Ablação a laser, vidro telurito e dopante Er2O3

Em qualquer sistema, não importa quão complexo seja, de quantos elementos de trabalho ele não seria composto, sempre é possível destacar um detalhe fundamentalmente importante. Assim, em sistemas de comunicação modernos, a base das fundações são geralmente fibras ópticas, que permitem a transmissão de dados a longas distâncias e em alta velocidade. E tudo ficaria bem se não fosse o slogan de alguns cientistas - "o mundo está em um dedal". Não há nada errado em querer minimizar o tamanho de um dispositivo; no entanto, a versão mini não deve ser inferior ao original no desempenho, mas pode exceder.

Para transmitir sinais dentro do dispositivo, um limite na quantidade de fibra necessária. Você não pode simplesmente apará-lo e tudo vai funcionar tão bem. Por esse motivo, os cientistas começaram a estudar métodos e materiais alternativos para a transmissão de sinais que permitiriam reduzir vários dispositivos em tamanho. Amplificadores de guia de onda planos baseados em vidro incomum tornaram-se uma das descobertas em tais estudos. No entanto, qualquer tecnologia deve passar por um longo estágio de melhoria. Hoje nos familiarizaremos com os estudos da ablação por um laser de femtossegundos da superfície do vidro telurito com uma mistura de Er ₂ O ₃ . Quais são os recursos dos "participantes" dos experimentos e quais resultados os cientistas alcançaram? Procuraremos respostas no relatório dos pesquisadores. Vamos lá

A essência do estudo

Pesquisadores da Universidade de Leeds (Reino Unido) realizaram estudos a laser de um tipo incomum de vidro, que pode ser um excelente material para amplificadores de guia de onda plana de banda larga. O material foi obtido ligando * érbio * substâncias a partir de zinco, sódio e telúrio.

Doping * - adicionando uma pequena quantidade de impurezas (neste caso, érbio) para alterar as propriedades químicas e / ou físicas do material. A adição de impurezas a um semicondutor ajuda a alterar suas propriedades elétricas.

O érbio * é um elemento de terras raras, usado em tecnologias de rede como um aditivo ao criar fibras ópticas para obter a regeneração do sinal ao transmiti-lo por longas distâncias, quando o uso de estações de conversão é impossível (por exemplo, ao colocar uma trilha sob a água).

Dopante * - uma impureza que aumenta a condutividade elétrica ou óptica de um material. Neste caso, é érbio.

Os amplificadores de guia de ondas dopados com érbio não são novos nos últimos dois anos. Já nos anos 90, o desenvolvimento e a pesquisa dessa tecnologia foram realizados em todo o mundo. Segundo os pesquisadores, eles usaram exatamente esse tipo de amplificador, uma vez que a transição eletrônica * para o érbio ocorre no mesmo comprimento de onda (1,5 mícrons) das tecnologias modernas de rede.

Transição eletrônica * - a transição de um elétron dentro de uma molécula de um nível de energia para um nível mais alto.

Entre outras coisas, os pesquisadores usaram a ablação por plasma a laser ultra-rápida: um laser de alta intensidade é direcionado para a superfície de um vidro dopado com érbio; um raio laser perfura pequenos funis (cavidades) na superfície do vidro, o que leva à formação de uma película fina a partir do material gerado durante a formação dos funis. Um exemplo primitivo, mas ainda um exemplo: depois que uma concha atinge o solo, um funil se forma e a terra adormece por todo o ponto de impacto.

No momento da formação dos funis, os pesquisadores concentraram sua atenção no limiar de ablação * do vidro. Também foram reveladas as relações entre o limiar de ablação e o diâmetro do feixe de laser, o número de pulsos e a concentração de érbio na região do “impacto” do laser.

Ablação * é um método de remoção de uma substância de uma superfície por um pulso de laser.

Visualização do processo de ablação a laser. Também vemos a formação de um funil

Os funis formados também foram sujeitos a estudo detalhado, uma vez que sua morfologia pode indicar aos pesquisadores como controlar melhor a porosidade do material e sua capacidade de absorver e espalhar a luz.

Preparação do protótipo

As amostras experimentais de vidro consistem em (80-x) TeO ₂ –10ZnO - 10Na ₂ O - xEr ₂ O ₃ , em que:

• x é igual em amostras diferentes a 0,00, 0,25, 0,50 0,75, 1,00, 1,25, 1,50 % em mol * ;
• TeO ₂ - dióxido de telúrio;
• ZnO - óxido de zinco;
• Na2O - óxido de sódio;
• Er ₂ O ₃ é óxido de érbio.

Porcentagem molar * - é igual a uma mole de uma fração vezes 100, mostrando, assim, quantas moles de uma substância estão contidas em 100 mol de uma solução.

Esses produtos químicos são reagentes analíticos e têm uma pureza superior a 99,99%. O vidro foi sintetizado de maneira padrão por fusão e revenimento. Por outras palavras, a base desta substância é o vidro telurito (a seguir simplesmente TZN ), que na sua composição deve conter dióxido de telúrio, o que vemos na fórmula acima.

Depois de determinar a massa molar de cada um dos compostos químicos envolvidos, as substâncias foram moídas em pó fino usando um almofariz e pilão de mármore.

Em seguida, um cadinho de ouro * com um protótipo de vidro foi colocado em um forno a uma temperatura de 875 ° C por 3 horas.

Cadinho * - um recipiente para queima, fusão, secagem ou aquecimento de vários materiais. Na fabricação do cadinho, a resistência ao fogo e a vários tipos de impacto são importantes. Nesse caso, é usado um cadinho de ouro, pois é excelente para trabalhos químicos altamente precisos.

Ao mesmo tempo, o suprimento de oxigênio foi reduzido para 1-2 l / min, a fim de remover o vapor da câmara do forno e manter um baixo nível de OH ^- vidro.

Em seguida, o fundido foi vertido em uma forma de latão pré-aquecido e transferido para um forno, onde a uma temperatura de 295 ° C era por 4 horas. Esta etapa foi necessária para remover as deformações térmicas e mecânicas. A amostra final foi arrefecida à temperatura ambiente a uma taxa de 0,5 ° C / min.

A etapa final de fabricação: as amostras foram cortadas em pedaços de tamanho 30h30h3 nm ³ e polidas para obter qualidade óptica.

Todo o processo de fabricação do vidro de teste, como você pode ver, consumiu muito tempo e foi associado a medições muito precisas da massa molar das substâncias constituintes e das temperaturas em que as operações foram realizadas. Agora voltamos à busca da resposta para a pergunta: o jogo vale a pena? Em outras palavras, quais resultados são mostrados por uma substância tão difícil de fabricar.

Propriedades ópticas das amostras

As radiografias mostraram que as amostras são amorfas. A introdução de Er2O3 a 1,5 por cento em mol na composição da amostra aumentou sua densidade de 5,18 para 5,27 g / cm ³ . Este aumento é justificado pela substituição de TeO ₂ por Er ₂ O ₃ , que possui um peso molecular mais alto. O índice de refração do vidro telurito é de 2,048. E um aumento no número de íons Er ³⁺ levou ao fato de que a amostra ficou rosa escuro (antes disso era transparente), o que está associado à transição dos elétrons para um estado excitado.


Anexo No. 1

O gráfico acima mostra o espectro de absorção das amostras calculado pela fórmula:

α (ν) = A / L , em que

L é a espessura da amostra;
A é a absorvância medida pelo espectrômetro.

TZN mostra uma absorção inexpressiva de cerca de 0,11 cm- ¹ após a borda da banda de absorção * UV a 387 nm.

O limite da banda de absorção * é um indicador da energia de radiação, excedendo o que a absorção dessa radiação por uma substância aumenta acentuadamente.

Se adicionarmos um dopante na forma de íons Er ³⁺ , 11 transições perceptíveis do estado fundamental ( ⁴ I _15/2 ) para várias excitadas serão observadas:

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 um dos quais correspondia a um comprimento de onda:

1531 (com um pequeno salto de 1497), 976, 800, 653, 545, 522, 489, 452, 444, 407 e 380 nm.

Os níveis de energia do íon Er ³⁺ dentro da amostra são divididos devido ao efeito Stark * .

O efeito Stark * é o deslocamento e a divisão do estado do subsistema eletrônico de um íon que determina o nível de energia em um campo elétrico externo.

A uma concentração diferente de dopante, as amostras apresentaram resultados semelhantes, quando os picos aumentaram com o aumento da concentração de íons Er ³⁺ no vidro.

Morfologia do funil

Para entender todas as propriedades da amostra, é necessário prestar atenção aos funis formados nela.


Imagem Nº 2: funis e suas características

A imagem 2a mostra imagens de funil tiradas por um microscópio de força atômica. Cada funil foi formado por um único pulso de laser com potência de 36,4, 56,8 e 88,4 μJ (microjoule, 1 μJ = 10 ⁻⁶ J). O tamanho do ponto de exposição ao pulso foi de 32,0 μm.

Como pode ser visto no gráfico comparativo abaixo das figuras, o perfil de cada um dos funis é bastante pequeno. Em um nível baixo de potência de pulso, quando a fluência * é de J 2 J / cm ² , os funis assumem uma forma cilíndrica. Com um aumento adicional da fluência, os funis passam para o perfil gaussiano.


Um instantâneo da amostra com os funis visíveis

Fluência * - integral de tempo da densidade ou energia do fluxo de partículas.

Existem arestas salientes em torno dos funis com uma altura de 20 a 50 nm. Com o aumento da fluência do laser, a altura das bordas também aumenta. Entre outras coisas, explosões radiais foram notadas. Características semelhantes são devidas à formação de uma fina região fundida sob a zona de ablação e ao fluxo gerado pelo plasma. Ou seja, com uma baixa fluência do laser, a pressão do plasma pode ser muito baixa para a liberação de material fundido do funil. Como resultado de tais fatores, ocorre um novo endurecimento, levando à formação de um fundo plano do funil.

Um efeito semelhante será mais forte no vidro telurito devido à sua baixa temperatura de transição vítrea * em comparação com outros tipos de vidro.

Temperatura de transição vítrea * - a temperatura na qual a substância cristalizadora entra no estado vítreo.

2b são fotografias de um microscópio de contraste de interferência diferencial, no qual vemos funis formados com uma potência de pulso de laser de 45,8 μJ, o tamanho do ponto de exposição 13,9 μm e um número diferente de pulsos.


Imagem No. 3

A imagem acima mostra as imagens de funis com diferentes fluências de laser e o número de pulsos de laser de 10 a 32.

A irradiação de 32 pulsos, estando próxima o suficiente do limiar de ablação, leva à formação de uma superfície ondulada do funil ( 3d ), que não está na amostra a 10 pulsos ( 3a ).

Tais "ondas" eram mais distintas e homogêneas quando a fluência era menos de 5 vezes maior que o limiar de ablação por pulso (0,85 J / cm ² ). A frequência da onda foi de 1,4 μm, que é mais do que o comprimento de onda incidente.

Nos 3e e 3f, você pode ver as irregularidades do círculo e a suavidade no meio do funil, onde o feixe gaussiano tinha uma menor fluência. Se a fluência for ainda maior, uma região colunar ( 3f ) é formada.

Dopant Er ³⁺ ion

As medidas do limiar de ablação da amostra com a adição do íon Er ³⁺ e o tamanho da área de irradiação a laser de 13,9 μm não mostraram alterações significativas quando a concentração de dopante foi alterada.

Para cumprir a fórmula de ablação derivada, que permanece inalterada para um número diferente de pulsos, a média e o desvio padrão dos parâmetros para todas as amostras foram os seguintes:

F _th (1) = 0,51 ± 0,03 J / cm2;
F _th (∞) = 0,18 ± 0,01 J / cm2;
k = 0,053 ± 0,009.

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

F _th é o limiar de ablação;
N é o número de pulsos por ponto de exposição;
k é um parâmetro que determina a velocidade com que o limiar de fluência se aproxima de um valor de momento infinito;

Tais indicadores são esperados se a concentração de dopante for baixa, devido aos seguintes motivos:

• A ablação a laser de femtossegundo é um processo não-linear devido ao campo de laser altamente intenso com uma duração de pulso curta. Por isso, a magnitude da zona proibida * é um dos principais parâmetros que descrevem esse processo. E não mudou de forma alguma com o aumento da concentração de íons Er ³⁺ ;
• na concentração máxima de dopante (1,5% mol), a absorção linear da amostra aumentou de 0,11 cm ^-1 para 0,85 cm ^-1 . O coeficiente de absorção para um processo não linear é de 5,4104 cm- ¹ , que é 5 ordens de grandeza a mais se o processo for linear, o que indica a ausência na amostra.
• Alterações físicas nos parâmetros do vidro (densidade, índice de refração e ponto de fusão) são insignificantes em uma baixa concentração de dopante. Como resultado, o limite de ablação não muda.

A zona proibida * é a faixa de valores de energia que um elétron não pode possuir em um corpo cristalino ideal.

Sumário

Os pesquisadores foram capazes de analisar as características do vidro telurito misturado com Er ₂ O ₃ sob a influência da radiação laser de femtossegundos. O intervalo de banda da amostra foi de 3,276 eV (elétron-volt), que é duas vezes maior que a energia de fótons do laser (1,55 eV ou 800 nm). O perfil dos funis criados por pulsos de laser depende diretamente da fluência aplicada e do número de pulsos. Quando a fluência está abaixo da média (2 J / cm ² ), os funis são cilíndricos. Se a fluência estiver acima da média, os funis adquirem os recursos de um perfil gaussiano. A fluência e o número de pulsos determinam se existe uma nanomicro ou macroestrutura da amostra. A frequência das “ondas” na superfície da amostra foi de 1,4 μm quando vários pulsos foram aplicados próximos ao limiar de ablação.

As medições dos diâmetros dos funis em diferentes fluências mostraram um limiar de ablação por pulso único de 0,51 J / cm ² para um diâmetro de 13,9 μm e 0,32 J / cm ² para um diâmetro de 32,0 μm. O limiar de ablação para vários pulsos foi detectado após a aplicação de cerca de 50 pulsos e foi igual a 40% do limiar para um único pulso.

Também foi constatado que o limiar de ablação diminui com o aumento do diâmetro do ponto de exposição à radiação laser, devido à maior probabilidade de que o raio laser possa danificar a amostra.

Com um aumento na concentração da impureza do Er ₂ O ₃ para 1,5 mol por cento, o limiar de ablação não mudou. A quantidade de material removido em uma unidade de energia aplicada foi de 6,8 μm ³ / μJ a uma fluência de 2 J / cm ² . Este indicador diminuiu linearmente.

Uma diminuição na eficiência da ablação com o aumento da fluência pode estar associada a um aumento na refletividade da superfície da amostra.

Para um conhecimento mais detalhado dos detalhes do estudo, recomendo fortemente que você se familiarize com o relatório dos cientistas.

Epílogo

Estudos semelhantes são necessários nas realidades modernas, quando qualquer dispositivo se torna cada vez menor. Para preservar, e às vezes até aumentar, sua produtividade, é necessário estudar as características de novos materiais, redescobrir o já conhecido e até combinar o novo com o antigo há muito esquecido. Claro, tudo tem seu próprio limite, devido às características físicas. No entanto, os cientistas nos mostram de tempos em tempos que esse limite ainda não foi atingido.

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