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 – 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 (РХТУ) и Института общей физики имени А. М. Прохорова (ИОФ) РАН 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 Андрей Охримчук, руководитель проекта по гранту РНФ, сотрудник РХТУ и ИОФ РАН, один из авторов работы.
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.
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, «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.
