авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование процессов лазерно-индуцированных изменений фазово-структурного состава стеклокерамических материалов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

на правах рукописи

Агеев Эдуард Игоревич ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ФАЗОВО-СТРУКТУРНОГО СОСТАВА СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Специальность 05.27.03 - квантовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2011 г.

Работа выполнена на кафедре Лазерных технологий и экологического приборостроения инженерно физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Вейко Вадим Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Никоноров Николай Валентинович профессор, заведующий кафедрой ОТиМ кандидат технических наук Юревич Владимир Игоревич начальник отдела ООО «Лазерный центр»

Ведущая организация: НИТИОМ (ОАО «Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра «Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова»), г. Санкт-Петербург

Защита состоится 15 ноября 2011 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт - Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. Автореферат разослан 12 октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.01 В.М. Красавцев кандидат технических наук, доцент Практический интерес к фотоситаллам и различным устройствам на их основе обусловлен новыми возможностями, открываемыми их использованием в фотонике, технологии lab-on-chip («лаборатория» на микросхеме, встроенной в материале), микрофлюидике, а также в микро MEMS (Micro Electro Mechanical System, электромеханическая система) и µTAS (micro Total Analysis System, микросистема полного анализа) устройств. Спектр их возможного применения необычайно широк - от химических и оптических исследований до разнообразных применений в технологии.

Например, такие устройства могут иметь следующие применения: исследование человеческого генома и белков, медицинское освидетельствование, разработка новых лекарств, создание новых материалов, контроль состояния окружающей среды;

космические исследования, и обладают такими преимуществами, как: уменьшение габаритов экспериментального оборудования, сокращение длительности процессов изготовления и анализа, снижение количества необходимых реагентов и образующихся отходов, большая рентабельность.

Все эти устройства обычно получают при использовании следующих лазерных технологий и систем:

фемтосекундных лазеров с использованием титан-сапфировых регенеративных 1.

усилителей, обеспечивающих высокие значения импульсной энергии (в диапазоне от мкДж до мДж) при килогерцовой частоте следования импульсов;

фемтосекундных лазеров с небольшой импульсной энергией (нДж) и высокой 2.

частотой следования импульсов (МГц);

волоконных лазеров, легированных эрбием, с высокой импульсной энергией (от 3.

нДж до мкДж) и большой частотой следования импульсов (100 кГц1 МГц).

Хотя все системы, описанные выше, являются эффективными при модификации вещества внутри объёма прозрачных диэлектриков, имеются существенные отличия в механизме, и, как следствие, в степени модификации и повреждения материала (если оно происходит). К основным параметрам, влияющим на процесс лазерного воздействия, можно отнести скорость и направления перемещения образца [1], пространственные характеристики пучка в области фокусировки, поляризацию излучения, энергию в импульсе, частоту следования импульсов, длину волны и длительность импульса.

Другими характеристиками, оказывающими влияние на возможные процессы модификации, являются, например, ширина запрещенной зоны облучаемого материала, кристаллический или аморфный материал, температурные характеристики и предел прочности.

Помимо непосредственной абляции обработка материалов может проходить за счет процессов, индуцированных лазерным воздействием ультракороткими импульсами (УКИ) и приводящих к структурным и оптическим изменениям в объёме прозрачных сред. В отличие от применяемой ранее технологии воздействия на фоточувствительные материалы УФ излучением с последующей термообработкой, позволяющей вызывать фазовые переходы в облученных областях [2], в случаях УКИ воздействия, используемая длина волны излучения не является резонансной для материала, и поглощение обеспечивается процессами многофотонной ионизации. Это позволяет совершить переход от двухмерной технологии обработки (создание поверхностных структур) к трехмерной модификации (создание структур внутри объёма материала). Другим преимуществом УКИ лазеров по сравнению с лазерами УФ диапазона является отсутствие необходимости использования специальной оптики.

При этом размер областей, в которых происходят структурные изменения, может быть порядка или даже меньше фокального объёма [3].

Еще одним путем модификации фоточувствительных материалов, основанной на управляемом фазовом переходе в веществе, является использование излучение СО2-лазера на длине волны 10,6 мкм. Исследования [4, 5], проведенные на титансодержащей стеклокерамике - ситалле СТ-50-1 показали, что локальное воздействие излучения СО2 лазера может приводить к его аморфизации и обратной кристаллизации.



Тем не менее, большинство из вышеперечисленных технологий обработки обладает тем существенным ограничением, что производимые фазовые изменения в веществе являются необратимыми, что препятствует расширению функциональности устройств, создаваемых в рамках данных технологий. Другим узким местом, в случае использования УФ лазеров являются большие временные затраты, а в случае лазеров УКИ – высокая стоимость оборудования для трехмерной обработки фоточувствительного материала. Поэтому, можно сказать, что хотя лазерные источники нашли ряд применений для модификации стеклокерамических материалов, эти применения, в основном, остаются на лабораторном уровне. Дальнейшее развитие технологий в этой области тормозится несовершенством и длительностью ряда операций обработки, необратимостью указанных переходов в известных технологиях, и в целом, недостаточной изученностью процесса воздействия лазерного излучения на фоточувствительные стеклокерамические материалы.

Целью диссертационной работы является изучение процесса воздействия лазерного излучения на стеклокерамические материалы и исследование изменений их свойств, сопутствующих лазерно-индуцированным структурно-фазовым преобразованиям.

Задачи исследования - исследовать процессы кристаллизации фоточувствительной стеклокерамики, 1.

индуцированной ИК излучением CO2-лазера, и сравнить их с другими методами получения кристаллической фазы в данных материалах, - продемонстрировать способность лазерных импульсов ультракороткой 2.

длительности (пико- и фемтосекундных) вызывать кристаллизацию внутри объёма фоточувствительного материала благодаря процессам многофотонного поглощения, - подтвердить возможность обратной аморфизации материала ИК излучением CO2 3.

лазера с восстановлением всех первоначальных свойств, - показать возможность управления свойствами материала за счет происходящих в 4.

нем при лазерном воздействии фазово-структурных изменений.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту Локальное сфокусированное воздействие ИК излучения CO2-лазера на длине волны 1.

10,6 мкм при плотностях мощности q ~ 3·105 Вт/м2 и диаметрах пятна облучения 1 мм вызывает образование кристаллических структур в фоточувствительной стеклокерамике ФС-1.





Лазерно-индуцированные локальные изменения структуры материала вызывают 2.

изменение всех его основных физико-химических свойств в облученной области.

При нагреве кристаллических структур, полученных в фоточувствительной 3.

стеклокерамике ФС-1, излучением CO2-лазера со скоростями VНагр 3080 К/с и VОхл 100150 К/с можно осуществить лазерную обратную локальную аморфизацию образцов.

Лазеры УКИ способны вызвать локальную кристаллизацию СК благодаря 4.

процессам нелинейного поглощения в объёме прозрачного материала, тем самым позволяя проводить локальное объёмное структурирование.

Научная новизна работы Обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность быстрой 1.

локальной кристаллизации (К) фоточувствительного литиево-алюмосиликатного стекла (фотоситалла) ФС–1 ИК излучением СО2 лазера с длиной волны 10,6 мкм без использования двухстадийной термообработки.

Впервые показана возможность обратной аморфизации фоточувствительной 2.

стеклокерамики ИК излучением CO2-лазера с восстановлением всех первоначальных свойств.

Впервые получена кристаллизация, индуцированная лазерными импульсами 3.

пикосекундной длительности, которая объяснена двухфотонным поглощением, происходящим через примесные энергетические уровни.

Впервые экспериментально продемонстрирована возможность записи структур 4.

фемтосекундными импульсами на различной (управляемой) глубине.

Практическая ценность Продемонстрирована возможность управления такими свойствами 1.

фоточувствительных материалов как оптическое пропускание, твердость, устойчивость к химическому травлению, за счет фазово-структурных превращений, индуцированных лазерным воздействием.

Показана возможность объёмной (3D) кристаллизации при воздействии УКИ на 2.

фоточувствительную стеклокерамику.

Предложено использование многократных реверсивных фазовых переходов в 3.

фоточувствительной стеклокерамике в качестве основы для оптической памяти нового типа.

Реализация результатов работы Работа частично выполнялась в рамках гранта РФФИ 10-02-00208-а «Модификация структуры стеклокристаллических тонких слоев под действием сверхкоротких импульсов лазерного излучения», а также по государственному контракту П1134 «Новый класс явлений структурно–фазовой перестройки в стеклокристаллических средах под действием лазерного излучения» 2009 – 2011 г. Результаты работы использованы в курсах лекций для магистров.

Апробация работы Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: XXXVII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, СПб, 29 января – 01 февраля 2008;

V Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век», СПб, 15 сентября - 25 октября 2008;

XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, СПб, 03 - 06 февраля 2009;

VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 14 - 17 апреля 2009;

VI международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА–2009», СПб, 19 – 23 октября 2009 г.;

XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, СПб, 02 - 05 февраля 2010;

VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 20-23 апреля г.;

международной конференции "Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий" (FLAMN-10), СПб, 28 июня – 2 июля 2010;

IX международной конференции «Прикладная оптика–2010», СПб, 18 - 22 октября 2010;

VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 12 - 15 Апреля 2011.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения.

Материалы изложены на 143 страницах, включая 56 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 169 наименования на 20 страницах.

Личный вклад автора Все результаты, представленные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии.

Краткое содержание диссертации Во введении сформулированы цели и задачи работы. Показана актуальность тематики.

В главе 1 представлены общие сведения по стеклообразному состоянию вещества, а также методам его получения.

В разделе 1.1 дается общая информация о стеклокристаллических материалах (ситаллах) и фоточувствительных стеклокристаллических материалах (фотоситаллах), рассматривается технологии их создания и обработки В раздел рассматриваются физические основы лазерной обработки 1. стеклокерамических материалов.

В разделе 1.3 описаны применения метода лазерно-индуцированных изменений фазово-структурного состава стеклокерамических материалов для создания устройств широкой функциональности и даны примеры таких устройств. Показано, что лазерная микрообработка в настоящее время является одной из основных технологий изготовления различных видов микроустройств и микросистем и рассмотрены её преимущества относительно таких технологий как механическая обработка, микрообработка сфокусированным ионным лучом и электронно-лучевая обработка.

Также рассмотрена структурно-фазовая модификация стеклокерамических материалов с целью записи информации на примере халькогенидных стекол.

Раздел 1.4 содержит выводы по главе 1.

представлены результаты и обсуждение экспериментальных В главе исследований процессов кристаллизации фотоситаллов, индуцированных воздействием CO2-лазера на длине волны =10,6 мкм.

В разделе 2.1 приводится методика и условия формирования кристаллизованных областей, дается общая схема экспериментальных исследований (Рис. 1) и схема экспериментальной установки, а также параметры режимов обработки.

Для того чтобы выявить влияние различных факторов на процесс кристаллизации, были проведены следующие эксперименты.

Базовый эксперимент, включающий традиционные – облучение УФ лазером (He 1.

Cd или N2) и двухступенчатую термообработку – этапы (УФ+Т);

Следующим шагом явилось совмещение во времени и пространстве облучения УФ 2.

лазером с воздействием CO2-лазера вместо термообработки в печи (УФ+СО2);

Дальнейшее развитие предыдущего эксперимента, который также явился 3.

положительным в смысле образования кристаллической фазы, стало облучение только CO2-лазером без применения УФ и термообработки (СО2);

Следующий, контрольный эксперимент, объединил в себе 4. CO2-лазерное воздействие и традиционную термообработку (СО2+Т).

Рис. 1. Общая схема и результаты исследования: а - протоколы кристаллизации и методы сравнения образующейся кристаллической фазы;

б - предполагаемые кристаллические структуры, соответствующие различным процессам.

В разделе 2.2 рассматривается изменение свойств стеклокерамики после лазерного облучения, которое включает в себя изменение спектроскопических (оптическая прозрачность материала), химических (скорость травления в плавиковой кислоте) и механических (микротвердость материала) свойств, изменение морфологии поверхности материала. Дается заключение о том, эти различия в свойствах материала дают новые возможности формирования лазерным излучением различных областей стеклокерамики или стекла, что может быть использовано для создания широкого спектра микроустройств.

Выдвигается предположение о механизме одноэтапной ИК лазерной кристаллизации.

В разделе 2.3 представлено сравнение результатов ИК лазерной модификации двух фотоситаллов ФС-1 и Фотуран™. Полученные экспериментальные данные свидетельствует о практически полной идентичности состава данных фотоситаллов и о схожести структур, получаемых в процессе их лазерно-индуцированной фазовой модификации.

В разделе 2.4 описывается идентификация полученных кристаллических фаз методами рентгеновской дифрактометрии (РД) и спектроскопии комбинационного рассеяния Средствами РД показывается идентичность образующейся (КР).

кристаллической фазы для трех различных точек на поверхности образцов, кристаллизация которых была проведена по различным протоколам, а в спектрах КР видны сильные пики, центрированные на 605 см-1 и 980 см, принадлежащие метасиликату лития (Li2SiO3), и пики на 406 см-1, 560 см-1 и 1125 см-1 принадлежат дисиликату лития (Li2Si2O5).

По результатам рентгеновской дифракции образующаяся кристаллическая фаза соответствует метасиликату лития, также согласно измерениям РД по формуле Дебая Шерора были рассчитаны размеры кристаллитов образующейся фазы.

В разделе 2.5 приводится обсуждение полученных результатов, где делается предположение, что применение различных режимов обработки, приводит к возникновению 2-х видов структур, стабильных, но отличных друг от друга. Первый тип структур соответствует (УФ+Т) и (СО2+Т) протоколам обработки. Тогда как получение второй группы структур основывается на коротком по времени облучении CO2-лазером с (УФ+СО2) и без (СО2) предварительного УФ воздействия.

Можно видеть, что различие между полученными структурами соответствует различию в способе тепловой обработки: при наличии продолжительного периода термообработки в печи после N2 или CO2-лазерного воздействия, появляются почти те же самые кристаллические структуры. Интересно заметить, что способ создания центров кристаллизации в данном случае не имеет значения – фотоиндуцированное возникновение при УФ облучении или спонтанное при локальном нагреве излучением CO2-лазера.

Противоположная ситуация имеет место, когда вместо равновесной тепловой обработки поверхности применяется короткое, нестационарное и неравновесие воздействие CO2 лазера. Это действие приводит к образованию отличных структур, которые отличаются по внешним признакам (молочно-белый вместо слабо-желтого окраса), демонстрируют различные оптические спектры и скорости травления. Появление двух различных типов структур объясняется при рассмотрении второй стадии процесса кристаллизации - роста кристаллов, который включает в себя рост кристаллической фазы на центрах нуклеации. В случае равновесного нагревания все необходимые элементы проходят к центрам нуклеации без ограничений до возникновения равновесной кристаллической фазы. Но в случае кратковременного действия, процесс нагрева краток и CO2-лазерного неравновесен, и длина диффузии l d ~ d для стекла с коэффициентом диффузии d ~ 1013 м2/с и ~ 1 с: l d ~ 10 7 м 1 м. Поэтому в данном случае проявляются абсолютно отличные неравновесные структуры, Раздел 2.6 содержит ключевые выводы из полученных результатов. В частности, обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность быстрой локальной кристаллизации фоточувствительного литиево-алюмосиликатного стекла (К) (фотоситалла) ФС–1 ИК излучением СО2 лазера с длиной волны 10,6 мкм без использования двухстадийной термообработки;

вследствие фазово-структурных изменений, индуцированных, например, лазерным воздействием, происходит изменение всех свойств материала в облученной области.

В третьей главе представлены результаты и обсуждение экспериментальных исследований процессов кристаллизации фотоситаллов, индуцированных действием УКИ.

Описано многофотонное поглощение, а так же продемонстрировано изменение оптических свойств фотоситалла под действием УКИ.

В разделе 3.1 рассмотрены методика и условия формирования кристаллизованных областей под действием УКИ пико- и фемтосекундной длительности. Длина волны, на которой происходит облучение, не является резонансной для Фотурана™, поэтому взаимодействие излучения с веществом происходить только вблизи фокальной области, где лазерное излучение вызывает нелинейные оптические эффекты за счет многофотонного поглощения. Схемы, использованных экспериментальных установок представлены на Рис. 2.

а б Рис. 2. а - 1 – пикосекундный лазер EKSPLA PL2143;

2 – диафрагма;

3 – Френелевский ослабитель;

4 – фокусирующая линза;

5 – двухосевой координатный столик;

6 – измеритель энергии лазерного излучения;

7 – образец Фотурана™;

8 – система управления.;

б - 1 – фемтосекундный лазер SPECTRA-PHYSICS TSUNAMI, 2 – регенеративный усилитель, 3 – ПЗС матрица, 4- полупрозрачная пластинка, 5 – ослабитель, 6 – объектив (40х/0,60), 7 – 3-х координатный столик с облучаемым материалом.

Отмечено, что и в этом случае образующаяся кристаллическая фаза соответствует метасиликату лития [6].

Основные механизмы последовательной фазово-структурной перестройки в случае УКИ воздействия представлены в разделе 3.2. Первый механизм – это фотоинициируемый процесс скрытого изображения) и последующее (формирование «закрепление» экспозиции (формирование постоянного изображения) в Фотуране™, происходящий в несколько этапов [2], в ходе которых осуществляется ионизация церия и восстановление ионов серебра образующимися фотоэлектронами, с последующим образованием кластеров серебра и осаждением на них кристаллической фазы.

Помимо многофотонного поглощения, среди возможных механизмов генерации свободных электронов, можно отметить следующие: возникающие ионы серебра (центры кристаллизации) могут сенсибилизировать сами себя (1), а поглощение излучения может приводить к образованию дырочных центров немостикового кислорода (NBOHC) в стеклянной матрице, также сопровождающемуся генерацией электронов (2) [7]:

(1), 2 Ag + + h Ag 2 + + Ag (2).

Si O Si + h SiO * + Si * ( E ' ) + e В разделе 3.3 приведены и описаны основные полученные результаты, а также рассмотрены возможности управления параметрами получаемых структур. Показано, что в случае УКИ лазерного воздействия был также получен фазовый переход от аморфного к кристаллическому состоянию внутри объема материала. При этом, как в случае лазерных импульсов пикосекундной длительности, так и фемтосекундной, управляя параметрами воздействия, можно контролировать свойства образующейся кристаллической фазы, например, поглощение материала, или глубину залегания, а также её размеры.

В разделе 3.4 сделаны выводы, исходя из полученных результатов. По-видимому, в основе механизма взаимодействия в случае воздействия пикосекундных лазерных импульсов на длине волны 532 нм с энергией кванта 2,33 эВ, лежит двухфотонное поглощение, происходящие через примесные энергетические уровни, и обеспечивающее ионизацию Ce3+ ионов. Данный процесс требует меньшей энергии для осуществления кристаллизации, чем в случае ИК фемтосекундного облучения, вследствие более высокой вероятности реализации процессов многофотонного поглощения для длины волны 532 нм.

Облучение импульсами фемтосекундной длительности на длине волны 800 нм также позволяет получать структуры различной степени сложности в объеме прозрачного материала, за счет локализации взаимодействия излучения с веществом строго в фокальной области оптической системы. При этом генерация свободных фотоэлектронов происходит за счет последовательного межзонного возбуждения через энергетические состояния, соответствующие дефектам в материале, т.о. что общее число фотонов, участвующих в этой фотореакции, равняется 6 [8].

Глава 4 посвящена следующему этапу исследований, заключающимся в осуществлении обратной аморфизации ФС-1 с использованием ИК излучения CO2–лазера.

В разделе 4.1 описаны методика и условия формирования модифицированных областей. Далее, в разделе 4.2 представлены характеристики обратно аморфизованных областей и изменение свойств модифицированных материалов.

Раздел 4.3 посвящен рассмотрению механизма обратной аморфизации, который, по–видимому, должен быть результатом следующих явлений:

1) расплавление микрокристаллов Li2O–SiO2 с разрывом и освобождением связей дальнего порядка в расплаве:

Li 2 O SiO2 (кристалл) Li 2 O SiO2 (расплав) плавление (3), 2) растворение кластеров серебра в расплаве с разрывом одной слабой внешней связи (освобождением валентных электронов):

Ag Ag + + e растворение кластеров (4), Ce+ захват освободившихся электронов ионами с частичным их 3) восстановлением:

Ce 4+ + e Ce 3+ (5).

Также продемонстрировано, что все полученные по различным протоколам кристаллические структуры являются обратимыми и могут быть переведены в исходное состояния повторным ИК CO2-лазерным воздействием с сохранением всех свойств первоначального материала, что подтверждается спектрами поглощения, скоростями травления, внешним видом и спектрами КР облучённых вторично аморфизованных областей.

Выводы приведены в разделе 4.4. В частности, утверждается, что наряду с режимом лазерно-индуцированной кристаллизации (К) обратная аморфизация позволяет реализовать неоднократные реверсивные изменения структуры ФС–1 – фазово– структурные переходы типа К–А–К и А–К–А.

Глава посвящена обзору практического применения метода лазерно индуцированных изменений фазово-структурного состава стеклокерамических материалов для изготовления микрофотонных и микрооптических устройств. В разделе 5.1 лазерно-индуцированные фазовые переходы представляются как инструмент для создания различных микроустройств. Раздел 5.2 посвящен оптическому хранению информации, в нем подробно рассмотрена оптическая память на основе фазовых переходов, в частности в халькогенидных стеклах и в наночастицах металлов, а также предложена концепция оптической памяти на основе фазовых переходов в фотоситаллах.

В разделе 5.3 представлены выводы по актуальности и перспективности использования лазерного излучения для структурирования фотоситаллов.

В заключении дано общее описание полученных результатов, а так же показана научная новизна, актуальность и практическая ценность работы.

Основные выводы и результаты работы:

1. Обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность локальной кристаллизации фоточувствительного литиево-алюмосиликатного стекла (К) (фотоситалла) ФС–1 ИК излучением СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм. ИК воздействие приводит к образованию центров кристаллизации на основе флуктуаций плотности с последующим ростом кристаллов при ограниченных диффузии и дрейфе элементов, вызывая «замораживание» того или иного метастабильного состояния расплава исходного материала вследствие высоких скоростей нагрева-охлаждения.

2. Показана возможность обратной аморфизации (А) образующейся при лазерной локальной кристаллизации структуры. Механизм аморфизации при лазерном нагревании:

разупорядочивание, плавление поликристаллов, диссоциация молекул серебра с отделение валентных электронов и их последующий захват ионами Ce4+, формирование аморфной фазы стекла.

3. Реализованы неоднократные реверсивные изменения структуры ФС–1 – фазово– структурные переходы типа К–А–К и А–К–А.

4. Излучение СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм может быть использовано в качестве термического зонда, «проявляющего» метастабильные фазы, которые в иных случаях трудно реализуемы.

5. На основе фазового перехода типа А-К впервые были получены микроструктуры внутри фотоситалла Фотуран™ за счет локального воздействия пс импульсов для второй гармоники YAG:Nd-лазера с последующей температурной обработкой. Показано, что путем контроля таких параметров обработки, как плотность энергии облучения и скорости сканирования, в материале могут быть получены глубокозалегающие структуры, размерами и оптическими свойствами которых, также можно управлять.

6. По-видимому, в основе механизма взаимодействия в случае воздействия пс лазерных импульсов на длине волны 532 нм с энергией кванта 2,33 эВ, лежит двухфотонное поглощение, происходящие через примесные энергетические уровни, и обеспечивающее ионизацию Ce3+ ионов. Данный процесс требует меньшей энергии для осуществления кристаллизации, чем в случае ИК фемтосекундного облучения, вследствие более высокой вероятности реализации процессов многофотонного поглощения для длины волны 532 нм.

7. Облучение импульсами фемтосекундной длительности на длине волны 800 нм также позволяет получать структуры различной степени сложности в объеме прозрачного материала, за счет локализации взаимодействия излучения с веществом строго в фокальной области оптической системы. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность записи структур фемтосекундными импульсами на различной (управляемой) глубине.

Показанная в главе 5 практическая ценность работы, а так же предложенные идеи, основанные на полученных результатах, делают работу актуальной на сегодняшний день и перспективной на будущее.

Список использованной литературы:

1. Yang W., Kazansky P.G., Svirko Y.P. Non-reciprocal ultrafast laser writing // Nature Photon. 2008. V. 2. № 2. P. 99-104.

2. Photophysical processes that lead to ablation-free microfabrication in glass-ceramic materials / F. E. Livingston, H. Helvajian // 3D laser microfabrication. Principles and Applications, Weinheim: WILEY-VCH, 2006, P. 287–339.

3. Ultrafast fiber oscillators / Fermann M.E. // Ultrafast Lasers: Technology and Applications, New York: CRC Press, 2003. – 800 с.

Вейко В.П., Киеу К.К. Лазерная аморфизация стеклокерамик: основные 4.

закономерности и новые возможности изготовления микрооптических элементов // Квантовая электроника. 2006. Т. 36, № 11. С. 1-7.

Вейко В.П., Яковлев Е.Б., Шахно Е.А. Физические механизмы быстрой 5.

структурной модификации стеклокерамики при воздействии излучения CO2-лазера // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 2. С. 185-190.

6. Wang Z. K., Zheng H. Y., Zhou W. Fabrication of three-dimensional microfluidic structures inside glass using femtosecond laser // SIMTech technical reports. 2010. V.11. № 1.

P. 11–17.

7. Livingston F.E., Adams P.M., Helvajian H. Inuence of cerium on the pulsed UV nanosecond laser processing of photostructurable glass ceramic materials// Applied Surface Science. –2005. – V. 247. – P.526–536.

8. Hongo T., Sujioka K., Niino H., Cheng Y., Masuda M., Miyamoto I., Takai H., Midorikawa K. Investigation of photoreaction mechanism of photosensitive glass by femtosecond laser // J. of Applied Physics. 2005. Vol. 97, P. 063617-1 4.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах по перечню ВАК:

1. Ageev E., Khanh K., Veiko V. P. Modification of photosensitive glass-ceramic Foturan by ultrashort laser pulses // Proc. SPIE. 2010. Vol. 7996. P. 79960R-79960R-6.

Агеев Э.И., Вейко В.П., Киеу К.К. Модификация фоточувствительной 2.

стеклокерамики «Фотуран» лазерными импульсами ультракороткой длительности // Известия вузов. Приборостроение. 2011. № 2. С. 32-37.

Другие публикации:

Агеев Э.И., Иванова Н.В. Модификация стеклокерамики «Фотуран» лазерными 3.

импульсами фемтосекундной длительности тр. шестой // “ОПТИКА-2009”:

международной конф. молодых ученых и специалистов / СПбГУ ИТМО. СПб. 2009.

С. 315-316.

Агеев Э.И., Иванова Н.В. Лазерно-индуцированная модификация 4.

стеклокерамических материалов // Сборник трудов конференции молодых ученых /СПбГУ ИТМО. СПб. 2009. Вып. 3. С. 147-153.

Агеев Э.И. Модификация структуры стеклокерамических материалов лазерными 5.

импульсами ультракороткой длительности // Сборник тезисов VII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых / СПбГУ ИТМО. СПб. 2010. – Вып. 2.

С. 147-148.

Агеев Э.И., Вейко В.П. Изменение свойств фоточувствительных 6.

стеклокерамических материалов лазерными импульсами пикосекундной длительности // оптика-2010”: сборник трудов Оптическое общество им. Д.С.

“Прикладная / Рождественского. СПб. 2010. Т. 1. С. 80.

Агеев Э.И. Трехмерная модификация прозрачных стеклокерамик лазерными 7.

импульсами ультракороткой длительности // Пятнадцатая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов / Аннотации работ победителей конкурса грантов Санкт Петербурга 2010 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук. СПб. 2010. С. 140.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.