Ablation laser, verre tellurique et dopant Er2O3

Dans n'importe quel système, quelle que soit sa complexité, son nombre d'éléments de travail, il ne peut pas toujours distinguer un détail fondamentalement important. Ainsi, dans les systèmes de communication modernes, la base des fondations est souvent la fibre optique, qui permet de transmettre des données sur de longues distances et à grande vitesse. Et tout irait bien sans le slogan de certains scientifiques - "le monde est en dés à coudre". Il n'y a rien de mal à vouloir minimiser la taille d'un appareil, cependant, la version mini ne doit pas être inférieure à l'original en termes de performances, mais peut la dépasser.

Pour transmettre des signaux à l'intérieur de l'appareil, une limite sur la quantité de fibre requise. Vous ne pouvez pas simplement le couper et tout fonctionnera aussi bien. Pour cette raison, les scientifiques ont commencé à étudier des méthodes et des matériaux alternatifs pour transmettre des signaux qui permettraient de réduire la taille de divers appareils. Les amplificateurs à guide d'onde plan basés sur du verre inhabituel sont devenus l'une des découvertes de ces études. Cependant, toute technologie doit passer par une longue phase d'amélioration. Aujourd'hui, nous allons nous familiariser avec l'étude de l'ablation par un laser femtoseconde de la surface du verre de tellurite avec un mélange d'Er ₂ O ₃ . Quelles sont les caractéristiques des «participants» aux expériences et quels résultats les scientifiques ont-ils obtenus? Nous chercherons des réponses dans le rapport des chercheurs. Allons-y.

L'essence de l'étude

Des chercheurs de l'Université de Leeds (Royaume-Uni) ont mené des études au laser sur un type de verre inhabituel, qui peut être un excellent matériau pour les amplificateurs à guide d'ondes plats à large bande. Le matériau a été obtenu en alliant des substances * erbium * à partir de zinc, de sodium et de tellure.

Dopage * - ajout d'une petite quantité d'impuretés (dans ce cas, de l'erbium) pour modifier les propriétés chimiques et / ou physiques du matériau. L'ajout d'impuretés à un semi-conducteur aide à modifier ses propriétés électriques.

L'erbium * est un élément des terres rares, utilisé dans les technologies de réseau comme mélange lors de la création de fibres optiques pour réaliser la régénération du signal lors de sa transmission sur de longues distances, lorsque l'utilisation de stations de conversion est impossible (par exemple, lors de la pose d'une piste sous l'eau).

Dopant * - une impureté qui augmente la conductivité électrique ou optique d'un matériau. Dans ce cas, c'est de l'erbium.

Les amplificateurs à guide d'ondes dopés à l'erbium ne sont pas nouveaux depuis quelques années. Déjà dans les années 90, le développement et la recherche de cette technologie étaient menés dans le monde entier. Selon les chercheurs, ils ont utilisé exactement ce type d'amplificateurs, car la transition électronique * pour l'erbium se produit à la même longueur d'onde (1,5 microns) que dans les technologies de réseaux modernes.

Transition électronique * - la transition d'un électron à l'intérieur d'une molécule d'un niveau d'énergie à un niveau supérieur.

Entre autres, les chercheurs ont utilisé l'ablation au plasma laser ultra-rapide: un laser à haute intensité est dirigé sur la surface d'un verre dopé à l'erbium; un faisceau laser perce de petits entonnoirs (auges) sur la surface du verre, ce qui conduit à la formation d'un film mince à partir du matériau généré lors de la formation des entonnoirs. Un primitif, mais toujours un exemple: après qu'un obus ait touché le sol, un entonnoir se forme et la terre s'endort tout autour du point d'impact.

Lors de la formation des entonnoirs, les chercheurs ont concentré leur attention sur le seuil d' ablation * du verre. Les relations entre le seuil d'ablation et le diamètre du faisceau laser, le nombre d'impulsions et la concentration d'erbium dans la région de «l'impact» du laser ont également été révélées.

L'ablation * est une méthode d'élimination d'une substance d'une surface par une impulsion laser.

Visualisation du processus d'ablation laser. On voit aussi la formation d'un entonnoir

Les entonnoirs formés ont également fait l'objet d'une étude détaillée, car leur morphologie peut indiquer aux chercheurs comment mieux contrôler la porosité du matériau et sa capacité à absorber et à diffuser la lumière.

Préparation du prototype

Les échantillons de verre expérimentaux sont constitués de (80-x) TeO ₂ –10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ , où:

• x est égal dans différents échantillons à 0,00, 0,25, 0,50 0,75, 1,00, 1,25, 1,50 % en mole * ;
• TeO ₂ - dioxyde de tellure;
• ZnO - oxyde de zinc;
• Na ₂ O - oxyde de sodium;
• Er ₂ O ₃ est l'oxyde d'erbium.

Pourcentage en moles * - est égal à une mole d'une fraction multipliée par 100, montrant ainsi combien de moles d'une substance sont contenues dans 100 moles d'une solution.

Ces produits chimiques sont des réactifs analytiques et ont une pureté supérieure à 99,99%. Le verre a été synthétisé de manière standard par fusion et trempe. En d'autres termes, la base de cette substance est le verre de tellurite (ci-après simplement TZN ), qui dans sa composition devrait contenir du dioxyde de tellure, ce que nous voyons dans la formule ci-dessus.

Après avoir déterminé la masse molaire de chacun des composés chimiques impliqués, les substances ont été broyées en poudre fine à l'aide d'un mortier et d'un pilon en marbre.

Ensuite, un creuset en or * avec un verre prototype a été placé dans un four à une température de 875 ° C pendant 3 heures.

Creuset * - un récipient pour cuire, fondre, sécher ou chauffer divers matériaux. Dans la fabrication du creuset, la résistance au feu et la résistance à divers types d'impact sont importantes. Dans ce cas, un creuset en or est utilisé, car il est excellent pour un travail chimique très précis.

Dans le même temps, l'apport d'oxygène a été réduit à 1-2 l / min afin d'éliminer la vapeur de la chambre du four et de maintenir un faible niveau de verre OH.

Ensuite, la masse fondue a été versée dans une forme préchauffée de laiton et transférée dans un four où, à une température de 295 ° C, elle a été pendant 4 heures. Cette étape était nécessaire pour éliminer les déformations thermiques et mécaniques. L'échantillon fini a été refroidi à température ambiante à une vitesse de 0,5 ° C / min.

Dernière étape de fabrication: les échantillons ont été découpés en morceaux de taille 30h30h3 nm ³ et polis pour obtenir une qualité optique.

Tout le processus de fabrication du verre d'essai, comme vous pouvez le voir, a été très long et a été associé à des mesures très précises à la fois de la masse molaire des substances constitutives et des températures auxquelles les opérations ont été effectuées. Passons maintenant à la recherche de la réponse à la question: le jeu en vaut-il la chandelle? En d'autres termes, quels résultats sont montrés par une substance aussi difficile à fabriquer.

Propriétés optiques des échantillons

Des radiographies ont montré que les échantillons étaient amorphes. L'introduction de 1,5% en mole de Er ₂ O ₃ dans la composition de l'échantillon a augmenté sa densité de 5,18 à 5,27 g / cm ³ . Cette augmentation est justifiée par le remplacement de TeO ₂ par Er ₂ O ₃ , qui a un poids moléculaire plus élevé. L'indice de réfraction du verre de tellurite est de 2,048. Et une augmentation du nombre d'ions Er ^{3+ a} conduit au fait que l'échantillon est devenu rose foncé (avant qu'il ne soit transparent), ce qui est associé à la transition des électrons vers un état excité.


Annexe n ° 1

Le graphique ci-dessus montre le spectre d'absorption des échantillons calculé par la formule:

α (ν) = A / L , où

L est l'épaisseur de l'échantillon;
A est l'absorbance mesurée par le spectromètre.

TZN montre une absorption inexpressive d'environ 0,11 cm ^-1 après le bord de la bande d'absorption UV * à 387 nm.

Le bord de la bande d'absorption * est un indicateur de l'énergie de rayonnement, au-delà duquel l'absorption de ce rayonnement par une substance augmente fortement.

Si l'on ajoute un dopant sous forme d'ions Er ³⁺ , on observe alors 11 transitions notables de l'état fondamental ( ⁴ I _15/2 ) vers diverses excitées:

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

dont chacun correspondait à une longueur d'onde:

1531 (avec un petit saut de 1497), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 et 380 nm.

Les niveaux d'énergie de l'ion Er ³⁺ à l'intérieur de l'échantillon sont divisés en raison de l'effet Stark * .

L'effet Stark * est le déplacement et la division de l'état du sous-système électronique d'un ion qui détermine le niveau d'énergie dans un champ électrique externe.

À une concentration différente de dopant, les échantillons ont montré des résultats similaires, lorsque les pics ont augmenté avec l'augmentation de la concentration des ions Er ³⁺ dans le verre.

Morphologie de l'entonnoir

Afin de comprendre toutes les propriétés de l'échantillon, il est nécessaire de faire attention aux entonnoirs qui y sont formés.


Image n ° 2: entonnoirs et leurs caractéristiques

L'image 2a montre des images en entonnoir prises par un microscope à force atomique. Chaque entonnoir a été formé par une seule impulsion laser d'une puissance de 36,4, 56,8 et 88,4 μJ (microjoule, 1 μJ = 10 ^-6 J). La taille du point d'exposition au pouls était de 32,0 μm.

Comme le montre le graphique comparatif ci-dessous, le profil de chacun des entonnoirs est plutôt petit. À faible puissance d'impulsion, lorsque la fluence * est ≲ 2 J / cm ² , les entonnoirs prennent une forme cylindrique. Avec une nouvelle augmentation de fluence, les entonnoirs passent dans le profil gaussien.


Un instantané de l'échantillon avec des entonnoirs visibles

Fluence * - intégrale dans le temps de la densité de flux de particules ou de l'énergie.

Il y a des bords saillants autour des entonnoirs d'une hauteur de 20 à 50 nm. Avec l'augmentation de la fluence du laser, la hauteur des bords augmente également. Entre autres, des éclats radiaux ont été remarqués. Des caractéristiques similaires sont dues à la formation d'une mince région fondue sous la zone d'ablation et au flux généré par le plasma. C'est-à-dire qu'avec une faible fluence laser, la pression du plasma peut être trop faible pour la libération de matière fondue de l'entonnoir. En raison de ces facteurs, un nouveau durcissement se produit, conduisant à la formation d'un fond plat de l'entonnoir.

Un effet similaire sera plus fort dans le verre de tellurite en raison de sa basse température de transition vitreuse * par rapport à d'autres types de verre.

Température de transition vitreuse * - température à laquelle la substance cristallisante passe à l'état vitreux.

2b sont des photographies d'un microscope à contraste d'interférence différentiel dans lequel on voit des entonnoirs formés avec une puissance d'impulsion laser de 45,8 μJ, la taille du point d'exposition de 13,9 μm et un nombre différent d'impulsions.


Image n ° 3

L'image ci-dessus montre les images d'entonnoirs avec différentes fluences laser et le nombre d'impulsions laser de 10 à 32.

L'irradiation de 32 impulsions, suffisamment proche du seuil d'ablation, conduit à la formation d'une surface ondulée de l'entonnoir ( 3d ), qui n'est pas sur l'échantillon à 10 impulsions ( 3a ).

Ces «ondes» étaient plus distinctes et homogènes lorsque la fluence était moins de 5 fois supérieure au seuil d'ablation du pouls (0,85 J / cm ² ). La fréquence des ondes était de 1,4 μm, ce qui est supérieur à la longueur d'onde incidente.

Aux 3e et 3f, vous pouvez voir les irrégularités du cercle et la douceur au milieu de l'entonnoir, où le faisceau gaussien avait une fluence plus faible. Si la fluence est encore plus grande, une région en colonne ( 3f ) est formée.

Dopant Er ³⁺ ion

Les mesures du seuil d'ablation de l'échantillon avec l'ajout d'ions Er ³⁺ et la taille de la zone d'irradiation laser de 13,9 μm n'ont pas montré de changements significatifs lorsque la concentration de dopant a changé.

Afin de respecter la formule d'ablation dérivée, qui reste inchangée pour un nombre d'impulsions différent, la moyenne et l'écart type des paramètres pour tous les échantillons étaient les suivants:

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)} , où

F _th est le seuil d'ablation;
N est le nombre d'impulsions par point d'exposition;
k est un paramètre qui détermine la vitesse à laquelle le seuil de fluence s'approche d'une valeur de quantité de mouvement infinie;

De tels indicateurs sont attendus si la concentration de dopant est faible, pour les raisons suivantes:

• L'ablation laser femtoseconde est un processus non linéaire en raison du champ laser très intense avec une courte durée d'impulsion. De ce fait, l'ampleur de la zone interdite * est l'un des principaux paramètres décrivant ce processus. Et cela n'a pas changé du tout avec l'augmentation de la concentration des ions Er ³⁺ ;
• à la concentration maximale de dopant (1,5 mole%), l'absorption linéaire de l'échantillon est passée de 0,11 cm ^-1 à 0,85 cm ^-1 . Le coefficient d'absorption pour un processus non linéaire est de 5,4104 cm ^-1 , ce qui représente 5 ordres de grandeur de plus si le processus est linéaire, ce qui indique son absence dans l'échantillon.
• Les changements physiques des paramètres du verre (densité, indice de réfraction et point de fusion) sont insignifiants à une faible concentration de dopant. Par conséquent, le seuil d'ablation ne change pas.

La zone interdite * est la plage de valeurs énergétiques qu'un électron ne peut pas posséder dans un corps cristallin idéal.

Résumé

Les chercheurs ont pu analyser les caractéristiques du verre de tellurite mélangé à Er ₂ O ₃ sous l'influence du rayonnement laser femtoseconde. La bande interdite de l'échantillon était de 3,276 eV (électron-volt), ce qui est deux fois plus élevé que l'énergie photonique du laser (1,55 eV ou 800 nm). Le profil des entonnoirs créés par les impulsions laser dépend directement de la fluence appliquée et du nombre d'impulsions. Lorsque la fluence est inférieure à la moyenne (2 J / cm ² ), les entonnoirs sont cylindriques. Si la fluence est supérieure à la moyenne, les entonnoirs acquièrent les caractéristiques d'un profil gaussien. La fluence et le nombre d'impulsions déterminent s'il existe une nanomicro- ou macro-structuration de l'échantillon. La fréquence des «ondes» sur la surface de l'échantillon était de 1,4 μm lorsque plusieurs impulsions étaient appliquées près du seuil d'ablation.

Les mesures des diamètres des entonnoirs à différentes fluences ont montré un seuil d'ablation par impulsion unique de 0,51 J / cm ² pour un diamètre de 13,9 µm et 0,32 J / cm ² pour un diamètre de 32,0 µm. Le seuil d'ablation pour plusieurs impulsions a été détecté après l'application d'environ 50 impulsions et était égal à 40% du seuil pour une seule impulsion.

Il a également été constaté que le seuil d'ablation diminue avec l'augmentation du diamètre du point d'exposition au rayonnement laser, en raison de la probabilité accrue que le faisceau laser puisse endommager l'échantillon.

Avec une augmentation de la concentration d'impureté Er ₂ O ₃ à 1,5 mol%, le seuil d'ablation n'a pas changé. La quantité de matériau retiré à une unité d'énergie appliquée était de 6,8 μm ³ / μJ à une fluence de 2 J / cm ² . Cet indicateur a diminué de façon linéaire.

Une diminution de l'efficacité d'ablation avec une fluence croissante peut être associée à une augmentation de la réflectivité de la surface de l'échantillon.

Pour une connaissance plus détaillée des détails de l'étude, je vous recommande fortement de vous familiariser avec le rapport des scientifiques.

Épilogue

Des études similaires sont nécessaires dans les réalités modernes, quand tout appareil devient de plus en plus petit. Afin de préserver, et parfois même d'augmenter, sa productivité, il est nécessaire d'étudier les caractéristiques des nouveaux matériaux, de redécouvrir le déjà connu et même de combiner le nouveau avec l'ancien oublié depuis longtemps. Bien sûr, tout a sa propre limite, en raison des caractéristiques physiques. Cependant, les scientifiques nous montrent de temps en temps que cette limite n'est pas encore atteinte.

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