الاجتثاث بالليزر وزجاج التيلوريت و dopant Er2O3

في أي نظام ، بغض النظر عن مدى تعقيده ، وعدد عناصر العمل التي لن يتكون منها ، يمكن للمرء دائمًا تحديد تفاصيل واحدة مهمة بشكل أساسي. لذلك في أنظمة الاتصالات الحديثة ، غالبًا ما يكون أساس الأسس هو الألياف الضوئية ، التي تسمح بنقل البيانات عبر مسافات طويلة وبسرعة عالية. وكل شيء سيكون على ما يرام إذا لم يكن لشعار بعض العلماء - "العالم في كشتبان". لا حرج في رغبتك في تقليل حجم الجهاز ، ومع ذلك ، لا ينبغي أن تكون النسخة المصغرة أدنى من النسخة الأصلية في الأداء ، ولكن قد تتجاوزها.

لنقل الإشارات داخل الجهاز ، حد كمية الألياف المطلوبة. لا يمكنك فقط تقليمها وسيعمل كل شيء أيضًا. لهذا السبب ، بدأ العلماء في دراسة الطرق والمواد البديلة لإرسال الإشارات التي من شأنها تقليل حجم الأجهزة المختلفة. أصبحت مكبرات الدليل الموجي المستوي المستندة إلى زجاج غير عادي أحد الاكتشافات في هذه الدراسات. ومع ذلك ، يجب أن تمر أي تقنية بمرحلة طويلة من التحسين. اليوم سنتعرف على دراسات الاجتثاث بواسطة ليزر فيمتوثانية لسطح زجاج التيلوريت مع خليط من Er ₂ O ₃ . ما هي الميزات التي يمتلكها "المشاركون" في التجارب وما النتائج التي حققها العلماء؟ سنبحث عن إجابات في تقرير الباحثين. دعنا نذهب.

جوهر الدراسة

أجرى باحثون من جامعة ليدز (المملكة المتحدة) دراسات بالليزر على نوع غير عادي من الزجاج ، والذي يمكن أن يكون مادة ممتازة لمضخمات الدليل الموجي ذات النطاق العريض. تم الحصول على المادة عن طريق صناعة سبائك * الإربيوم * من الزنك والصوديوم والتيلوريوم.

المنشطات * - إضافة كمية صغيرة من الشوائب (في هذه الحالة الإربيوم) لتغيير الخصائص الكيميائية و / أو الفيزيائية للمادة. تساعد إضافة الشوائب إلى أشباه الموصلات على تغيير خواصه الكهربائية.

Erbium * هو عنصر أرضي نادر ، يُستخدم في تقنيات الشبكة كخليط عند إنشاء ألياف بصرية لتحقيق تجديد الإشارة عند نقلها لمسافات طويلة ، عندما يكون استخدام محطات التحويل مستحيلًا (على سبيل المثال ، عند وضع مسار تحت الماء).

Dopant * - شائبة تزيد من التوصيل الكهربائي أو البصري للمادة. في هذه الحالة ، هو الإربيوم.

مضخمات الدليل الموجي بالإداريوم ليست جديدة في العامين الماضيين. بالفعل في 90s ، تم تطوير وبحث هذه التكنولوجيا في جميع أنحاء العالم. ووفقًا للباحثين ، فقد استخدموا هذا النوع من المكبرات تمامًا ، نظرًا لأن الانتقال الإلكتروني * للإربيوم يحدث بنفس الطول الموجي (1.5 ميكرون) كما هو الحال في تقنيات الشبكات الحديثة.

الانتقال الإلكتروني * - انتقال الإلكترون داخل الجزيء من مستوى طاقة واحد إلى مستوى أعلى.

من بين أمور أخرى ، استخدم الباحثون استئصال البلازما بالليزر فائق السرعة: يتم توجيه الليزر عالي الكثافة على سطح زجاج مخدر الإربيوم ؛ يخترق شعاع الليزر قمعًا صغيرة (أحواض) على سطح الزجاج ، مما يؤدي إلى تكوين طبقة رقيقة من المادة المتولدة أثناء تكوين القمع. بدائي ، لكنه لا يزال مثالًا: بعد أن تضرب قذيفة الأرض ، يتشكل قمع ، وتغفو الأرض في جميع أنحاء نقطة الارتطام.

في وقت تكوين القمع ، ركز الباحثون انتباههم على عتبة استئصال * الزجاج. كما تم الكشف عن العلاقات بين عتبة الاستئصال وقطر شعاع الليزر وعدد النبضات وتركيز الإربيوم في منطقة "تأثير" الليزر.

الاستئصال * هو طريقة لإزالة مادة من السطح بواسطة نبضة ليزر.

تصور عملية الاجتثاث بالليزر. نرى أيضًا تشكيل قمع

خضعت القمع المشكلة أيضًا لدراسة تفصيلية ، نظرًا لأن مورفولوجيتها يمكن أن تخبر الباحثين عن كيفية التحكم بشكل أفضل في مسامية المادة وقدرتها على امتصاص الضوء وتناثره.

إعداد النموذج الأولي

تتكون عينات الزجاج التجريبية من (80-x) TeO 2–10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ ، حيث:

• س يساوي في عينات مختلفة 0.00 ، 0.25 ، 0.50 0.75 ، 1.00 ، 1.25 ، 1.50 مول في المائة * ؛
• TeO ₂ - ثاني أكسيد التيلوريوم ؛
• ZnO - أكسيد الزنك ؛
• Na ₂ O - أكسيد الصوديوم ؛
• Er ₂ O ₃ هو أكسيد الإربيوم.

النسبة المئوية للمول * - تساوي مولًا من كسر مضروبًا في 100 ، وبالتالي يُظهر عدد مولات المادة الموجودة في 100 مول في محلول.

هذه المواد الكيميائية هي كواشف تحليلية ولها نقاء أكثر من 99.99 ٪. تم تصنيع الزجاج بطريقة قياسية عن طريق الصهر والتلطيف. وبعبارة أخرى ، فإن أساس هذه المادة هو زجاج التيلوريت (المشار إليه فيما يلي باسم TZN ) ، والذي يجب أن يحتوي في تكوينه على ثاني أكسيد التيلوريوم ، والذي نراه من الصيغة أعلاه.

بعد تحديد الكتلة المولية لكل من المركبات الكيميائية المعنية ، يتم طحن المواد إلى مسحوق ناعم باستخدام هاون ومدقة رخامية.

ثم تم وضع بوتقة ذهبية * مع زجاج نموذج في فرن عند درجة حرارة 875 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.

Crucible * - وعاء لإطلاق مواد مختلفة أو صهرها أو تجفيفها أو تسخينها. في تصنيع البوتقة ، تعتبر مقاومة الحريق ومقاومة أنواع مختلفة من التأثيرات مهمة. في هذه الحالة ، يتم استخدام بوتقة ذهبية ، لأنها ممتازة للعمل الكيميائي الدقيق للغاية.

في الوقت نفسه ، تم تقليل إمداد الأكسجين إلى 1-2 لتر / دقيقة لإزالة البخار من غرفة الفرن والحفاظ على مستوى منخفض من زجاج OH.

ثم يسكب الذوبان في شكل نحاس مسخن مسبقًا وينقل إلى فرن ، عند درجة حرارة 295 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. كانت هذه المرحلة ضرورية لإزالة التشوهات الحرارية والميكانيكية. تم تبريد العينة النهائية إلى درجة حرارة الغرفة بمعدل 0.5 درجة مئوية / دقيقة.

المرحلة النهائية من التصنيع: تم قطع العينات إلى قطع بحجم 30h30h3 نانومتر ³ وصقلها لتحقيق الجودة البصرية.

كانت عملية تصنيع زجاج الاختبار بالكامل ، كما ترون ، مستهلكة للوقت للغاية وارتبطت بقياسات دقيقة للغاية لكل من الكتلة المولية للمواد المكونة ودرجات الحرارة التي أجريت فيها العمليات. ننتقل الآن إلى البحث عن إجابة للسؤال: هل اللعبة تستحق الشمعة؟ وبعبارة أخرى ، ما هي النتائج التي تظهرها هذه المادة التي يصعب تصنيعها.

الخصائص البصرية للعينات

أظهرت الصور الشعاعية أن العينات غير متبلورة. أدى إدخال 1.5 مول في المئة Er ₂ O ₃ في تكوين العينة إلى زيادة كثافتها من 5.18 إلى 5.27 جم / سم ³ . هذه الزيادة مبررة باستبدال TeO ₂ بـ Er ₂ O ₃ ، التي لها وزن جزيئي أعلى. مؤشر انكسار زجاج التيلوريت هو 2.048. وأدت الزيادة في عدد أيونات Er ³⁺ إلى حقيقة أن العينة تحولت إلى اللون الوردي الداكن (قبل أن تكون شفافة) ، وهو ما يرتبط بانتقال الإلكترونات إلى حالة متحمسة.


الجدول رقم 1

يوضح الرسم البياني أعلاه طيف الامتصاص للعينات المحسوبة بالصيغة:

α (ν) = أ / ل ، أين

L هو سمك العينة ؛
A هو الامتصاص الذي يقيسه مطياف.

يظهر TZN امتصاصًا غير معبر يبلغ حوالي 0.11 سم ^-1 بعد حافة نطاق امتصاص الأشعة فوق البنفسجية * عند 387 نانومتر.

تعد حافة نطاق الامتصاص * مؤشرًا لطاقة الإشعاع ، والتي يتجاوز فيها امتصاص هذا الإشعاع بواسطة مادة بشكل حاد.

إذا أضفنا منشطًا على شكل أيونات Er ³⁺ ، فسيتم ملاحظة 11 انتقالات ملحوظة من الحالة الأرضية ( ⁴ I _15/2 ) إلى العديد من المتحمسين:

⁴ I _13/2 ، ⁴ I _11/2 ، ⁴ I _9/2 ، ⁴ F _9/2 ، ⁴ S _3/2 ، ² H _11/2 ، ⁴ F _7/2 ، ⁴ F _5/2 ، ⁴ F _3/2 ، ² هـ _9/2 ، ⁴ ج _11/2

كل منها يتوافق مع الطول الموجي:

1531 (بقفزة صغيرة 1497) ، 976 ، 800 ، 653 ، 545 ، 522 ، 489 ، 452 ، 444 ، 407 و 380 نانومتر.

تنقسم مستويات الطاقة لأيون Er ³⁺ داخل العينة بسبب تأثير ستارك * .

تأثير ستارك * هو إزاحة وتقسيم حالة النظام الفرعي الإلكتروني لأيون الذي يحدد مستوى الطاقة في مجال كهربائي خارجي.

عند تركيز مختلف من dopant ، أظهرت العينات نتائج مماثلة ، عندما زادت القمم مع زيادة تركيز أيونات Er ³⁺ في الزجاج.

مورفولوجيا القمع

لفهم جميع خصائص العينة ، من الضروري الانتباه إلى مسارات التحويل التي تشكلت عليها.


شكل 2: القمع وخصائصها

تُظهر الصورة 2 أ صور قمع التقطتها مجهر القوة الذرية. تم تشكيل كل قمع بواسطة نبضة ليزر واحدة بقوة 36.4 و 56.8 و 88.4 μJ (ميكروجول ، 1 μJ = 10 ⁻⁶ J). كان حجم نقطة التعرض للنبض 32.0 ميكرومتر.

كما يتبين من الرسم البياني المقارن أسفل الصور ، فإن الملف الشخصي لكل مسار تحويل صغير إلى حد ما. عند مستوى منخفض من طاقة النبض ، عندما تكون الطلاقة * J 2 J / cm ² ، تتخذ مسارات القمع شكلًا أسطوانيًا. مع زيادة أخرى في الطلاقة ، تمر مسارات التحويل إلى ملف تعريف Gaussian.


لقطة العينة مع مسارات التحويل مرئية

فلوانس * - جزء لا يتجزأ من كثافة أو تدفق الجسيمات.

هناك حواف بارزة حول مسارات التحويل بارتفاع 20 إلى 50 نانومتر. مع زيادة طلاقة الليزر ، يزيد ارتفاع الحواف أيضًا. من بين أمور أخرى ، لوحظت انفجارات شعاعية. ميزات مماثلة ترجع إلى تشكيل منطقة منصهرة رقيقة تحت منطقة الاجتثاث والتدفق الناتج عن البلازما. أي ، مع انخفاض طلاقة الليزر ، قد يكون ضغط البلازما منخفضًا جدًا لإطلاق المواد المنصهرة من القمع. نتيجة لهذه العوامل ، تحدث إعادة التصلب ، مما يؤدي إلى تكوين قاع مسطح من القمع.

سيكون التأثير المماثل أقوى في زجاج التيلورايت نظرًا لانخفاض درجة حرارة التزجج * مقارنةً بالأنواع الأخرى من الزجاج.

درجة حرارة التزجج الزجاجي - درجة الحرارة التي تتحول فيها المادة المبلورة إلى حالة زجاجية.

2 ب هي صور لمجهر تباين تباين تفاضلي ، نرى فيه مداخل تتشكل بطاقة نبضة ليزر تبلغ 45.8 μJ ، وحجم نقطة التعرض 13.9 ميكرومتر ، وعدد مختلف من النبضات.


الصورة رقم 3

تُظهر الصورة أعلاه صور مسارات القمع ذات تأثيرات الليزر المختلفة وعدد نبضات الليزر من 10 إلى 32.

يؤدي تشعيع 32 نبضة ، كونها قريبة بما يكفي من عتبة الاستئصال ، إلى تكوين سطح متموج في القمع ( 3d ) ، والذي لا يوجد في العينة عند 10 نبضات ( 3 أ ).

كانت هذه "الموجات" أكثر تميزًا وتجانسًا عندما كانت الطلاقة أعلى من 5 أضعاف عتبة الاستئصال النبضي (0.85 جول / سم ² ). كان تردد الموجة 1.4 ميكرومتر ، وهو أكثر من الطول الموجي للحادث.

في 3e و 3 f ، يمكنك رؤية عدم انتظام الدائرة والنعومة في منتصف القمع ، حيث يكون للشعاع الغوسي تأثير أقل. إذا كانت الطلاقة أكبر ، يتم تكوين منطقة عمودية ( 3f ).

Dopant Er ³⁺ أيون

لم تظهر قياسات عتبة الاجتثاث للعينة مع إضافة Er ³⁺ أيون وحجم منطقة تشعيع الليزر البالغة 13.9 ميكرومتر تغييرات كبيرة عندما تغير تركيز dopant.

من أجل الامتثال لصيغة الاجتثاث المشتقة ، والتي لا تزال دون تغيير لعدد مختلف من النبضات ، كان المتوسط ​​والانحراف المعياري للمعلمات لجميع العينات على النحو التالي:

F _th (1) = 0.51 ± 0.03 جول / سم ² ؛
F _th (∞) = 0.18 ± 0.01 جول / سم ² ؛
ك = 0.053 ± 0.009.

F _th (N) = F _th (∞) + [F _th (1) - F _th (∞)] e ^{-k (N-1)} ، حيث

F _th هو عتبة الاستئصال ؛
N هو عدد النبضات لكل نقطة تعرض ؛
k هي معلمة تحدد السرعة التي تقترب بها عتبة الطلاقة من قيمة الزخم اللانهائي ؛

من المتوقع أن تكون هذه المؤشرات منخفضة إذا كان تركيز المنشطات منخفضًا للأسباب التالية:

• الاستئصال بالليزر فيمتوسكوند هو عملية غير خطية بسبب مجال الليزر شديد الشدة مع مدة نبضة قصيرة. وبسبب ذلك ، يعد حجم المنطقة المحظورة * أحد المعلمات الرئيسية التي تصف هذه العملية. ولم يتغير بأي شكل من الأشكال بزيادة تركيز أيونات Er ³⁺ ؛
• عند أقصى تركيز للشبة (1.5 مول في المائة) ، زاد الامتصاص الخطي للعينة من 0.11 سم ^-1 إلى 0.85 سم ^-1 . يبلغ معامل الامتصاص لعملية غير خطية 5.4104 سم ^-1 ، وهو ما يزيد بمقدار 5 مرات عن الحجم إذا كانت العملية خطية ، مما يشير إلى عدم وجودها في العينة.
• التغيرات الجسدية في بارامترات الزجاج (الكثافة ، معامل الانكسار ، ونقطة الانصهار) غير ذات أهمية عند تركيز منخفض من المنشطات. ونتيجة لذلك ، لا يتغير عتبة الاستئصال.

المنطقة المحرمة * هي نطاق قيم الطاقة التي لا يمكن للإلكترون امتلاكها في جسم بلوري مثالي.

الملخص

تمكن الباحثون من تحليل خصائص زجاج التيلورايت الممزوج مع Er ₂ O ₃ تحت تأثير إشعاع الليزر الفيمتو ثانية. كانت فجوة النطاق في العينة 3.276 فولت (إلكترون فولت) ، وهي أعلى مرتين من طاقة الفوتون لليزر (1.55 فولت أو 800 نانومتر). يعتمد التشكيل الجانبي للمسارات التي تم إنشاؤها بواسطة نبضات الليزر بشكل مباشر على الطلاقة المطبقة وعدد النبضات. عندما تكون الطلاقة أقل من المتوسط ​​(2 جول / سم ² ) ، تكون مسارات القمع أسطوانية. إذا كانت الطلاقة أعلى من المتوسط ​​، فإن مسارات التحويل تكتسب ميزات ملف تعريف غوسي. تحدد الطلاقة وعدد النبضات ما إذا كان هناك بنية نانوية أو كلية للعينة. كان تردد "الموجات" على سطح العينة 1.4 ميكرومتر عندما تم تطبيق العديد من النبضات بالقرب من عتبة الاستئصال.

أظهرت قياسات أقطار القمع عند السوائل المختلفة عتبة استئصال نبضة واحدة تبلغ 0.51 جول / سم ² بقطر 13.9 ميكرومتر و 0.32 جول / سم ² بقطر 32.0 ميكرومتر. تم الكشف عن عتبة الاجتثاث للعديد من النبضات بعد تطبيق حوالي 50 نبضة وكانت تساوي 40٪ من عتبة النبضة الواحدة.

وقد وجد أيضًا أن عتبة الاستئصال تتناقص مع زيادة قطر نقطة التعرض لإشعاع الليزر ، بسبب زيادة احتمال أن شعاع الليزر يمكن أن يتلف العينة.

مع زيادة تركيز شوائب Er ₂ O ₃ إلى 1.5 مول في المئة ، لم يتغير عتبة الاستئصال. كانت كمية المادة التي تمت إزالتها بوحدة من الطاقة المطبقة 6.8 ميكرومتر ³ / μJ عند طلاقة 2 J / cm ² . انخفض هذا المؤشر بشكل خطي.

قد يرتبط انخفاض كفاءة الاجتثاث مع زيادة الطلاقة بزيادة في انعكاسية سطح العينة.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بتفاصيل الدراسة ، أوصي بشدة أن تتعرف على تقرير العلماء.

الخاتمة

دراسات مماثلة ضرورية في الحقائق الحديثة ، عندما يصبح أي جهاز أصغر وأصغر. من أجل الحفاظ على إنتاجيتها ، بل وحتى زيادتها في بعض الأحيان ، من الضروري دراسة خصائص المواد الجديدة ، وإعادة اكتشاف المواد المعروفة بالفعل ، وحتى الجمع بين الجديد والمواد القديمة المنسية منذ فترة طويلة. بالطبع ، كل شيء له حده الخاص ، بسبب الخصائص الفيزيائية. ومع ذلك ، يوضح لنا العلماء من وقت لآخر أن هذا الحد لم يتم الوصول إليه بعد.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟