Изучена роль пластических деформаций в прямой лазерной записи

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. Исследование поддержано Российским научным фондом (РНФ).

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 секунд. 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-алюминиевого граната, но и для 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.

Использованы материалы статьи «Plastic Deformation as Nature of Femtosecond Laser Writing in YAG Crystal»; S. S. Fedotov, L. N. Butvina, A. G. Okhrimchuk; журнал Scientific Reports, декабрь 2020 г.