Ablasi laser, kaca telur dan dopant Er2O3

Dalam sistem apa pun, betapa pun rumitnya, dari berapa banyak elemen kerja yang tidak terdiri, seseorang selalu dapat memilih satu detail penting yang mendasar. Jadi dalam sistem komunikasi modern, dasar dari fondasi seringkali adalah serat optik, yang memungkinkan data ditransmisikan dari jarak jauh dan dengan kecepatan tinggi. Dan semuanya akan baik-baik saja jika bukan karena slogan beberapa ilmuwan - "dunia dalam bidal." Tidak ada yang salah dengan keinginan untuk meminimalkan ukuran perangkat, namun, versi mini tidak boleh kalah dengan aslinya dalam kinerja, tetapi dapat melebihi itu.

Untuk mengirimkan sinyal di dalam perangkat, batas jumlah serat diperlukan. Anda tidak bisa hanya memotongnya dan semuanya akan bekerja dengan baik. Karena alasan ini, para ilmuwan mulai mempelajari metode dan bahan alternatif untuk mentransmisikan sinyal yang memungkinkan pengurangan berbagai perangkat. Penguat gelombang pesawat berdasarkan kaca yang tidak biasa telah menjadi salah satu penemuan dalam studi tersebut. Namun, teknologi apa pun harus melalui tahap perbaikan yang panjang. Hari ini kita akan membiasakan diri dengan studi tentang ablasi dengan laser femtosecond dari permukaan kaca tellurite dengan campuran Er2O3. Fitur apa yang dimiliki "peserta" percobaan dan hasil apa yang telah dicapai para ilmuwan? Kami akan mencari jawaban dalam laporan para peneliti. Ayo pergi.

Inti dari penelitian ini

Para peneliti dari University of Leeds (UK) melakukan studi laser dari jenis kaca yang tidak biasa, yang dapat menjadi bahan yang sangat baik untuk penguat gelombang datar broadband. Bahan tersebut diperoleh dengan mencampurkan zat * erbium * dari seng, natrium dan telurium.

Doping * - menambahkan sejumlah kecil pengotor (dalam hal ini, erbium) untuk mengubah sifat kimia dan / atau fisik material. Menambahkan kotoran ke semikonduktor membantu mengubah sifat kelistrikannya.

Erbium * adalah elemen tanah jarang, yang digunakan dalam teknologi jaringan sebagai pengotor dalam menciptakan serat optik untuk mencapai regenerasi sinyal ketika mentransmisikannya dari jarak jauh, ketika penggunaan stasiun konversi tidak mungkin (misalnya, ketika meletakkan trek di bawah air).

Dopant * - pengotor yang meningkatkan konduktivitas listrik atau optik suatu material. Dalam hal ini, itu adalah erbium.

Penguat Waveguide yang di-erbium bukanlah hal baru dalam beberapa tahun terakhir. Sudah di tahun 90-an, pengembangan dan penelitian teknologi ini dilakukan di seluruh dunia. Menurut para peneliti, mereka menggunakan jenis amplifier ini, karena transisi elektronik * untuk erbium terjadi pada panjang gelombang yang sama (1,5 mikron) seperti pada teknologi jaringan modern.

Transisi elektronik * - transisi elektron di dalam molekul dari satu tingkat energi ke tingkat yang lebih tinggi.

Di antara hal-hal lain, para peneliti menggunakan laser ablasi plasma ultra-cepat: laser intensitas tinggi diarahkan ke permukaan kaca yang didoping erbium; sinar laser menembus corong kecil (palung) pada permukaan kaca, yang mengarah pada pembentukan film tipis dari bahan yang dihasilkan selama pembentukan corong. Sebuah contoh primitif, tetapi masih: setelah sebuah shell menyentuh tanah, sebuah corong terbentuk, dan bumi tertidur di sekitar titik tumbukan.

Pada saat pembentukan corong, para peneliti memfokuskan perhatian mereka pada ambang batas untuk ablasi kaca. Hubungan antara ambang ablasi dan diameter sinar laser, jumlah pulsa, dan konsentrasi erbium di wilayah "dampak" laser juga terungkap.

Ablasi * adalah metode menghilangkan zat dari permukaan dengan pulsa laser.

Visualisasi proses ablasi laser. Kami juga melihat pembentukan corong

Corong yang terbentuk juga menjadi subjek penelitian terperinci, karena morfologinya dapat memberi tahu peneliti bagaimana cara mengontrol porositas material dengan lebih baik dan kemampuannya menyerap dan menyebarkan cahaya.

Persiapan prototipe

Sampel gelas eksperimental terdiri dari (80-x) TeO ₂ –10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ , di mana:

• x sama dalam sampel yang berbeda dengan 0,00, 0,25, 0,50 0,75, 1,00, 1,25, 1,50 mol-persen * ;
• TeO ₂ - telurium dioksida;
• ZnO - seng oksida;
• Na ₂ O - natrium oksida;
• Er2O3 adalah erbium oksida.

Persen mol * - sama dengan mol fraksi kali 100, dengan demikian menunjukkan berapa mol mol zat yang terkandung dalam 100 mol larutan.

Bahan kimia ini adalah reagen analitis dan memiliki kemurnian lebih dari 99,99%. Kaca disintesis dengan cara standar dengan peleburan dan temper. Dengan kata lain, dasar zat ini adalah kaca telurium (selanjutnya hanya TZN ), yang dalam komposisinya harus mengandung telurium dioksida, yang kita lihat dari rumus di atas.

Setelah menentukan massa molar dari masing-masing senyawa kimia yang terlibat, zat tersebut ditumbuk menjadi bubuk halus menggunakan mortar marmer dan alu.

Kemudian wadah emas * dengan kaca prototipe ditempatkan dalam oven pada suhu 875 ° C selama 3 jam.

Crucible * - wadah untuk menembak, melelehkan, mengeringkan atau memanaskan berbagai bahan. Dalam pembuatan wadah, ketahanan api dan ketahanan terhadap berbagai jenis dampak penting. Dalam hal ini, wadah emas digunakan, karena sangat baik untuk pekerjaan kimia yang sangat presisi.

Pada saat yang sama, suplai oksigen dikurangi menjadi 1-2 l / mnt untuk menghilangkan uap dari ruang tungku dan mempertahankan tingkat OH ^- gelas yang rendah.

Kemudian lelehan dituangkan ke dalam bentuk kuningan yang sudah dipanaskan dan dipindahkan ke tempat pembakaran, di mana pada suhu 295 ° C selama 4 jam. Tahap ini diperlukan untuk menghilangkan deformasi termal dan mekanis. Sampel jadi didinginkan sampai suhu kamar pada kecepatan 0,5 ° C / menit.

Tahap akhir pembuatan: sampel dipotong-potong ukuran 30h30h3 nm ³ dan dipoles untuk mencapai kualitas optik.

Seluruh proses pembuatan gelas uji, seperti yang Anda lihat, sangat memakan waktu dan dikaitkan dengan pengukuran yang sangat akurat baik massa molar bahan penyusun dan suhu di mana operasi dilakukan. Sekarang kita beralih ke pencarian untuk jawaban atas pertanyaan: apakah game itu sepadan dengan lilin? Dengan kata lain, hasil apa yang ditunjukkan oleh bahan yang sulit dibuat.

Sifat optik sampel

Radiografi menunjukkan bahwa sampel tidak berbentuk. Pengenalan 1,5 mol-persen Er ₂ O ₃ ke dalam komposisi sampel meningkatkan densitasnya dari 5,18 menjadi 5,27 g / cm ³ . Peningkatan ini dibenarkan dengan mengganti TeO2 dengan Er2O3, yang memiliki berat molekul lebih tinggi. Indeks bias kaca tellurite adalah 2,048. Dan peningkatan jumlah ion Er ³⁺ menyebabkan fakta bahwa sampel berubah menjadi merah muda gelap (sebelum transparan), yang dikaitkan dengan transisi elektron ke keadaan tereksitasi.


Jadwal No. 1

Grafik di atas menunjukkan spektrum penyerapan sampel yang dihitung dengan rumus:

α (ν) = A / L , di mana

L adalah ketebalan sampel;
A adalah absorbansi yang diukur oleh spektrometer.

TZN menunjukkan penyerapan yang tidak ekspresif sekitar 0,11 cm ^-1 setelah tepi pita penyerapan * UV pada 387 nm.

Tepi pita absorpsi * adalah indikator energi radiasi, yang melebihi mana penyerapan radiasi ini oleh suatu zat meningkat tajam.

Jika kita menambahkan dopan dalam bentuk ion Er ³⁺ , maka 11 transisi yang terlihat dari keadaan dasar ( ⁴ I _15/2 ) ke berbagai yang teramati diamati:

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

masing-masing berhubungan dengan panjang gelombang:

1531 (dengan lompatan kecil 1497), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 dan 380 nm.

Tingkat energi ion Er ³⁺ di dalam sampel dibagi karena efek Stark * .

Efek Stark * adalah perpindahan dan pemisahan keadaan subsistem elektronik ion yang menentukan tingkat energi dalam medan listrik eksternal.

Pada konsentrasi dopan yang berbeda, sampel menunjukkan hasil yang sama, ketika puncak meningkat dengan meningkatnya konsentrasi ion Er ³⁺ dalam gelas.

Morfologi corong

Untuk memahami semua sifat sampel, perlu diperhatikan corong yang terbentuk di atasnya.


Gambar No. 2: corong dan karakteristiknya

Gambar 2a menunjukkan gambar corong yang diambil oleh mikroskop kekuatan atom. Setiap corong dibentuk oleh pulsa laser tunggal dengan kekuatan 36,4, 56,8 dan 88,4 μJ (microjoule, 1 μJ = 10 ⁻⁶ J). Ukuran titik paparan pulsa adalah 32,0 μm.

Seperti yang dapat dilihat dari grafik perbandingan di bawah gambar, profil masing-masing corong agak kecil. Pada tingkat rendah daya pulsa, ketika fluence * adalah J 2 J / cm ² , corong mengambil bentuk silinder. Dengan semakin fasih, corong masuk ke profil Gaussian.


Cuplikan dari sampel dengan corong terlihat

Fluence * - waktu yang tidak terpisahkan dari kerapatan atau energi fluks partikel.

Ada tepi yang menonjol di sekitar corong dengan ketinggian 20 hingga 50 nm. Dengan fluence laser yang meningkat, ketinggian tepi juga meningkat. Antara lain, ledakan radial diperhatikan. Fitur serupa adalah karena pembentukan daerah cair tipis di bawah zona ablasi dan aliran yang dihasilkan plasma. Artinya, dengan laser fluence rendah, tekanan plasma mungkin terlalu rendah untuk melepaskan bahan cair dari corong. Sebagai akibat dari faktor-faktor tersebut, terjadi pengerasan ulang, yang mengarah pada pembentukan dasar saluran yang rata.

Efek serupa akan lebih kuat pada kaca telurium karena suhu transisi gelas yang rendah * dibandingkan dengan jenis kaca lainnya.

Suhu transisi gelas * - suhu di mana zat mengkristal masuk ke kondisi kaca.

2b adalah foto-foto dari mikroskop kontras interferensi diferensial di mana kita melihat corong dibentuk dengan daya pulsa laser 45,8 μJ, ukuran titik pajanan 13,9 μm, dan jumlah pulsa yang berbeda.


Gambar No. 3

Gambar di atas menunjukkan gambar corong dengan berbagai laser fluoresensi dan jumlah pulsa laser dari 10 hingga 32.

Iradiasi 32 pulsa, cukup dekat dengan ambang ablasi, mengarah pada pembentukan permukaan bergelombang corong ( 3d ), yang tidak ada pada sampel pada 10 pulsa ( 3a ).

"Gelombang" seperti itu paling berbeda dan homogen ketika fluensinya kurang dari 5 kali lebih tinggi dari ambang batas ablasi denyut nadi (0,85 J / cm ² ). Frekuensi gelombang adalah 1,4 μm, yang lebih dari panjang gelombang kejadian.

Pada 3e dan 3f, Anda dapat melihat ketidakteraturan lingkaran dan kehalusan di tengah corong, di mana sinar Gaussian memiliki fasih yang lebih rendah. Jika fasih lebih besar, daerah berbentuk kolom ( 3f ) terbentuk.

Ion Dopant Er ³⁺

Pengukuran ambang ablasi sampel dengan penambahan ion Er ³⁺ dan ukuran area iradiasi laser 13,9 μm tidak menunjukkan perubahan signifikan ketika konsentrasi dopan berubah.

Untuk memenuhi formula ablasi yang diturunkan, yang tetap tidak berubah untuk jumlah pulsa yang berbeda, mean dan standar deviasi dari parameter untuk semua sampel adalah sebagai berikut:

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)} , di mana

F adalah ambang batas ablasi;
N adalah jumlah pulsa per titik paparan;
k adalah parameter yang menentukan kecepatan di mana ambang fluence mendekati nilai momentum tak terbatas;

Indikator tersebut diharapkan jika konsentrasi dopan rendah, karena alasan berikut:

• Ablasi laser Femtosecond adalah proses nonlinier karena medan laser yang sangat intens dengan durasi pulsa pendek. Karena apa, besarnya zona terlarang * adalah salah satu parameter utama yang menggambarkan proses ini. Dan itu tidak berubah dengan cara apa pun dengan meningkatnya konsentrasi ion Er ³⁺ ;
• pada konsentrasi dopan maksimum (1,5 mol persen), penyerapan linier sampel meningkat dari 0,11 cm ^-1 menjadi 0,85 cm ^-1 . Koefisien absorpsi untuk proses nonlinear adalah 5,4104 cm ^-1 , yang besarnya 5 kali lipat lebih besar jika prosesnya linier, yang menunjukkan tidak adanya padanya dalam sampel.
• Perubahan fisik dalam parameter gelas (kerapatan, indeks bias, dan titik lebur) tidak signifikan pada konsentrasi dopan rendah. Akibatnya, ambang ablasi tidak berubah.

Zona terlarang * adalah kisaran nilai energi yang tidak dapat dimiliki oleh elektron dalam benda kristal yang ideal.

Ringkasan

Para peneliti mampu menganalisis karakteristik gelas tellurite yang dicampur dengan Er ₂ O _{3 di} bawah pengaruh radiasi laser femtosecond. Celah pita sampel adalah 3,276 eV (elektron-volt), yang dua kali lebih tinggi dari energi foton laser (1,55 eV atau 800 nm). Profil corong yang dibuat oleh pulsa laser secara langsung tergantung pada fluence yang diterapkan dan jumlah pulsa. Ketika fluence di bawah rata-rata (2 J / cm ² ), corongnya berbentuk silinder. Jika fluence di atas rata-rata, maka corong memperoleh fitur profil Gaussian. Fluence dan jumlah pulsa menentukan apakah ada struktur nano atau makro sampel. Frekuensi "gelombang" pada permukaan sampel adalah 1,4 μm ketika beberapa pulsa diterapkan dekat dengan ambang batas ablasi.

Pengukuran diameter corong pada fluens yang berbeda menunjukkan ambang ablasi pulsa tunggal 0,51 J / cm ² untuk diameter 13,9 μm dan 0,32 J / cm ² untuk diameter 32,0 μm. Ambang ablasi untuk beberapa pulsa terdeteksi setelah menerapkan sekitar 50 pulsa dan sama dengan 40% dari ambang batas untuk satu pulsa.

Juga ditemukan bahwa ambang ablasi berkurang dengan meningkatnya diameter titik paparan radiasi laser, karena meningkatnya kemungkinan bahwa sinar laser dapat merusak sampel.

Dengan peningkatan konsentrasi pengotor Er ₂ O ₃ menjadi 1,5 mol-persen, ambang ablasi tidak berubah. Jumlah bahan yang dihilangkan pada unit energi yang diterapkan adalah 6,8 μm ³ / μJ pada fluence 2 J / cm ² . Indikator ini menurun secara linear.

Penurunan efisiensi ablasi dengan meningkatnya fluence dapat dikaitkan dengan peningkatan reflektifitas permukaan sampel.

Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan detail penelitian ini, saya sangat menyarankan Anda membiasakan diri dengan laporan para ilmuwan.

Epilog

Studi serupa diperlukan dalam realitas modern, ketika perangkat apa pun menjadi semakin kecil. Untuk melestarikan, dan kadang-kadang bahkan meningkatkan produktivitasnya, perlu mempelajari karakteristik bahan baru, menemukan kembali yang sudah diketahui dan bahkan menggabungkan yang baru dengan yang lama terlupakan. Tentu saja, semuanya memiliki batasnya sendiri, karena karakteristik fisiknya. Namun, para ilmuwan menunjukkan kepada kita dari waktu ke waktu bahwa batas ini belum tercapai.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?