Ablación láser, vidrio telurito y dopante Er2O3

En cualquier sistema, no importa cuán complejo sea, de cuántos elementos de trabajo no consista, siempre se puede destacar un detalle fundamentalmente importante. Entonces, en los sistemas de comunicación modernos, la base de los cimientos a menudo son las fibras ópticas, que permiten que los datos se transmitan a largas distancias y a alta velocidad. Y todo estaría bien si no fuera por el eslogan de algunos científicos: "el mundo está en un dedal". No hay nada de malo en querer minimizar el tamaño de un dispositivo, sin embargo, la versión mini no debe ser inferior al original en rendimiento, pero puede excederlo.

Para transmitir señales dentro del dispositivo, hay un límite en la cantidad de fibra requerida. No puede simplemente recortarlo y todo funcionará igual de bien. Por esta razón, los científicos comenzaron a estudiar métodos y materiales alternativos para transmitir señales que permitirían reducir el tamaño de varios dispositivos. Los amplificadores de guía de onda plana basados ​​en vidrio inusual se han convertido en uno de los descubrimientos en tales estudios. Sin embargo, cualquier tecnología debe pasar por una larga etapa de mejora. Hoy nos familiarizaremos con los estudios de la ablación por un láser de femtosegundo de la superficie del vidrio telurito con una mezcla de Er ₂ O ₃ . ¿Qué características tienen los "participantes" de los experimentos y qué resultados han logrado los científicos? Buscaremos respuestas en el informe de los investigadores. Vamos

La esencia del estudio.

Investigadores de la Universidad de Leeds (Reino Unido) realizaron estudios con láser de un tipo inusual de vidrio, que puede ser un material excelente para los amplificadores de guía de onda plana de banda ancha. El material se obtuvo mediante la aleación de sustancias * erbio * a partir de zinc, sodio y teluro.

Dopaje * : agrega una pequeña cantidad de impurezas (en este caso, erbio) para cambiar las propiedades químicas y / o físicas del material. Agregar impurezas a un semiconductor ayuda a cambiar sus propiedades eléctricas.

El erbio * es un elemento de tierras raras, utilizado en tecnologías de red como una mezcla para crear fibras ópticas para lograr la regeneración de la señal cuando se transmite a largas distancias, cuando el uso de estaciones de conversión es imposible (por ejemplo, al colocar una pista bajo el agua).

Dopante * : una impureza que aumenta la conductividad eléctrica u óptica de un material. En este caso, es erbio.

Los amplificadores de guía de onda dopados con erbio no son nuevos en los últimos años. Ya en los años 90, el desarrollo e investigación de esta tecnología se llevó a cabo en todo el mundo. Según los investigadores, utilizaron exactamente este tipo de amplificadores, ya que la transición electrónica * para el erbio se produce a la misma longitud de onda (1,5 micras) que en las tecnologías de red modernas.

Transición electrónica * : la transición de un electrón dentro de una molécula de un nivel de energía a uno superior.

Entre otras cosas, los investigadores utilizaron la ablación con plasma láser ultrarrápida: un láser de alta intensidad se dirige a la superficie de un vidrio dopado con erbio; Un rayo láser perfora pequeños embudos (canales) en la superficie del vidrio, lo que conduce a la formación de una película delgada a partir del material generado durante la formación de los embudos. Un ejemplo primitivo, pero aún así: después de que un proyectil golpea el suelo, se forma un embudo y la tierra se duerme alrededor del punto de impacto.

En el momento de la formación de los embudos, los investigadores centraron su atención en el umbral para la ablación * de vidrio. También se revelaron las relaciones entre el umbral de ablación y el diámetro del rayo láser, el número de pulsos y la concentración de erbio en la región del "impacto" del láser.

La ablación * es un método para eliminar una sustancia de una superficie mediante un pulso láser.

Visualización del proceso de ablación por láser. También vemos la formación de un embudo

Los embudos formados también fueron objeto de un estudio detallado, ya que su morfología puede decir a los investigadores cómo controlar mejor la porosidad del material y su capacidad para absorber y dispersar la luz.

Preparación del prototipo.

Las muestras experimentales de vidrio consisten en (80-x) TeO ₂ –10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ , donde:

• x es igual en diferentes muestras a 0.00, 0.25, 0.50 0.75, 1.00, 1.25, 1.50 mol-por ciento * ;
• TeO ₂ - dióxido de telurio;
• ZnO - óxido de zinc;
• Na2O - óxido de sodio;
• Er ₂ O ₃ es óxido de erbio.

Porcentaje molar * : es igual a un mol de una fracción por 100, lo que muestra cuántos moles de una sustancia contienen 100 mol de una solución.

Estos productos químicos son reactivos analíticos y tienen una pureza de más del 99,99%. El vidrio se sintetizó de manera estándar mediante fusión y templado. En otras palabras, la base de esta sustancia es el vidrio de telurita (en adelante, simplemente TZN ), que en su composición debe contener dióxido de telurio, que vemos en la fórmula anterior.

Después de determinar la masa molar de cada uno de los compuestos químicos involucrados, las sustancias se molieron en polvo fino usando un mortero de mármol y una mano de mortero.

Luego se colocó un crisol de oro * con un prototipo de vidrio en un horno a una temperatura de 875 ° C durante 3 horas.

Crisol * : un recipiente para cocer, fundir, secar o calentar varios materiales. En la fabricación del crisol, la resistencia al fuego y la resistencia a varios tipos de impacto son importantes. En este caso, se utiliza un crisol de oro, ya que es excelente para trabajos químicos de alta precisión.

Al mismo tiempo, el suministro de oxígeno se redujo a 1-2 l / min para eliminar el vapor de la cámara del horno y mantener un nivel bajo de vidrio OH.

Luego, la masa fundida se vertió en una forma precalentada de latón y se transfirió a un horno, donde a una temperatura de 295 ° C fue durante 4 horas. Esta etapa fue necesaria para eliminar las deformaciones térmicas y mecánicas. La muestra terminada se enfrió a temperatura ambiente a una velocidad de 0,5 ° C / min.

La etapa final de fabricación: las muestras se cortaron en trozos de 30h30h3 nm ³ y se pulieron para lograr una calidad óptica.

Como puede ver, todo el proceso de fabricación del vidrio de prueba consumió mucho tiempo y se asoció con mediciones muy precisas tanto de la masa molar de las sustancias constituyentes como de las temperaturas a las que se llevaron a cabo las operaciones. Ahora pasamos a la búsqueda de la respuesta a la pregunta: ¿vale la pena el juego? En otras palabras, qué resultados muestra una sustancia tan difícil de fabricar.

Propiedades ópticas de las muestras

Las radiografías mostraron que las muestras son amorfas. La introducción de 1,5 por ciento en moles de Er ₂ O ₃ en la composición de la muestra aumentó su densidad de 5,18 a 5,27 g / cm ³ . Este aumento se justifica al reemplazar TeO ₂ con Er ₂ O ₃ , que tiene un peso molecular más alto. El índice de refracción del vidrio telurito es 2.048. Y un aumento en el número de iones Er ³⁺ llevó al hecho de que la muestra se volvió rosa oscuro (antes de eso era transparente), lo que está asociado con la transición de electrones a un estado excitado.


Horario No. 1

El gráfico anterior muestra el espectro de absorción de las muestras calculadas por la fórmula:

α (ν) = A / L , donde

L es el grosor de la muestra;
A es la absorbancia medida por el espectrómetro.

TZN muestra una absorción inexpresiva de aproximadamente 0.11 cm ^-1 después del borde de la banda de absorción * UV a 387 nm.

El borde de la banda de absorción * es un indicador de la energía de radiación, superando la cual la absorción de esta radiación por una sustancia aumenta bruscamente.

Si agregamos un dopante en forma de iones Er ³⁺ , entonces se observan 11 transiciones notables desde el estado fundamental ( ⁴ I _15/2 ) a varias excitadas:

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 H _9/2 , ⁴ G _11/2

cada uno de los cuales correspondía a una longitud de onda:

1531 (con un pequeño salto de 1497), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 y 380 nm.

Los niveles de energía del ion Er ³⁺ dentro de la muestra se dividen debido al efecto Stark * .

El efecto Stark * es el desplazamiento y la división del estado del subsistema electrónico de un ion que determina el nivel de energía en un campo eléctrico externo.

A una concentración diferente de dopante, las muestras mostraron resultados similares, cuando los picos aumentaron al aumentar la concentración de iones Er ³⁺ en el vidrio.

Morfología del embudo

Para comprender todas las propiedades de la muestra, es necesario prestar atención a los embudos formados en ella.


Imagen No. 2: embudos y sus características

La imagen 2a muestra imágenes de embudo tomadas por un microscopio de fuerza atómica. Cada embudo estaba formado por un solo pulso láser con una potencia de 36.4, 56.8 y 88.4 μJ (microjulio, 1 μJ = 10 ⁻⁶ J). El tamaño del punto de exposición al pulso fue de 32.0 μm.

Como se puede ver en el gráfico comparativo debajo de las imágenes, el perfil de cada uno de los embudos es bastante pequeño. A un nivel bajo de potencia de pulso, cuando la fluencia * es ≲ 2 J / cm ² , los embudos toman una forma cilíndrica. Con un aumento adicional en la fluencia, los embudos pasan al perfil gaussiano.


Una instantánea de la muestra con embudos visibles

Fluencia * : tiempo integral de la densidad de flujo de partículas o energía.

Hay bordes sobresalientes alrededor de los embudos con una altura de 20 a 50 nm. Con el aumento de la fluencia del láser, la altura de los bordes también aumenta. Entre otras cosas, se notaron explosiones radiales. Características similares se deben a la formación de una región fundida delgada debajo de la zona de ablación y al flujo generado por plasma. Es decir, con una baja fluencia del láser, la presión del plasma puede ser demasiado baja para liberar el material fundido del embudo. Como resultado de tales factores, se produce el endurecimiento, lo que lleva a la formación de un fondo plano del embudo.

Un efecto similar será más fuerte en el vidrio telurito debido a su baja temperatura de transición vítrea * en comparación con otros tipos de vidrio.

Temperatura de transición vítrea * : la temperatura a la cual la sustancia cristalizadora entra en estado vítreo.

2b son fotografías de un microscopio de contraste de interferencia diferencial en el que vemos embudos formados con una potencia de pulso láser de 45.8 μJ, el tamaño del punto de exposición 13.9 μm y un número diferente de pulsos.


Imagen No. 3

La imagen de arriba muestra las imágenes de embudos con diferentes fluencias láser y el número de pulsos láser de 10 a 32.

La irradiación de 32 pulsos, estando lo suficientemente cerca del umbral de ablación, conduce a la formación de una superficie ondulada del embudo ( 3d ), que no está en la muestra a 10 pulsos ( 3a ).

Tales "ondas" fueron más distintas y homogéneas cuando la fluencia fue menos de 5 veces mayor que el umbral de ablación de pulso (0.85 J / cm ² ). La frecuencia de onda fue de 1,4 μm, que es más que la longitud de onda incidente.

En 3e y 3f, puede ver las irregularidades del círculo y la suavidad en el centro del embudo, donde el haz gaussiano tenía una fluencia más baja. Si la fluencia es aún mayor, se forma una región en columna ( 3f ).

Dopant Er ³⁺ ion

Las mediciones del umbral de ablación de la muestra con la adición de iones Er ³⁺ y el tamaño de la región de irradiación láser de 13,9 μm no mostraron cambios significativos con un cambio en la concentración de dopante.

Para cumplir con la fórmula de ablación derivada, que permanece sin cambios para un número diferente de pulsos, la desviación estándar y media de los parámetros para todas las muestras fue la siguiente:

F _th (1) = 0.51 ± 0.03 J / cm ² ;
F _th (∞) = 0.18 ± 0.01 J / cm ² ;
k = 0.053 ± 0.009.

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

F _th es el umbral de ablación;
N es el número de pulsos por punto de exposición;
k es un parámetro que determina la velocidad a la cual el umbral de fluencia se aproxima a un valor de momento infinito;

Tales indicadores se esperan si la concentración de dopante es baja, debido a las siguientes razones:

• La ablación con láser de femtosegundo es un proceso no lineal debido al campo láser altamente intenso con una duración de pulso corta. Debido a qué, la magnitud de la zona prohibida * es uno de los principales parámetros que describen este proceso. Y no cambió de ninguna manera con el aumento de la concentración de iones Er ³⁺ ;
• a la concentración máxima de dopante (1,5 por ciento en moles), la absorción lineal de la muestra aumentó de 0,11 cm ^-1 a 0,85 cm ^-1 . El coeficiente de absorción para un proceso no lineal es 5.4104 cm ^-1 , que es 5 órdenes de magnitud más si el proceso es lineal, lo que indica la ausencia del mismo en la muestra.
• Los cambios físicos en los parámetros del vidrio (densidad, índice de refracción y punto de fusión) son insignificantes a una baja concentración de dopante. Como resultado, el umbral de ablación no cambia.

La zona prohibida * es el rango de valores de energía que un electrón no puede poseer en un cuerpo cristalino ideal.

Resumen

Los investigadores pudieron analizar las características del vidrio telurito mezclado con Er ₂ O ₃ bajo la influencia de la radiación láser de femtosegundo. El intervalo de banda de la muestra fue de 3.276 eV (electrón-voltio), que es dos veces mayor que la energía fotónica del láser (1.55 eV u 800 nm). El perfil de los embudos creados por pulsos láser depende directamente de la fluencia aplicada y del número de pulsos. Cuando la fluencia está por debajo del promedio (2 J / cm ² ), los embudos son cilíndricos. Si la fluencia es superior a la media, los embudos adquieren las características de un perfil gaussiano. La fluencia y el número de pulsos determinan si existe una nanomestructuración o macroestructuración de la muestra. La frecuencia de las "ondas" en la superficie de la muestra fue de 1,4 μm cuando se aplicaron varios pulsos cerca del umbral de ablación.

Las mediciones de los diámetros de los embudos a diferentes fluencias mostraron un umbral de ablación de pulso único de 0,51 J / cm ² para un diámetro de 13,9 μm y 0,32 J / cm ² para un diámetro de 32,0 μm. El umbral de ablación para varios pulsos se detectó después de aplicar aproximadamente 50 pulsos y fue igual al 40% del umbral para un solo pulso.

También se descubrió que el umbral de ablación disminuye al aumentar el diámetro del punto de exposición a la radiación láser, debido a la mayor probabilidad de que el rayo láser pueda dañar la muestra.

Con un aumento en la concentración de impurezas Er ₂ O ₃ a 1,5 por ciento en moles, el umbral de ablación no cambió. La cantidad de material eliminado en una unidad de energía aplicada fue de 6,8 μm ³ / μJ con una fluencia de 2 J / cm ² . Este indicador disminuyó linealmente.

Una disminución en la eficiencia de la ablación con el aumento de fluencia puede estar asociada con un aumento en la reflectividad de la superficie de la muestra.

Para un conocimiento más detallado de los detalles del estudio, le recomiendo que se familiarice con el informe de los científicos.

Epílogo

Se necesitan estudios similares en las realidades modernas, cuando cualquier dispositivo se vuelve cada vez más pequeño. Para preservar, y a veces incluso aumentar, su productividad, es necesario estudiar las características de los nuevos materiales, redescubrir lo ya conocido e incluso combinar lo nuevo con lo viejo olvidado hace mucho tiempo. Por supuesto, todo tiene su propio límite, debido a las características físicas. Sin embargo, los científicos nos muestran de vez en cuando que este límite aún no se ha alcanzado.

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