लेजर पृथक्करण, टेलर ग्लास और डोपेंट Er2O3

किसी भी प्रणाली में, चाहे वह कितने ही जटिल क्यों न हो, इसमें कितने काम के तत्व शामिल नहीं होंगे, एक हमेशा एक महत्वपूर्ण महत्वपूर्ण विवरण को एकल कर सकता है। इसलिए आधुनिक संचार प्रणालियों में, नींव का आधार अक्सर ऑप्टिकल फाइबर होता है, जो डेटा को लंबी दूरी पर और उच्च गति पर प्रसारित करने की अनुमति देता है। और यह सब कुछ ठीक होगा अगर यह कुछ वैज्ञानिकों के नारे के लिए नहीं था - "दुनिया एक थ्रंबल में है।" डिवाइस के आकार को कम करने की इच्छा के साथ कुछ भी गलत नहीं है, हालांकि, मिनी संस्करण को प्रदर्शन में मूल से नीचा नहीं होना चाहिए, लेकिन इससे अधिक हो सकता है।

डिवाइस के अंदर सिग्नल संचारित करने के लिए, आवश्यक फाइबर की मात्रा पर एक सीमा। आप इसे केवल ट्रिम नहीं कर सकते हैं और सब कुछ बस के रूप में भी काम करेगा। इस कारण से, वैज्ञानिकों ने संकेतों को प्रसारित करने के लिए वैकल्पिक तरीकों और सामग्रियों का अध्ययन करना शुरू कर दिया, जो आकार में विभिन्न उपकरणों को कम करने की अनुमति देगा। असामान्य ग्लास पर आधारित प्लेन वेवगाइड एम्पलीफायरों इस तरह के अध्ययनों में खोजों में से एक बन गए हैं। हालांकि, किसी भी तकनीक को सुधार के लंबे चरण से गुजरना होगा। आज हम Er ₂ O _{3 के} एक मिश्रण के साथ टेलर ग्लास की सतह के एक फेमटोसेकेंड लेजर द्वारा पृथक होने के अध्ययन से खुद को परिचित करेंगे। प्रयोगों के "प्रतिभागियों" के पास क्या विशेषताएं हैं और वैज्ञानिकों ने क्या परिणाम प्राप्त किए हैं? हम शोधकर्ताओं की रिपोर्ट में जवाब की तलाश करेंगे। चलो चलते हैं।

अध्ययन का सार

यूनिवर्सिटी ऑफ लीड्स (यूके) के शोधकर्ताओं ने एक असामान्य प्रकार के ग्लास का लेजर अध्ययन किया, जो ब्रॉडबैंड फ्लैट वेवगाइड एम्पलीफायरों के लिए एक उत्कृष्ट सामग्री हो सकती है। सामग्री जस्ता, सोडियम और टेल्यूरियम से * एर्बियम * पदार्थों को मिश्रधातु द्वारा प्राप्त की गई थी।

डोपिंग * - सामग्री के रासायनिक और / या भौतिक गुणों को बदलने के लिए छोटी मात्रा में अशुद्धियों को जोड़ना (इस मामले में, एर्बियम)। एक अर्धचालक में अशुद्धियों को जोड़ने से इसके विद्युत गुणों को बदलने में मदद मिलती है।

एर्बियम * एक दुर्लभ-पृथ्वी तत्व है, जो लंबी दूरी पर संचारित करने के लिए ऑप्टिकल फाइबर बनाने के लिए एक नेटवर्क के रूप में उपयोग किया जाता है, जब लंबी दूरी पर इसे स्थानांतरित किया जाता है, जब रूपांतरण स्टेशनों का उपयोग असंभव है (उदाहरण के लिए, जब पानी के नीचे एक ट्रैक बिछाते हैं)।

डोपेंट * - एक अशुद्धता जो किसी सामग्री की विद्युत या ऑप्टिकल चालकता को बढ़ाती है। इस मामले में, यह एरबियम है।

Erbium-doped waveguide एम्पलीफायरों पिछले कुछ वर्षों में नए नहीं हैं। पहले से ही 90 के दशक में, इस तकनीक का विकास और अनुसंधान दुनिया भर में किया गया था। शोधकर्ताओं के अनुसार, वे इस प्रकार के एम्पलीफायरों का उपयोग करते थे, क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण * के लिए एर्बियम एक ही तरंग दैर्ध्य (1.5 माइक्रोन) पर होता है जैसा कि आधुनिक नेटवर्क प्रौद्योगिकियों में होता है।

इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण * - एक अणु के अंदर एक इलेक्ट्रॉन का संक्रमण एक ऊर्जा स्तर से उच्चतर तक।

अन्य बातों के अलावा, शोधकर्ताओं ने अल्ट्राफास्ट लेजर प्लाज्मा एब्लेशन का उपयोग किया: एक उच्च-तीव्रता वाले लेजर को एर्बियम-डॉप्ड ग्लास की सतह पर निर्देशित किया जाता है; एक लेजर बीम कांच की सतह पर छोटे फनल (गर्त) को छेदती है, जिससे फ़नल के निर्माण के दौरान उत्पन्न सामग्री से एक पतली फिल्म बनती है। एक आदिम, लेकिन अभी भी एक उदाहरण है: एक शेल जमीन से टकराने के बाद, एक फ़नल बनता है, और पृथ्वी प्रभाव के बिंदु पर चारों ओर सो जाती है।

फ़नल के गठन के समय, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान कांच के पृथक * के लिए दहलीज पर केंद्रित किया। एब्लेशन थ्रेसहोल्ड और लेज़र बीम के व्यास, दालों की संख्या और लेज़र के क्षेत्र में इरेबियम की एकाग्रता "प्रभाव" के बीच संबंध भी सामने आए थे।

पृथक्करण * लेजर पल्स द्वारा किसी पदार्थ को सतह से हटाने की एक विधि है।

लेजर पृथक्करण प्रक्रिया का दृश्य। हम एक फ़नल के गठन को भी देखते हैं

गठित फ़नल भी विस्तृत अध्ययन के अधीन थे, क्योंकि उनकी आकृति विज्ञान शोधकर्ताओं को यह बता सकती है कि सामग्री की सरंध्रता और प्रकाश को अवशोषित करने और बिखेरने की क्षमता को बेहतर तरीके से कैसे नियंत्रित किया जाए।

प्रोटोटाइप की तैयारी

प्रायोगिक कांच के नमूनों में (80-x) TeO 2–10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ , कहाँ है:

• x विभिन्न नमूनों में 0.00, 0.25, 0.50 0.75, 1.00, 1.25, 1.50 मोल-प्रतिशत * के बराबर है ;
• टीओ ₂ - टेल्यूरियम डाइऑक्साइड;
• ZnO - जिंक ऑक्साइड;
• ना ₂ ओ - सोडियम ऑक्साइड;
• एर ₂ ओ ₃ एर्बियम ऑक्साइड है।

मोल प्रतिशत * - १०० के एक अंश के मोल के बराबर है, जिससे यह पता चलता है कि किसी पदार्थ के कितने मोल १०० मिली के घोल में समाहित हैं।

ये रसायन विश्लेषणात्मक अभिकर्मक हैं और 99.99% से अधिक की शुद्धता रखते हैं। पिघलने और तड़के द्वारा ग्लास को एक मानक तरीके से संश्लेषित किया गया था। दूसरे शब्दों में, इस पदार्थ का आधार टेलर ग्लास (इसके बाद बस TZN ) है, जिसकी संरचना में टेल्यूरियम डाइऑक्साइड शामिल होना चाहिए, जिसे हम ऊपर दिए गए सूत्र से देखते हैं।

शामिल रासायनिक यौगिकों में से प्रत्येक के दाढ़ द्रव्यमान का निर्धारण करने के बाद, पदार्थ एक संगमरमर मोर्टार और मूसल का उपयोग करके ठीक पाउडर में जमीन थे।

फिर एक प्रोटोटाइप ग्लास के साथ एक सोने की क्रूसिबल * 3 घंटे के लिए 875 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर एक ओवन में रखी गई थी।

क्रूसिबल * - फायरिंग, पिघलने, सुखाने या विभिन्न सामग्रियों को गर्म करने के लिए एक कंटेनर। क्रूसिबल के निर्माण में, अग्नि प्रतिरोध और विभिन्न प्रकार के प्रभाव के प्रतिरोध महत्वपूर्ण हैं। इस मामले में, एक सोने की क्रूसिबल का उपयोग किया जाता है, क्योंकि यह अत्यधिक सटीक रासायनिक कार्य के लिए उत्कृष्ट है।

इसी समय, भट्ठी के चेंबर से भाप निकालने और ओएच ^- ग्लास के निम्न स्तर को बनाए रखने के लिए ऑक्सीजन की आपूर्ति 1-2 एल / मिनट तक कम हो गई थी।

फिर पिघल को पीतल के पहले से गरम रूप में डाला गया और एक भट्ठे में स्थानांतरित कर दिया गया, जहां 295 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 4 घंटे के लिए रखा गया था। थर्मल और मैकेनिकल विकृति को हटाने के लिए यह चरण आवश्यक था। तैयार नमूना 0.5 डिग्री सेल्सियस / मिनट की दर से कमरे के तापमान पर ठंडा किया गया था।

निर्माण का अंतिम चरण: नमूनों को आकार 30h30h3 एनएम ^{3 के} टुकड़ों में काट दिया गया और ऑप्टिकल गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए पॉलिश किया गया।

परीक्षण ग्लास के निर्माण की पूरी प्रक्रिया, जैसा कि आप देख सकते हैं, बहुत समय लेने वाली थी और घटक पदार्थों के दाढ़ द्रव्यमान और उन तापमानों पर बहुत सटीक माप के साथ जुड़ी हुई थी, जिन पर संचालन किया गया था। अब हम प्रश्न के उत्तर की खोज की ओर मुड़ते हैं: क्या मोमबत्ती के लायक खेल है? दूसरे शब्दों में, निर्माण के लिए इस तरह के एक कठिन पदार्थ द्वारा क्या परिणाम दिखाए जाते हैं।

नमूनों के ऑप्टिकल गुण

रेडियोग्राफ ने दिखाया कि नमूने अनाकार हैं। नमूने की संरचना में 1.5 मोल-प्रतिशत एर ₂ ओ ₃ की शुरूआत ने इसका घनत्व 5.18 से 5.27 ग्राम / सेमी ³ तक बढ़ा दिया। टीओ ₂ को एर ₂ ओ _{3 के} साथ बदलकर यह वृद्धि उचित है, जिसमें उच्च आणविक भार है। टेलर ग्लास का अपवर्तनांक 2.048 है। और एर ³⁺ आयनों की संख्या में वृद्धि ने इस तथ्य को जन्म दिया कि नमूना गहरा गुलाबी हो गया (इससे पहले कि यह पारदर्शी था), जो एक उत्साहित राज्य में इलेक्ट्रॉनों के संक्रमण से जुड़ा हुआ है।


अनुसूची नंबर 1

ऊपर दिया गया ग्राफ़ सूत्र द्वारा परिकलित नमूनों के अवशोषण स्पेक्ट्रम को दर्शाता है:

α (ν) = ए / एल , जहां

एल नमूने की मोटाई है;
A स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा मापा जाने वाला अवशोषक है।

टीकेएन 387 एनएम पर * यूवी अवशोषण बैंड के किनारे के बाद लगभग 0.11 सेमी ^{-1 के} अनुभवहीन अवशोषण को दर्शाता है।

अवशोषण बैंड का किनारा * विकिरण ऊर्जा का एक संकेतक है, जिसके पार एक पदार्थ द्वारा इस विकिरण का अवशोषण तेजी से बढ़ता है।

यदि हम एर ³⁺ आयनों के रूप में एक डोपेंट जोड़ते हैं, तो जमीन की स्थिति से 11 ध्यान देने योग्य संक्रमण ( ⁴ I _15/2 ) विभिन्न उत्साहित लोगों में देखे जाते हैं:

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 एच _9/2 , ⁴ जी _11/2

जिनमें से प्रत्येक एक तरंग दैर्ध्य के अनुरूप है:

1531 (1497 की छोटी छलांग के साथ), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 और 380 एनएम।

नमूने के अंदर एर ³⁺ आयन के ऊर्जा स्तर को स्टार्क प्रभाव * के कारण विभाजित किया गया है ।

स्टार्क प्रभाव * एक आयन का इलेक्ट्रॉनिक उपतंत्र की स्थिति का विस्थापन और विभाजन है जो एक बाहरी विद्युत क्षेत्र में ऊर्जा के स्तर को निर्धारित करता है।

डोपेंट की एक अलग एकाग्रता में, नमूनों ने समान परिणाम दिखाए, जब कांच में एर ³⁺ आयनों की बढ़ती एकाग्रता के साथ चोटियों में वृद्धि हुई।

फ़नल आकृति विज्ञान

नमूने के सभी गुणों को समझने के लिए, उस पर गठित फ़नलों पर ध्यान देना आवश्यक है।


छवि नंबर 2: फ़नल और उनकी विशेषताएं

छवि 2 ए एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप द्वारा ली गई फ़नल छवियों को दिखाती है। प्रत्येक कीप एक एकल लेजर पल्स द्वारा 36.4, 56.8 और 88.4 μJ (microjoule, 1 μJ = 10 J6 J) की शक्ति के साथ बनाई गई थी। पल्स एक्सपोज़र पॉइंट का आकार 32.0 माइक्रोन था।

जैसा कि चित्रों के नीचे तुलनात्मक ग्राफ से देखा जा सकता है, प्रत्येक फ़नल का प्रोफ़ाइल छोटा है। नाड़ी शक्ति के निम्न स्तर पर, जब प्रवाह * / 2 J / cm ^{2 होता है} , तो फ़नल एक बेलनाकार आकार लेते हैं। धाराप्रवाह में और वृद्धि के साथ, फ़नल गॉसियन प्रोफ़ाइल में गुजरता है।


फ़नल के दृश्य के साथ नमूने का एक स्नैपशॉट

प्रवाह * - कण प्रवाह घनत्व या ऊर्जा का समय अभिन्न।

फ़नल के चारों ओर 20 से 50 एनएम की ऊंचाई के साथ उभरे हुए किनारों होते हैं। बढ़ते लेजर फ्लुएंस के साथ, किनारों की ऊंचाई भी बढ़ जाती है। अन्य बातों के अलावा, रेडियल फटने पर ध्यान दिया गया। इसी तरह की विशेषताएं पृथक्करण क्षेत्र और प्लाज्मा उत्पन्न प्रवाह के तहत एक पतली पिघला हुआ क्षेत्र के गठन के कारण हैं। यही है, एक कम लेजर प्रवाह के साथ, फ़नल से पिघले हुए पदार्थ की रिहाई के लिए प्लाज्मा दबाव बहुत कम हो सकता है। ऐसे कारकों के परिणामस्वरूप, पुन: सख्त होता है, जिससे फ़नल के एक फ्लैट तल का निर्माण होता है।

इसी तरह का प्रभाव अन्य प्रकार के ग्लास की तुलना में कम ग्लास संक्रमण तापमान * के कारण टेलर ग्लास में अधिक मजबूत होगा।

ग्लास संक्रमण तापमान * - वह तापमान जिस पर क्रिस्टलीकरण पदार्थ कांच की अवस्था में जाता है।

2 बी एक अंतर हस्तक्षेप विपरीत माइक्रोस्कोप की तस्वीरें हैं, जिसमें हम 45.8 μJ की एक लेजर पल्स पावर, एक्सपोज़र पॉइंट 13.9 माइक्रोन के आकार और एक अलग संख्या में दालों के साथ गठित फ़नल देखते हैं।


चित्र संख्या 3

ऊपर की छवि अलग-अलग लेजर फ्लुएंस और 10 से 32 तक लेजर दालों की संख्या के साथ फ़नल की छवियों को दिखाती है।

32 दालों का विकिरण, पृथक थ्रेशोल्ड के करीब होने के कारण, फ़नल ( 3 डी ) की लहराती सतह के गठन की ओर जाता है, जो 10 दालों ( 3 ए ) पर नमूने पर नहीं है।

इस तरह की "लहरें" सबसे अलग और सजातीय थीं, जब पल्स एब्लेशन की दहलीज की तुलना में 5 गुना अधिक कम था। लहर की आवृत्ति 1.4 माइक्रोन थी, जो घटना तरंग दैर्ध्य से अधिक है।

3e और 3f पर, आप फ़नल के मध्य में सर्कल की अनियमितता और चिकनाई देख सकते हैं, जहां गॉसियन बीम में कम प्रवाह था। यदि धाराप्रवाह और भी अधिक है, तो एक स्तंभ क्षेत्र ( 3f ) बनता है।

डोपेंट एर ³⁺ आयन

एर ³⁺ आयन और 13.9 माइक्रोन के लेजर विकिरण क्षेत्र के आकार के साथ नमूने के पृथक थ्रेसहोल्ड के मापन ने डोपेंट एकाग्रता में बदलाव के साथ महत्वपूर्ण बदलाव नहीं दिखाए।

व्युत्पन्न पृथक्करण सूत्र का पालन करने के लिए, जो कि दालों की एक अलग संख्या के लिए अपरिवर्तित रहता है, सभी नमूनों के लिए मापदंडों का औसत और मानक विचलन निम्नानुसार था:

एफ _वें (1) = 0.51 = 0.03 जे / सेमी ² ;
एफ _वें (/) = 0.18 (0.01 जे / सेमी ² ;
k = 0.053 9 0.009।

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

एफ _वें एब्लेशन थ्रेशोल्ड है;
N प्रति एक्सपोज़र बिंदु पर दालों की संख्या है;
k एक पैरामीटर है जो उस गति को निर्धारित करता है जिस पर फ्लुनेस थ्रेशोल्ड एक अनंत गति को प्राप्त करता है;

यदि निम्न कारणों से डोपेंट की एकाग्रता कम है, तो ऐसे संकेतकों की उम्मीद की जाती है:

• Femtosecond लेज़र एब्लेशन, एक छोटी नाड़ी अवधि के साथ अत्यधिक तीव्र लेजर क्षेत्र के कारण एक nonlinear प्रक्रिया है। किस वजह से, निषिद्ध क्षेत्र का परिमाण * इस प्रक्रिया का वर्णन करने वाले मुख्य मापदंडों में से एक है। और यह एर ³⁺ आयनों की बढ़ती एकाग्रता के साथ किसी भी तरह से नहीं बदला;
• अधिकतम डोपेंट एकाग्रता (1.5 mol प्रतिशत) पर, नमूने का रैखिक अवशोषण 0.11 सेमी ^{-1 से} बढ़कर 0.85 सेमी ^{-1 हो गया} । एक गैर-रेखीय प्रक्रिया के लिए अवशोषण गुणांक 5.4104 सेमी ^{-1 है} , जो प्रक्रिया रैखिक होने पर अधिक परिमाण के 5 आदेश हैं, जो नमूने में अनुपस्थिति को इंगित करता है।
• कांच के मापदंडों (घनत्व, अपवर्तक सूचकांक और पिघलने बिंदु) में शारीरिक परिवर्तन एक कम डोपिंग एकाग्रता पर महत्वहीन हैं। नतीजतन, एब्लेशन थ्रेसहोल्ड नहीं बदलता है।

निषिद्ध क्षेत्र * ऊर्जा मूल्यों की एक सीमा है जो एक इलेक्ट्रॉन एक आदर्श क्रिस्टलीय शरीर में नहीं हो सकता है।

संक्षेप

शोधकर्ताओं ने फीरोटोसेकेंड लेजर विकिरण के प्रभाव में एर ₂ ओ ₃ के साथ मिश्रित टेलर ग्लास की विशेषताओं का विश्लेषण करने में सक्षम थे। नमूने का बैंड गैप 3.276 eV (इलेक्ट्रॉन-वोल्ट) था, जो लेजर की फोटॉन ऊर्जा (1.55 eV या 800 एनएम) से दो गुना अधिक है। लेजर दालों द्वारा बनाई गई फ़नल की प्रोफ़ाइल सीधे लागू तरलता और दालों की संख्या पर निर्भर करती है। जब प्रवाह औसत (2 जे / सेमी ² ) से नीचे होता है, तो फ़नल बेलनाकार होते हैं। यदि प्रवाह औसत से ऊपर है, तो फ़नल एक गाऊसी प्रोफ़ाइल की सुविधाओं का अधिग्रहण करते हैं। धाराप्रवाह और दालों की संख्या यह निर्धारित करती है कि नमूने का एक नैनोमिक्रो या मैक्रो-स्ट्रक्चरिंग है या नहीं। नमूना सतह पर "लहरों" की आवृत्ति 1.4 माइक्रोन थी, जब कई दालों को पृथक थ्रेशोल्ड के करीब लागू किया गया था।

अलग-अलग फ्लुअन्स पर फ़नल के व्यास के मापों ने 13.9 माइक्रोन के व्यास के लिए 0.51 J / cm ^{2 का} एक एकल पल्स एब्लेशन थ्रेशोल्ड और 32.0 माइक्रोन के व्यास के लिए 0.32 J / cm ² दिखाया। लगभग 50 दालों को लगाने के बाद कई दालों के लिए पृथक थ्रेशोल्ड का पता लगाया गया था और एक दालों के लिए 40% दहलीज के बराबर था।

यह भी पाया गया कि लेजर विकिरण के संपर्क के बिंदु के बढ़ते व्यास के साथ एब्लेशन थ्रेसहोल्ड घटता है, इस संभावना के कारण कि लेजर बीम नमूना को नुकसान पहुंचा सकता है।

ईआर ₂ ओ _{3 की} अशुद्धता के साथ 1.5 मोल-प्रतिशत की एकाग्रता में वृद्धि के साथ, एबलेशन थ्रेशोल्ड में बदलाव नहीं हुआ। लागू ऊर्जा की एक इकाई में हटाए गए पदार्थ की मात्रा 2 जे / सेमी ^{2 के} प्रवाह में 6.8 माइक्रोन ³ / μJ थी। यह सूचक रैखिक रूप से कम हो गया।

बढ़ते प्रवाह के साथ अपक्षय दक्षता में कमी नमूना सतह की परावर्तनता में वृद्धि के साथ जुड़ी हो सकती है।

अध्ययन के विवरण के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट से खुद को परिचित करें।

उपसंहार

आधुनिक वास्तविकताओं में इसी तरह के अध्ययन आवश्यक हैं, जब कोई भी उपकरण छोटा और छोटा हो जाता है। संरक्षित करने के लिए, और कभी-कभी वृद्धि भी, इसकी उत्पादकता के लिए, नई सामग्रियों की विशेषताओं का अध्ययन करना आवश्यक है, पहले से ही ज्ञात को फिर से खोज लें और यहां तक ​​कि नए को लंबे समय से भूल गए पुराने के साथ मिलाएं। बेशक, शारीरिक विशेषताओं के कारण हर चीज की अपनी सीमा होती है। हालांकि, वैज्ञानिक हमें समय-समय पर दिखाते हैं कि यह सीमा अभी तक नहीं पहुंची है।

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