì èçìåíåíèÿì âåùåñòâà â îáëàñòè ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ. Òàêèì îáðàçîì, íåëèíåéíûé ìåòîä ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â îáúåìå ìàòåðèàëà, ò. å. äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå ýëåìåíòîâ èíòåãðàëüíîé îïòèêè ñ òðåõìåðíîé àðõèòåêòóðîé.
Âîçìîæíîñòü äîñòèæåíèÿ âûñîêèõ ïëîòíîñòåé ìîùíîñòè (äî 1021 Âò/ñì2) ïðè èñïîëüçîâàíèè ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü íåëèíåéíóþ ëàçåðíóþ çàïèñü ïðàêòè÷åñêè â ëþáûõ òèïàõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, íàïðèìåð, íå òîëüêî â ñòåêëàõ (ZBLAN, êâàðöåâûõ, ôîñôàòíûõ, õàëüêîãåíèäíûõ è ïðî÷.) è â ïîëèìåðàõ, íî è â êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòðèöàõ (LiNbO3, CaF2, àëìàç).
Íåñìîòðÿ íà áîëüøîå êîëè÷åñòâî ïðîâåäåííûõ ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ðàáîò ïî ýòîé òåìàòèêå îñòàåòñÿ îòêðûòûì âîïðîñ îïòèìèçàöèè ïàðàìåòðîâ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå ìèíèìèçàöèè ðàçìåðîâ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé â ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëàõ. Èññëåäîâàíèÿ â ýòîé îáëàñòè ïîçâîëÿò äîáèòüñÿ óïðàâëÿåìîãî èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê è íàéòè ìàòåðèàëû, íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûå äëÿ ðåàëèçàöèè íà èõ îñíîâå îïòè÷åñêîé çàïèñè èíôîðìàöèè, ñîçäàíèÿ îïòè÷åñêîé ïàìÿòè, óñòðîéñòâ èíòåãðàëüíîé îïòèêè è ìíîãîãî äðóãîãî.
 äàííîé ðàáîòå ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ ñîçäàâàëèñü â îáúåìíûõ îáðàçöàõ ïîëóïðîâîäíèêîâ – õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêëàõ (ÕÃÑ) [3]. ÕÃÑ îòíîñÿòñÿ ê êëàññó ñòåêëîîáðàçíûõ ñèñòåì íà îñíîâå õàëüêîãåíîâ: ñåðà, ñåëåí, òåëëóð. Îíè âõîäÿò â ÷èñëî ìàòåðèàëîâ, ïåðñïåêòèâíûõ äëÿ ïðèìåíåíèÿ â êà÷å-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
57
ñòâå îïòè÷åñêèõ ñðåä äëÿ ñîçäàíèÿ ýëåìåíòîâ èíòåãðàëüíîé îïòèêè è îïòîýëåêòðîíèêè, äëÿ èçãîòîâëåíèÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ êàáåëåé, äàò÷èêîâ è ïåðåêëþ÷àòåëåé. Êðîìå òîãî, íà îñíîâå õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêîë, àêòèâèðîâàííûõ ðåäêîçåìåëüíûìè èîíàìè, ìîãóò áûòü ñîçäàíû ýôôåêòèâíûå ìèêðîëàçåðû, óñèëèòåëè, ïðåîáðàçîâàòåëè èçëó÷åíèÿ èíôðàêðàñíîãî äèàïàçîíà.
ÕÃÑ îáëàäàþò óíèêàëüíûìè ñâîéñòâàìè, íàïðèìåð, äàííûé êëàññ ñòåêîë õàðàêòåðèçóåòñÿ øèðîêîé îáëàñòüþ ïðîçðà÷íîñòè, ïðè ýòîì èçìåíåíèåì ñîñòàâà ìîæíî äîáèòüñÿ çíà÷èòåëüíîãî ñìåùåíèÿ ãðàíèö îáëàñòè ïðîçðà÷íîñòè. Òàêæå îñîáåííîñòÿìè ÕÃÑ ÿâëÿþòñÿ õîðîøàÿ ðàñòâîðèìîñòü õàëüêîãåíèäîâ ðåäêîçåìåëüíûõ ýëåìåíòîâ, âûñîêèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ è âîçìîæíîñòü ôîòîèíäóöèðîâàííûõ èçìåíåíèé ñòðóêòóðû.
 äàííîé ðàáîòå â êà÷åñòâå ñðåäû äëÿ “çàïèñè èíôîðìàöèè” áûëè âûáðàíû õàëüêîãåíèäíûå ñòåêëà â ïåðâóþ î÷åðåäü áëàãîäàðÿ èõ ñêëîííîñòè ê èçìåíåíèþ ñòðóêòóðû ïîä âîçäåéñòâèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Êðîìå òîãî, õàðàêòåðíûé äëÿ ÕÃÑ âûñîêèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ïîçâîëÿåò íàäåÿòüñÿ íà ñîçäàíèå ñòðóêòóð, îáëàäàþùèõ õîðîøèìè âîëíîâîäíûìè ñâîéñòâàìè. Çàïèñü âîëíîâîäíûõ ñòðóêòóð â ÕÃÑ, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè ðåäêîçåìåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ïîçâîëèò ñîçäàâàòü êîìïàêòíûå ïëàíàðíûå óñèëèòåëè, êîòîðûå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû êàê ýëåìåíòû èíòåãðàëüíîé îïòèêè.
Îïèñàíèå ýêñïåðèìåíòà
Äëÿ ñîçäàíèÿ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé â îáúåìíûõ îáðàçöàõ ÕÃÑ ñèñòåìû As–S è Ga–Ge–S:Er3+ â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ òâåðäîòåëüíûé ëàçåð íà òèòàíîâîì ñàïôèðå ñ íàêà÷êîé Ar+ ëàçåðîì, ãåíåðèðóþùèé ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ äëèòåëüíîñòüþ 100 ôñ, ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ 80 ÌÃö. Äëèíà âîëíû ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà Ti-ñàïôèðå ñîñòàâëÿåò 800 íì. Äëÿ ôîêóñèðîâàíèÿ ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â îáúåìå îáðàçöà èñïîëüçîâàëñÿ ìèêðîîáúåêòèâ ñ óâåëè÷åíèåì 40×. Îáðàçåö ïîìåùàëñÿ íà ðàçëè÷íûå òèïû ïîäâèæåê, îáåñïå÷èâàþùèõ ðàâíîìåðíîå ïåðåìåùåíèå îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî ëó÷à (ñ îáùèìè ïðåäåëàìè ïî ñêîðîñòè îò 1 ìì/ìèí è äî 1 ì/ñ).
Ïðè íåïðåðûâíîì ñêàíèðîâàíèè ñôîêóñèðîâàííûì ëàçåðíûì ëó÷îì â îáúåìå ìàòåðèàëà ìîæíî ñîçäàâàòü âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû ñî ñëîæíîé ãåîìåòðèåé, ðàçâåòâèòåëè è ïðî÷.  äàííîé ðàáîòå ñîçäàâàëèñü ñòðóêòóðû äâóõ òèïîâ: ïðè ïåðåìåùåíèè îáðàçöà ïåðïåíäèêóëÿðíî è ïàðàëëåëüíî ëàçåðíîìó èçëó÷åíèþ (ïåðïåíäèêóëÿðíàÿ è ïàðàëëåëüíàÿ ãåîìåòðèè çàïèñè ñîîòâåòñòâåííî).
Âñå ñòðóêòóðû áûëè ïîëó÷åíû ïðè ôèêñèðîâàííîé äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà è ÷àñòîòå ñëåäîâàíèÿ. Ïðè ýòîì âàðüèðîâàëèñü ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ñêîðîñòü è ÷èñëî ñêàíèðîâàíèé.
Îñîáåííîñòü ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé, âûçâàííûõ ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, â ñòåêëå As2S3 èññëåäîâàëàñü ìåòîäîì êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ. Ñïåêòðû ñíèìàëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå â ãåîìåòðèè îáðàòíîãî ðàññåÿíèÿ íà ðàìàíîâñêîì ñïåêòðàëüíîì êîìïëåêñå BRUKER Senterra, îñíàùåííîì êîíôîêàëüíûì ìèêðîñêîïîì.  êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ âñòðîåííûé îäíîìîäîâûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåð íà îñíîâå AsGa, ãåíåðèðóþùèé èçëó÷åíèå íà λ = 785 íì, ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ W íå ïðåâûøàëà 10 ìÂ. Ëàçåðíûé ëó÷ ôîêóñèðîâàëñÿ â ïÿòíî äèàìåòðîì 5 ìêì. Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü äëÿ âîëíîâîäíîé ñòðóêòóðû, çàïèñàííîé ïðè îäíîêðàòíîì ñêàíèðîâàíèè è â îáëàñòè äàëåêîé îò çîíû âîçäåéñòâèÿ.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Íà ïåðâîì ýòàïå áûëî èññëåäîâàíî âëèÿíèå ãåîìåòðèè çàïèñè íà ñâîéñòâà ñòðóêòóð.  îáðàçöå ñòåêëà 0,15(Ga2S3)–0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %) áûëè ïîëó÷åíû ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ ïðè ôèêñèðîâàííûõ W = 200 ìÂò è ñêîðîñòè ñêàíèðîâàíèÿ îáðàçöà V = 1 ìì/ìèí.
Íà ðèñ. 1à ïðåäñòàâëåíà âîëíîâîäíàÿ ñòðóêòóðà, êîòîðàÿ áûëà ïîëó÷åíà ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåìåùåíèè îáðàçöà îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî ëó÷à. Åå øèðèíà ñîñòàâëÿåò 12 ìêì. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãåîìåòðèè çàïèñè õàðàêòåð èíäóöèðîâàííûõ èçìåíåíèé êàðäèíàëüíî èçìåíèëñÿ (ðèñ. 1á). Îáíàðóæåíî, ÷òî ìîäèôèöèðîâàííàÿ
(à) (á)
Ðèñ. 1. Ìèêðîôîòîãðàôèè âîëíîâîäíûõ ñòðóêòóð,
çàïèñàííûõ â îáðàçöå ñòåêëà 0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %).
0,15(Ga2S3)– à – ïðè ïàðàë-
ëåëüíîé ãåîìåòðèè, á – ïðè ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãåî-
ìåòðèè.
58 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
(à) (á)
Ðèñ. 2. Ìèêðîôîòîãðàôèè ñòðóêòóð, ñîçäàííûõ â As2S3 ïðè ïåðïåíäèêóëÿðíîé çàïèñè ñî ñêîðîñòÿìè ñêàíèðîâàíèÿ: à – 3 ñì/ìèí, á – 3 ñì/ñ.
îáëàñòü – íåîäíîðîäíàÿ ïî øèðèíå; íàëè÷èå ñôåðè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ìîæåò ñâèäåòåëüñòâîâàòü î òåïëîâûõ ýôôåêòàõ, âîçíèêàþùèõ â ïðîöåññå çàïèñè. Øèðèíà ïîëó÷åííîé ñòðóêòóðû ñîñòàâëÿåò 7–14 ìêì. Êàê âèäíî èç ðèñ. 1, ãåîìåòðèÿ çàïèñè îêàçûâàåò áîëüøîå âëèÿíèå íà ïàðàìåòðû ïîëó÷åííûõ ñòðóêòóð.
Íà ñëåäóþùåì ýòàïå áûëî èññëåäîâàíî âëèÿíèå ñêîðîñòè ñêàíèðîâàíèÿ íà ñâîéñòâà ñòðóêòóð.
Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíà ìèêðîôîòîãðàôèÿ ñòðóêòóð, ïîëó÷åííûõ ïðè ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãåîìåòðèè çàïèñè è W = 150 ìÂò, íî ïðè ðàçëè÷íûõ V: 3 ñì/ ìèí è 3 ñì/ñ. Âîëíîâîäíàÿ ñòðóêòóðà, çàïèñàííàÿ ïðè ìåíüøåé ñêîðîñòè (øèðèíîé ïðèìåðíî 10 ìêì), èìååò íåîäíîðîäíûé õàðàêòåð êàê è ñòðóêòóðà íà ðèñ. 1à. Îäíàêî ïðè óâåëè÷åíèè ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ óäàëîñü ñîçäàòü ðîâíóþ ñòðóêòóðó, øèðèíà êîòîðîé ñîñòàâëÿåò 2 ìêì. Ñôåðè÷åñêàÿ ñèììåòðèÿ ïîëó÷èâøèõñÿ ñòðóêòóð ÿâíî óêàçûâàåò íà òåïëîâóþ ïðèðîäó ìåõàíèçìà, âûçûâàþùåãî ôîòîñòðóêòóðíûå ìîäèôèêàöèè.
Ïðîÿâëåíèå òåïëîâûõ ýôôåêòîâ îáóñëîâëåíî âûñîêîé f (80 ÌÃö), ÷òî ïðèâîäèò ê íàêîïëåíèþ ýíåðãèè è ëîêàëüíîìó ïëàâëåíèþ ñòåêëà ñ ïîñëåäóþùèì çàòâåðäåâàíèåì â çîíå ïÿòíà ôîêóñèðîâêè ëàçåðíîãî ëó÷à. Ïðèðîäà ìåõàíèçìà ýòèõ ñòðóêòóðíûõ ìîäèôèêàöèé â îáðàçöå îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ïðè èñïîëüçóåìîé ÷àñòîòå ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ ïðîèñõîäèò êóìóëÿòèâíûé íàãðåâ ñòåêëà äî òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ íå òîëüêî íåïîñðåäñòâåííî â çîíå ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ, íî è çà ïðåäåëàìè ñôîêóñèðîâàííîãî ëàçåðíîãî ïÿòíà, ÷òî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óâåëè÷åíèþ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé.
Îáíàðóæåíî, ÷òî ñêîðîñòü ñêàíèðîâàíèÿ âëèÿåò íà ìîðôîëîãèþ ñòðóêòóð. Ò. å. óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå îäíîðîäíûõ âîëíîâîäîâ â ñòåêëàõ.
Êðîìå òîãî, áûëà ïðîâåäåíà ñåðèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïî èññëåäîâàíèþ âëèÿíèÿ êîëè÷åñòâà ñêàíèðîâàíèé íà ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â îáðàçöàõ.
Âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû ñîçäàâàëèñü ïðè ôèêñèðîâàííûõ ïàðàìåòðàõ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â îáðàçöå ñèñòåìûAs–S: τ = 100 ôñ, f = 80 ÌÃö, W = 150 ìÂò è V = 95 ñì/ñ ïðè ÷èñëå ñêàíèðîâàíèé 75, 150 è 300. Îáðàçåö çàêðåïëÿëñÿ íà ñïåöèàëüíîì äèñêå ñ ýëåêòðîïðèâîäîì, â ðåçóëüòàòå ÷åãî óäàëîñü äîáèòüñÿ âûñîêèõ ñêîðîñòåé ñêàíèðîâàíèÿ. Èç ìèêðîôîòîãðàôèè íà ðèñ. 3 âèäíî, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè ÷èñëà ñêàíèðîâàíèé çàìåòíî óâåëè÷èâàåòñÿ êîíòðàñòíîñòü ñòðóêòóð, à øèðèíà îñòàåòñÿ îäèíàêîâîé – 5 ìêì. Èç ýòîãî ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî êîëè÷åñòâî ñêàíèðîâàíèé âëèÿåò íà ñòåïåíü èçìåíåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ.
Íà ðèñ. 4 ïðåäñòàâëåíû ñïåêòðû êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ. ÕÃÑ ñèñòåìû As–S ôîðìèðóþòñÿ èç ïèðàìèäàëüíûõ ñòðóêòóðíûõ åäèíèö As–S3/2, õàðàêòåðèçóþùèõñÿ êîëåáàíèÿìè ñ ÷àñòîòîé 345 ñì–1 â ñïåêòðàõ êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ. Ïîëîñû â îáëàñòÿõ 168, 189, 223, 236 ñì–1 ñâÿçàíû ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè êîëåáàíèé ãîìîïîëÿðíûõ ñâÿçåé As– As. Êîëåáàíèÿ â îáëàñòè 494 ñì–1 îáóñëîâëåíû íàëè÷èåì ãîìîïîëÿðíûõ ñâÿçåé S–S, à êîëåáàòåëüíûå ïîëîñû 155 è 474 ñì–1 – êîëüöàìè S8. Êàê âèäíî èç ãðàôèêà, â ñïåêòðå ñòåêëà â ðåçóëüòàòå ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ èíòåíñèâíîñòü íà ÷àñòîòå 345 ñì–1 çíà÷èòåëüíî óáûâàåò, ò. å. ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå ÷èñëà äåôåêòíûõ ñâÿçåé As–S. Îäíàêî íà ÷àñòîòàõ 236 è 494 ñì–1 â ìîäèôèöèðîâàííîé îáëàñòè ñòåêëà ïðî-
(à)
(á)
(â)
Ðèñ. 3. Âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â As2S3 ïðè ñêîðîñòè ñêàíèðîâàíèÿ 95 ñì/ñ ñ ÷èñëîì ñêàíèðîâàíèé (ñâåðõó âíèç): à – 75, á – 150, â – 300.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
59
0,004
12
Èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä.
0,002
0 100
200
300
400 ω, ñì–1
Ðèñ. 4. Ñïåêòð êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ ñòåêëà As2S3. 1 – âíå çîíû âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, 2 – â îáëó÷åííîé çîíå.
èñõîäèò ðîñò ÷èñëà ñâÿçåé As–As è S–S ñîîòâåòñòâåííî. Òàêèì îáðàçîì, ïðè âîçäåéñòâèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñíà÷àëà ïðîèñõîäèò ðàçðûâ ñâÿçåé As–S è çàòåì â ðåçóëüòàòå ðåîðãàíèçàöèè îáðàçóþòñÿ ãîìîïîëÿðíûå ñâÿçè òèïà As–As è S–S. Èç ýòîãî ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî èçìåíåíèå õèìè÷åñêîé ñòðóêòóðû èññëåäóåìîãî ñòåêëà ïîä âîçäåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå ôîòîëèòè÷åñêîãî (ëèáî òåðìè÷åñêîãî) ðàçðûâà ñâÿçåé As–S è ôîðìèðîâàíèÿ äåôåêòíûõ ñâÿçåé S–S è As–As.
Çàêëþ÷åíèå
 õîäå ðàáîòû áûëà ïðîâåäåíà ñåðèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïî èíäóöèðîâàíèþ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé è ñîçäàíèþ âîëíîâîäíûõ ñòðóêòóð ïîä âîçäåéñòâè-
åì ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â îáúåìíûõ îáðàçöàõ õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêîë 0,15(Ga2S3)– 0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %) è As2S3. Èññëåäîâàíî âëèÿíèå ãåîìåòðèè çàïèñè, ñêîðîñòè è êîëè÷åñòâà ñêàíèðîâàíèé íà ìîðôîëîãèþ ñòðóêòóð.
Îáíàðóæåíî, ÷òî ïîëó÷åííûå âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû çàâèñÿò îò ãåîìåòðèè çàïèñè, ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå îò êîëè÷åñòâà ñêàíèðîâàíèé. Áûëè ñîçäàíû âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â ÕÃÑ 0,15(Ga2S3)– 0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò%) ïðè ðàçëè÷íîé ãåîìåòðèè çàïèñè. Ïîêàçàíî, ÷òî ñïîñîá ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî ëó÷à âëèÿåò íà ìîðôîëîãèþ ñòðóêòóð. Òàêæå áûëè ñîçäàíû âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â ÕÃÑ As2S3 ïðè ðàçëè÷íûõ ñêîðîñòÿõ ñêàíèðîâàíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå êà÷åñòâåííûõ âîëíîâîäîâ â ñòåêëàõ.
Èññëåäîâàíî âëèÿíèå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ñòðóêòóðó ñòåêëà ñèñòåìû As–S. Îáíàðóæåíî, ÷òî â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò ðàçðûâ ñâÿçåé òèïà As–S è îáðàçîâàíèå ãîìîïîëÿðíûõ ñâÿçåé As–Às è S–S.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Povolotskiy A., Shimko A., Manshina A. 2D and 3D laser writing for integrated optical elements creation // Proceedings of WFOPC2005, Mondello (Palermo), Italy, 2005. P. 196–202.
12. Cheng Ya, Sugioka K., Midorikawa K. Microfabrication of 3D hollow structures embedded in glass by femtosecond laser for Lab-on-a-chip applications // Applied Surface Science. 2005. ¹ 248. P. 172–176.
13. Êîëîìèåö Á.Ò., Ãîðþíîâà Í.À. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ñâîéñòâà õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêîë // ÆÒÔ. 1955. Ò. 25. ¹ 6. C. 984–994.
60 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
ÌÎÄÈÔÈÊÀÖÈß ÑÒÐÓÊÒÓÐÛ ÕÀËÜÊÎÃÅÍÈÄÍÛÕ ÑÒÅÊËÎÎÁÐÀÇÍÛÕ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊΠÏÎÄ ÂÎÇÄÅÉÑÒÂÈÅÌ ÔÅÌÒÎÑÅÊÓÍÄÍÎÃÎ ËÀÇÅÐÍÎÃÎ ÈÇËÓ×ÅÍÈß
2009 ã.
Ì. À. Ëåñèê; À. Â. Àâåðèíà; À. À. Øèìêî; À. À. Ìàíüøèíà, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê
Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò ëàçåðíûõ èññëåäîâàíèé Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: rita-lesik@yandex.ru
 ðàáîòå èññëåäîâàëèñü ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ, èíäóöèðîâàííûå ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì ñ äëèíîé âîëíû λ = 800 íì, äëèòåëüíîñòüþ èìïóëüñà τ = 100 ôñ è ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ f = 80 ÌÃö â îáúåìíûõ îáðàçöàõ ñòåêëîîáðàçíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ.  ðåçóëüòàòå ðàáîòû áûëè ñîçäàíû âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â ñòåêëàõ As2S3 è 0,15(Ga2S3)–0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %) ïðè ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ (ñïîñîá çàïèñè, ñêîðîñòü è êîëè÷åñòâî ñêàíèðîâàíèé). Ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ, èíäóöèðîâàííûå ôåìòîñåêóíäíûì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, â îáðàçöå ñòåêëà As2S3 áûëè èññëåäîâàíû ìåòîäîì êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ.
Êîäû OCIS: 160.4760, 190.4180.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 04.10.2008.
Ââåäåíèå
Íà äàííûé ìîìåíò óñòðîéñòâà ‘îïòè÷åñêîé ïàìÿòè” ñ÷èòàþòñÿ íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûìè ïðè ðàçðàáîòêå è ñîçäàíèè ñèñòåì õðàíåíèÿ èíôîðìàöèè.  òàêèõ óñòðîéñòâàõ îïòè÷åñêîå èçëó÷åíèå èñïîëüçóåòñÿ äëÿ çàïèñè è/èëè ñ÷èòûâàíèÿ èíôîðìàöèè, ïðè ýòîì äîñòèãàþòñÿ âûñîêèå ïëîòíîñòè çàïèñè è ñêîðîñòè ñ÷èòûâàíèÿ.
Èñïîëüçîâàíèå óëüòðàêîðîòêîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ äëÿ èíäóöèðîâàíèÿ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ ïîçâîëÿåò ìèíèìèçèðîâàòü òåðìè÷åñêèå ýôôåêòû è äîñòè÷ü âûñîêîãî ïðîñòðàíñòâåííîãî ðàçðåøåíèÿ. Ýòî îòêðûâàåò íîâûå âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ ýëåìåíòíîé áàçû äëÿ èíòåãðàëüíîé îïòèêè, îïòè÷åñêîé çàïèñè èíôîðìàöèè âûñîêîé ïëîòíîñòè, à òàêæå äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå äèàãíîñòè÷åñêèõ ïðèáîðîâ (íà îñíîâå lab-on-a-chip) äëÿ ýêñïðåññíûõ èññëåäîâàíèé â õèìèè, áèîëîãèè, ìåäèöèíå.
Èñïîëüçîâàíèå ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ôåìòîñåêóíäíîãî äèàïàçîíà ïîçâîëÿåò èíèöèèðîâàòü çíà÷èòåëüíûå ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ âåùåñòâà çà ñ÷åò íåëèíåéíûõ ïðîöåññîâ, ðàçâèâàþùèõñÿ âñëåäñòâèå âûñîêèõ èíòåíñèâíîñòåé ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, è, êàê ðåçóëüòàò, èçìåíÿòü îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà ìàòåðèàëîâ â ìèêðî- è äàæå íàíîðàçìåðíûõ îáëàñòÿõ [1, 2]. Ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé ïîä âîçäåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå ñòåïåíü èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê â çíà÷èòåëüíîé ìåðå îïðåäåëÿþòñÿ ïàðàìåòðàìè èçëó÷åíèÿ è ñâîéñòâàìè ìàòåðèàëà. Ïðè ýòîì ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî â îñíîâå ìåòîäà ëàçåðíîé çàïèñè ëåæèò ìíîãîôîòîííîå ïîãëîùåíèå, ïðèâî-
äÿùåå ê ëîêàëüíîé èîíèçàöèè è, êàê ðåçóëüòàò, ê ñòðóêòóðíûì èçìåíåíèÿì âåùåñòâà â îáëàñòè ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ. Òàêèì îáðàçîì, íåëèíåéíûé ìåòîä ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â îáúåìå ìàòåðèàëà, ò. å. äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå ýëåìåíòîâ èíòåãðàëüíîé îïòèêè ñ òðåõìåðíîé àðõèòåêòóðîé.
Âîçìîæíîñòü äîñòèæåíèÿ âûñîêèõ ïëîòíîñòåé ìîùíîñòè (äî 1021 Âò/ñì2) ïðè èñïîëüçîâàíèè ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò ðåàëèçîâàòü íåëèíåéíóþ ëàçåðíóþ çàïèñü ïðàêòè÷åñêè â ëþáûõ òèïàõ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, íàïðèìåð, íå òîëüêî â ñòåêëàõ (ZBLAN, êâàðöåâûõ, ôîñôàòíûõ, õàëüêîãåíèäíûõ è ïðî÷.) è â ïîëèìåðàõ, íî è â êðèñòàëëè÷åñêèõ ìàòðèöàõ (LiNbO3, CaF2, àëìàç).
Íåñìîòðÿ íà áîëüøîå êîëè÷åñòâî ïðîâåäåííûõ ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ðàáîò ïî ýòîé òåìàòèêå îñòàåòñÿ îòêðûòûì âîïðîñ îïòèìèçàöèè ïàðàìåòðîâ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå ìèíèìèçàöèè ðàçìåðîâ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé â ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëàõ. Èññëåäîâàíèÿ â ýòîé îáëàñòè ïîçâîëÿò äîáèòüñÿ óïðàâëÿåìîãî èçìåíåíèÿ îïòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê è íàéòè ìàòåðèàëû, íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûå äëÿ ðåàëèçàöèè íà èõ îñíîâå îïòè÷åñêîé çàïèñè èíôîðìàöèè, ñîçäàíèÿ îïòè÷åñêîé ïàìÿòè, óñòðîéñòâ èíòåãðàëüíîé îïòèêè è ìíîãîãî äðóãîãî.
 äàííîé ðàáîòå ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ ñîçäàâàëèñü â îáúåìíûõ îáðàçöàõ ïîëóïðîâîäíèêîâ – õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêëàõ (ÕÃÑ) [3]. ÕÃÑ îòíîñÿòñÿ ê êëàññó ñòåêëîîáðàçíûõ ñèñòåì íà îñíîâå õàëüêîãåíîâ: ñåðà, ñåëåí, òåëëóð. Îíè âõîäÿò â ÷èñëî ìàòåðèàëîâ, ïåðñïåêòèâíûõ äëÿ ïðèìåíåíèÿ â êà÷å-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
57
ñòâå îïòè÷åñêèõ ñðåä äëÿ ñîçäàíèÿ ýëåìåíòîâ èíòåãðàëüíîé îïòèêè è îïòîýëåêòðîíèêè, äëÿ èçãîòîâëåíèÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ êàáåëåé, äàò÷èêîâ è ïåðåêëþ÷àòåëåé. Êðîìå òîãî, íà îñíîâå õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêîë, àêòèâèðîâàííûõ ðåäêîçåìåëüíûìè èîíàìè, ìîãóò áûòü ñîçäàíû ýôôåêòèâíûå ìèêðîëàçåðû, óñèëèòåëè, ïðåîáðàçîâàòåëè èçëó÷åíèÿ èíôðàêðàñíîãî äèàïàçîíà.
ÕÃÑ îáëàäàþò óíèêàëüíûìè ñâîéñòâàìè, íàïðèìåð, äàííûé êëàññ ñòåêîë õàðàêòåðèçóåòñÿ øèðîêîé îáëàñòüþ ïðîçðà÷íîñòè, ïðè ýòîì èçìåíåíèåì ñîñòàâà ìîæíî äîáèòüñÿ çíà÷èòåëüíîãî ñìåùåíèÿ ãðàíèö îáëàñòè ïðîçðà÷íîñòè. Òàêæå îñîáåííîñòÿìè ÕÃÑ ÿâëÿþòñÿ õîðîøàÿ ðàñòâîðèìîñòü õàëüêîãåíèäîâ ðåäêîçåìåëüíûõ ýëåìåíòîâ, âûñîêèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ è âîçìîæíîñòü ôîòîèíäóöèðîâàííûõ èçìåíåíèé ñòðóêòóðû.
 äàííîé ðàáîòå â êà÷åñòâå ñðåäû äëÿ “çàïèñè èíôîðìàöèè” áûëè âûáðàíû õàëüêîãåíèäíûå ñòåêëà â ïåðâóþ î÷åðåäü áëàãîäàðÿ èõ ñêëîííîñòè ê èçìåíåíèþ ñòðóêòóðû ïîä âîçäåéñòâèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Êðîìå òîãî, õàðàêòåðíûé äëÿ ÕÃÑ âûñîêèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ïîçâîëÿåò íàäåÿòüñÿ íà ñîçäàíèå ñòðóêòóð, îáëàäàþùèõ õîðîøèìè âîëíîâîäíûìè ñâîéñòâàìè. Çàïèñü âîëíîâîäíûõ ñòðóêòóð â ÕÃÑ, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè ðåäêîçåìåëüíûõ ýëåìåíòîâ, ïîçâîëèò ñîçäàâàòü êîìïàêòíûå ïëàíàðíûå óñèëèòåëè, êîòîðûå ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû êàê ýëåìåíòû èíòåãðàëüíîé îïòèêè.
Îïèñàíèå ýêñïåðèìåíòà
Äëÿ ñîçäàíèÿ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé â îáúåìíûõ îáðàçöàõ ÕÃÑ ñèñòåìû As–S è Ga–Ge–S:Er3+ â êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ òâåðäîòåëüíûé ëàçåð íà òèòàíîâîì ñàïôèðå ñ íàêà÷êîé Ar+ ëàçåðîì, ãåíåðèðóþùèé ïîñëåäîâàòåëüíîñòü èìïóëüñîâ äëèòåëüíîñòüþ 100 ôñ, ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ 80 ÌÃö. Äëèíà âîëíû ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà Ti-ñàïôèðå ñîñòàâëÿåò 800 íì. Äëÿ ôîêóñèðîâàíèÿ ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â îáúåìå îáðàçöà èñïîëüçîâàëñÿ ìèêðîîáúåêòèâ ñ óâåëè÷åíèåì 40×. Îáðàçåö ïîìåùàëñÿ íà ðàçëè÷íûå òèïû ïîäâèæåê, îáåñïå÷èâàþùèõ ðàâíîìåðíîå ïåðåìåùåíèå îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî ëó÷à (ñ îáùèìè ïðåäåëàìè ïî ñêîðîñòè îò 1 ìì/ìèí è äî 1 ì/ñ).
Ïðè íåïðåðûâíîì ñêàíèðîâàíèè ñôîêóñèðîâàííûì ëàçåðíûì ëó÷îì â îáúåìå ìàòåðèàëà ìîæíî ñîçäàâàòü âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû ñî ñëîæíîé ãåîìåòðèåé, ðàçâåòâèòåëè è ïðî÷.  äàííîé ðàáîòå ñîçäàâàëèñü ñòðóêòóðû äâóõ òèïîâ: ïðè ïåðåìåùåíèè îáðàçöà ïåðïåíäèêóëÿðíî è ïàðàëëåëüíî ëàçåðíîìó èçëó÷åíèþ (ïåðïåíäèêóëÿðíàÿ è ïàðàëëåëüíàÿ ãåîìåòðèè çàïèñè ñîîòâåòñòâåííî).
Âñå ñòðóêòóðû áûëè ïîëó÷åíû ïðè ôèêñèðîâàííîé äëèòåëüíîñòè èìïóëüñà è ÷àñòîòå ñëåäîâàíèÿ. Ïðè ýòîì âàðüèðîâàëèñü ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ñêîðîñòü è ÷èñëî ñêàíèðîâàíèé.
Îñîáåííîñòü ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé, âûçâàííûõ ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, â ñòåêëå As2S3 èññëåäîâàëàñü ìåòîäîì êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ. Ñïåêòðû ñíèìàëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå â ãåîìåòðèè îáðàòíîãî ðàññåÿíèÿ íà ðàìàíîâñêîì ñïåêòðàëüíîì êîìïëåêñå BRUKER Senterra, îñíàùåííîì êîíôîêàëüíûì ìèêðîñêîïîì.  êà÷åñòâå èñòî÷íèêà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ âñòðîåííûé îäíîìîäîâûé ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåð íà îñíîâå AsGa, ãåíåðèðóþùèé èçëó÷åíèå íà λ = 785 íì, ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ W íå ïðåâûøàëà 10 ìÂ. Ëàçåðíûé ëó÷ ôîêóñèðîâàëñÿ â ïÿòíî äèàìåòðîì 5 ìêì. Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü äëÿ âîëíîâîäíîé ñòðóêòóðû, çàïèñàííîé ïðè îäíîêðàòíîì ñêàíèðîâàíèè è â îáëàñòè äàëåêîé îò çîíû âîçäåéñòâèÿ.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû
Íà ïåðâîì ýòàïå áûëî èññëåäîâàíî âëèÿíèå ãåîìåòðèè çàïèñè íà ñâîéñòâà ñòðóêòóð.  îáðàçöå ñòåêëà 0,15(Ga2S3)–0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %) áûëè ïîëó÷åíû ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ ïðè ôèêñèðîâàííûõ W = 200 ìÂò è ñêîðîñòè ñêàíèðîâàíèÿ îáðàçöà V = 1 ìì/ìèí.
Íà ðèñ. 1à ïðåäñòàâëåíà âîëíîâîäíàÿ ñòðóêòóðà, êîòîðàÿ áûëà ïîëó÷åíà ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåìåùåíèè îáðàçöà îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî ëó÷à. Åå øèðèíà ñîñòàâëÿåò 12 ìêì. Ïðè èñïîëüçîâàíèè ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãåîìåòðèè çàïèñè õàðàêòåð èíäóöèðîâàííûõ èçìåíåíèé êàðäèíàëüíî èçìåíèëñÿ (ðèñ. 1á). Îáíàðóæåíî, ÷òî ìîäèôèöèðîâàííàÿ
(à) (á)
Ðèñ. 1. Ìèêðîôîòîãðàôèè âîëíîâîäíûõ ñòðóêòóð,
çàïèñàííûõ â îáðàçöå ñòåêëà 0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %).
0,15(Ga2S3)– à – ïðè ïàðàë-
ëåëüíîé ãåîìåòðèè, á – ïðè ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãåî-
ìåòðèè.
58 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
(à) (á)
Ðèñ. 2. Ìèêðîôîòîãðàôèè ñòðóêòóð, ñîçäàííûõ â As2S3 ïðè ïåðïåíäèêóëÿðíîé çàïèñè ñî ñêîðîñòÿìè ñêàíèðîâàíèÿ: à – 3 ñì/ìèí, á – 3 ñì/ñ.
îáëàñòü – íåîäíîðîäíàÿ ïî øèðèíå; íàëè÷èå ñôåðè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ìîæåò ñâèäåòåëüñòâîâàòü î òåïëîâûõ ýôôåêòàõ, âîçíèêàþùèõ â ïðîöåññå çàïèñè. Øèðèíà ïîëó÷åííîé ñòðóêòóðû ñîñòàâëÿåò 7–14 ìêì. Êàê âèäíî èç ðèñ. 1, ãåîìåòðèÿ çàïèñè îêàçûâàåò áîëüøîå âëèÿíèå íà ïàðàìåòðû ïîëó÷åííûõ ñòðóêòóð.
Íà ñëåäóþùåì ýòàïå áûëî èññëåäîâàíî âëèÿíèå ñêîðîñòè ñêàíèðîâàíèÿ íà ñâîéñòâà ñòðóêòóð.
Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíà ìèêðîôîòîãðàôèÿ ñòðóêòóð, ïîëó÷åííûõ ïðè ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãåîìåòðèè çàïèñè è W = 150 ìÂò, íî ïðè ðàçëè÷íûõ V: 3 ñì/ ìèí è 3 ñì/ñ. Âîëíîâîäíàÿ ñòðóêòóðà, çàïèñàííàÿ ïðè ìåíüøåé ñêîðîñòè (øèðèíîé ïðèìåðíî 10 ìêì), èìååò íåîäíîðîäíûé õàðàêòåð êàê è ñòðóêòóðà íà ðèñ. 1à. Îäíàêî ïðè óâåëè÷åíèè ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ óäàëîñü ñîçäàòü ðîâíóþ ñòðóêòóðó, øèðèíà êîòîðîé ñîñòàâëÿåò 2 ìêì. Ñôåðè÷åñêàÿ ñèììåòðèÿ ïîëó÷èâøèõñÿ ñòðóêòóð ÿâíî óêàçûâàåò íà òåïëîâóþ ïðèðîäó ìåõàíèçìà, âûçûâàþùåãî ôîòîñòðóêòóðíûå ìîäèôèêàöèè.
Ïðîÿâëåíèå òåïëîâûõ ýôôåêòîâ îáóñëîâëåíî âûñîêîé f (80 ÌÃö), ÷òî ïðèâîäèò ê íàêîïëåíèþ ýíåðãèè è ëîêàëüíîìó ïëàâëåíèþ ñòåêëà ñ ïîñëåäóþùèì çàòâåðäåâàíèåì â çîíå ïÿòíà ôîêóñèðîâêè ëàçåðíîãî ëó÷à. Ïðèðîäà ìåõàíèçìà ýòèõ ñòðóêòóðíûõ ìîäèôèêàöèé â îáðàçöå îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ïðè èñïîëüçóåìîé ÷àñòîòå ñëåäîâàíèÿ èìïóëüñîâ ïðîèñõîäèò êóìóëÿòèâíûé íàãðåâ ñòåêëà äî òåìïåðàòóðû ïëàâëåíèÿ íå òîëüêî íåïîñðåäñòâåííî â çîíå ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ, íî è çà ïðåäåëàìè ñôîêóñèðîâàííîãî ëàçåðíîãî ïÿòíà, ÷òî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óâåëè÷åíèþ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé.
Îáíàðóæåíî, ÷òî ñêîðîñòü ñêàíèðîâàíèÿ âëèÿåò íà ìîðôîëîãèþ ñòðóêòóð. Ò. å. óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå îäíîðîäíûõ âîëíîâîäîâ â ñòåêëàõ.
Êðîìå òîãî, áûëà ïðîâåäåíà ñåðèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïî èññëåäîâàíèþ âëèÿíèÿ êîëè÷åñòâà ñêàíèðîâàíèé íà ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ â îáðàçöàõ.
Âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû ñîçäàâàëèñü ïðè ôèêñèðîâàííûõ ïàðàìåòðàõ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â îáðàçöå ñèñòåìûAs–S: τ = 100 ôñ, f = 80 ÌÃö, W = 150 ìÂò è V = 95 ñì/ñ ïðè ÷èñëå ñêàíèðîâàíèé 75, 150 è 300. Îáðàçåö çàêðåïëÿëñÿ íà ñïåöèàëüíîì äèñêå ñ ýëåêòðîïðèâîäîì, â ðåçóëüòàòå ÷åãî óäàëîñü äîáèòüñÿ âûñîêèõ ñêîðîñòåé ñêàíèðîâàíèÿ. Èç ìèêðîôîòîãðàôèè íà ðèñ. 3 âèäíî, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè ÷èñëà ñêàíèðîâàíèé çàìåòíî óâåëè÷èâàåòñÿ êîíòðàñòíîñòü ñòðóêòóð, à øèðèíà îñòàåòñÿ îäèíàêîâîé – 5 ìêì. Èç ýòîãî ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî êîëè÷åñòâî ñêàíèðîâàíèé âëèÿåò íà ñòåïåíü èçìåíåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ.
Íà ðèñ. 4 ïðåäñòàâëåíû ñïåêòðû êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ. ÕÃÑ ñèñòåìû As–S ôîðìèðóþòñÿ èç ïèðàìèäàëüíûõ ñòðóêòóðíûõ åäèíèö As–S3/2, õàðàêòåðèçóþùèõñÿ êîëåáàíèÿìè ñ ÷àñòîòîé 345 ñì–1 â ñïåêòðàõ êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ. Ïîëîñû â îáëàñòÿõ 168, 189, 223, 236 ñì–1 ñâÿçàíû ñ ðàçëè÷íûìè òèïàìè êîëåáàíèé ãîìîïîëÿðíûõ ñâÿçåé As– As. Êîëåáàíèÿ â îáëàñòè 494 ñì–1 îáóñëîâëåíû íàëè÷èåì ãîìîïîëÿðíûõ ñâÿçåé S–S, à êîëåáàòåëüíûå ïîëîñû 155 è 474 ñì–1 – êîëüöàìè S8. Êàê âèäíî èç ãðàôèêà, â ñïåêòðå ñòåêëà â ðåçóëüòàòå ëàçåðíîãî âîçäåéñòâèÿ èíòåíñèâíîñòü íà ÷àñòîòå 345 ñì–1 çíà÷èòåëüíî óáûâàåò, ò. å. ïðîèñõîäèò óìåíüøåíèå ÷èñëà äåôåêòíûõ ñâÿçåé As–S. Îäíàêî íà ÷àñòîòàõ 236 è 494 ñì–1 â ìîäèôèöèðîâàííîé îáëàñòè ñòåêëà ïðî-
(à)
(á)
(â)
Ðèñ. 3. Âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â As2S3 ïðè ñêîðîñòè ñêàíèðîâàíèÿ 95 ñì/ñ ñ ÷èñëîì ñêàíèðîâàíèé (ñâåðõó âíèç): à – 75, á – 150, â – 300.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009
59
0,004
12
Èíòåíñèâíîñòü, îòí. åä.
0,002
0 100
200
300
400 ω, ñì–1
Ðèñ. 4. Ñïåêòð êîìáèíàöèîííîãî ðàññåÿíèÿ ñòåêëà As2S3. 1 – âíå çîíû âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, 2 – â îáëó÷åííîé çîíå.
èñõîäèò ðîñò ÷èñëà ñâÿçåé As–As è S–S ñîîòâåòñòâåííî. Òàêèì îáðàçîì, ïðè âîçäåéñòâèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñíà÷àëà ïðîèñõîäèò ðàçðûâ ñâÿçåé As–S è çàòåì â ðåçóëüòàòå ðåîðãàíèçàöèè îáðàçóþòñÿ ãîìîïîëÿðíûå ñâÿçè òèïà As–As è S–S. Èç ýòîãî ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî èçìåíåíèå õèìè÷åñêîé ñòðóêòóðû èññëåäóåìîãî ñòåêëà ïîä âîçäåéñòâèåì ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò â ðåçóëüòàòå ôîòîëèòè÷åñêîãî (ëèáî òåðìè÷åñêîãî) ðàçðûâà ñâÿçåé As–S è ôîðìèðîâàíèÿ äåôåêòíûõ ñâÿçåé S–S è As–As.
Çàêëþ÷åíèå
 õîäå ðàáîòû áûëà ïðîâåäåíà ñåðèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïî èíäóöèðîâàíèþ ñòðóêòóðíûõ èçìåíåíèé è ñîçäàíèþ âîëíîâîäíûõ ñòðóêòóð ïîä âîçäåéñòâè-
åì ôåìòîñåêóíäíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ â îáúåìíûõ îáðàçöàõ õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêîë 0,15(Ga2S3)– 0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò %) è As2S3. Èññëåäîâàíî âëèÿíèå ãåîìåòðèè çàïèñè, ñêîðîñòè è êîëè÷åñòâà ñêàíèðîâàíèé íà ìîðôîëîãèþ ñòðóêòóð.
Îáíàðóæåíî, ÷òî ïîëó÷åííûå âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû çàâèñÿò îò ãåîìåòðèè çàïèñè, ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, à òàêæå îò êîëè÷åñòâà ñêàíèðîâàíèé. Áûëè ñîçäàíû âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â ÕÃÑ 0,15(Ga2S3)– 0,85(GeS2):Er3+ (C(Er3+) = 1,2 àò%) ïðè ðàçëè÷íîé ãåîìåòðèè çàïèñè. Ïîêàçàíî, ÷òî ñïîñîá ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà îòíîñèòåëüíî ëàçåðíîãî ëó÷à âëèÿåò íà ìîðôîëîãèþ ñòðóêòóð. Òàêæå áûëè ñîçäàíû âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû â ÕÃÑ As2S3 ïðè ðàçëè÷íûõ ñêîðîñòÿõ ñêàíèðîâàíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ îáðàçöà äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå êà÷åñòâåííûõ âîëíîâîäîâ â ñòåêëàõ.
Èññëåäîâàíî âëèÿíèå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ñòðóêòóðó ñòåêëà ñèñòåìû As–S. Îáíàðóæåíî, ÷òî â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäèò ðàçðûâ ñâÿçåé òèïà As–S è îáðàçîâàíèå ãîìîïîëÿðíûõ ñâÿçåé As–Às è S–S.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Povolotskiy A., Shimko A., Manshina A. 2D and 3D laser writing for integrated optical elements creation // Proceedings of WFOPC2005, Mondello (Palermo), Italy, 2005. P. 196–202.
12. Cheng Ya, Sugioka K., Midorikawa K. Microfabrication of 3D hollow structures embedded in glass by femtosecond laser for Lab-on-a-chip applications // Applied Surface Science. 2005. ¹ 248. P. 172–176.
13. Êîëîìèåö Á.Ò., Ãîðþíîâà Í.À. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ñâîéñòâà õàëüêîãåíèäíûõ ñòåêîë // ÆÒÔ. 1955. Ò. 25. ¹ 6. C. 984–994.
60 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 1, 2009