在任何系统中，无论它多么复杂，它不包含多少个工作元素，都可以始终挑出一个根本重要的细节。 因此，在现代通信系统中，基础通常是光纤，该光纤允许长距离和高速传输数据。 如果不是某些科学家的口号，那么一切都会好起来的：“世界在顶针。” 希望最小化设备的尺寸并没有错，但是，迷你版本的性能不应低于原始版本，但可能会超过原始版本。
为了在设备内部传输信号，需要的光纤数量受到限制。 您不仅可以修剪它，而且一切都可以正常工作。 因此，科学家开始研究用于传输信号的替代方法和材料，以减小各种设备的尺寸。 基于不寻常玻璃的平面波导放大器已成为此类研究的发现之一。 但是，任何技术都必须经过长期的改进。 今天，我们将通过飞秒激光对掺有Er
2 O
3的碲酸盐玻璃表面进行消融研究。 实验的“参与者”具有什么特征，科学家取得了什么结果？ 我们将在研究人员的报告中寻找答案。 走吧
研究的实质
英国利兹大学的研究人员对一种不寻常的玻璃进行了激光研究，这种玻璃对于宽带平面波导放大器来说是一种极好的材料。 该材料是通过
将* * *物质从锌，钠和碲中
合金化而获得的。
掺杂* -添加少量杂质（在这种情况下为）以改变材料的化学和/或物理性质。 向半导体中添加杂质有助于改变其电性能。
* *是一种稀土元素，在网络技术中用作制造光纤以实现长距离传输，无法使用转换站时（例如，在水下铺设轨道时）实现信号再生的杂质。
掺杂物* -一种增加材料电导率或光导率的杂质。 在这种情况下，它是。
掺waveguide波导放大器在最近几年中并不新鲜。 早在90年代，这种技术的开发和研究就在全球范围内进行。 根据研究人员的说法，他们正是使用这种类型的放大器，因为network的
电子跃迁*发生在与现代网络技术相同的波长（1.5微米）处。
电子跃迁* -分子内部电子从一种能级到更高能级的跃迁。
研究人员除其他外，还使用了超快激光等离子体烧蚀技术：将高强度激光对准掺-玻璃的表面； 激光束刺穿玻璃表面上的小漏斗（槽），导致漏斗形成过程中产生的材料形成薄膜。 这是一个原始的例子，但仍然是一个例子：炮弹击中地面后，形成漏斗，大地在撞击点附近沉睡。
在形成漏斗时，研究人员将注意力集中在玻璃的
消融阈值
上 。 还揭示了烧蚀阈值与激光束直径，脉冲数和激光“撞击”区域中of浓度之间的关系。
烧蚀*是通过激光脉冲从表面去除物质的方法。
可视化的激光烧蚀过程。 我们还看到了漏斗的形成
由于所形成的漏斗的形态可以告诉研究人员如何更好地控制材料的孔隙率及其吸收和散射光的能力，因此它们也需要进行详细研究。
原型制作实验玻璃样品包括（80-x）TeO
2 –10ZnO – 10Na
2 O – xEr
2 O
3 ，其中：
- x在不同样品中等于0.00、0.25、0.50 0.75、1.00、1.25、1.50 摩尔％* ;
- TeO 2-二氧化碲；
- ZnO-氧化锌;
- Na 2 O-氧化钠；
- Er 2 O 3是氧化。
摩尔百分数* -等于摩尔数乘以100，从而显示出100摩尔溶液中包含多少摩尔物质。
这些化学药品是分析试剂，纯度超过99.99％。 通过熔融和回火以标准方式合成玻璃。 换句话说，该物质的基础是
碲酸盐玻璃 （以下简称
TZN ），其成分中应包含二氧化碲，从上式中可以看出。
在确定每种所涉及的化合物的摩尔质量之后，使用大理石研钵和研杵将这些物质研磨成细粉。
然后将带有原型玻璃的金
坩埚*在875°C的温度下的烤箱中放置3小时。
坩埚* -用于烧制，熔化，干燥或加热各种材料的容器。 在坩埚的制造中，耐火性和耐各种冲击性很重要。 在这种情况下，使用金坩埚，因为它对高精度的化学加工非常有用。
同时，将氧气供应量降低至1-2 l / min，以便从炉膛中除去蒸汽并保持低含量的OH-玻璃。
然后将熔体倒入预热的黄铜中，并转移到窑中，在295°C的温度下放置4小时。 这个阶段对于消除热变形和机械变形是必要的。 将完成的样品以0.5℃/ min的速率冷却至室温。
制造的最后阶段：将样品切成30h30h3 nm
3的大小并抛光以达到光学质量。
如您所见，制造测试玻璃的整个过程非常耗时，并且与组成物质的摩尔质量和进行操作的温度的非常精确的测量有关。 现在我们来寻找问题的答案：游戏值得吗？ 换句话说，这种难以制造的物质显示出什么结果。
样品的光学性质
射线照片显示样品是无定形的。 将1.5mol％的Er
2 O
3引入样品组合物中，其密度从5.18增加到5.27g / cm
3 。 通过用具有更高分子量的Er
2 O
3代替TeO
2来证明这种增加是合理的。 碲酸盐玻璃的折射率为2.048。
Er 3+离子数量的增加导致样品变成深粉红色（在透明之前），这与电子跃迁到激发态有关。
附表1上图显示了通过以下公式计算的样品的吸收光谱：
α（ν）= A / L ，其中
L是样品的厚度；
A是由光谱仪测量的吸光度。
TZN在387 nm处
* UV
吸收带的
边缘后显示出约0.11 cm
-1的无表达吸收。
吸收带*的边缘是辐射能量的指标，超过该辐射能量，物质对该辐射的吸收会急剧增加。
如果我们添加Er
3+离子形式的掺杂剂，则会观察到从基态（
4 I
15/2 ）到各种激发态的11个明显跃迁：
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每个对应于一个波长：
1531（略微增加1497），976、800、653、545、522、489、452、444、407和380 nm。
样品内部的Er
3+离子的能级由于
Stark效应*而被划分。
斯塔克效应*是离子的电子子系统状态的位移和分裂，该离子的子系统确定外部电场中的能级。
在不同浓度的掺杂剂下，当峰随玻璃中Er
3+离子浓度的增加而增加时，样品显示出相似的结果。
漏斗形态
为了了解样品的所有特性，有必要注意样品上形成的漏斗。
图片2：漏斗及其特征图像
2a显示了原子力显微镜拍摄的漏斗图像。 每个漏斗由单个激光脉冲形成，功率为36.4、56.8和88.4μJ（微焦耳，1μJ= 10
-6 J）。 脉冲暴露点的尺寸为32.0μm。
从图片下方的比较图可以看出，每个漏斗的轮廓都很小。 在低脉冲功率下，当
注量*为≲2 J / cm
2时 ，漏斗呈圆柱形。 随着通量的进一步增加，漏斗进入高斯分布。
带有漏斗的样本快照通量* -粒子通量密度或能量的时间积分。
漏斗周围有突出的边缘，高度为20至50 nm。 随着激光通量的增加，边缘的高度也增加。 除其他外，注意到径向爆裂。 类似的特征是由于在消融区下方形成了稀薄的熔融区域，并且产生了等离子体。 也就是说，在激光注量较低的情况下，等离子体压力可能太低而无法从漏斗中释放熔融材料。 由于这些因素，会发生重新硬化，从而形成漏斗的平坦底部。
与其他类型的玻璃相比，由于其
玻璃化转变温度低
* ，在碲酸盐玻璃中，类似的效果会更强。
玻璃化转变温度* -结晶物质进入玻璃态的温度。
图2b是微分干涉对比显微镜的照片，其中我们看到了以45.8μJ的激光脉冲功率，13.9μm的曝光点大小和不同数量的脉冲形成的漏斗。
图片编号3上图显示了具有不同激光注量的漏斗图像以及10到32个激光脉冲的数量。
足够接近消融阈值的32个脉冲的辐照导致形成漏斗状的波浪形表面（
3d ），该表面在10个脉冲（
3a ）处不在样品上。
当注量小于脉冲消融阈值（0.85 J / cm
2 ）的5倍以上时，此类“波”最为明显且均匀。 波频率为1.4μm，大于入射波长。
在
3e和
3f上，您可以看到漏斗中部的圆度和平滑度不规则，其中高斯光束的通量较低。 如果注量更大，则形成柱状区域（
3f ）。
掺杂剂Er 3+离子添加了Er
3+离子的样品的烧蚀阈值和
13.9μm的激光照射区域的尺寸没有随掺杂剂浓度的变化而显着变化。
为了符合导出的烧蚀公式，该公式对于不同数量的脉冲保持不变，所有样本的参数均值和标准偏差如下：
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） ，其中
F th是消融阈值；
N是每个曝光点的脉冲数；
k是确定注量阈值接近无限动量值的速度的参数；
由于以下原因，如果掺杂剂浓度低，则可以预期使用此类指标：
- 飞秒激光烧蚀是一个非线性过程，这是由于具有短脉冲持续时间的高强度激光场。 因此， 禁区*的大小是描述此过程的主要参数之一。 而且，随着Er 3+离子浓度的增加，它没有任何变化。
- 在最大掺杂剂浓度（1.5摩尔％）下，样品的线性吸收从0.11 cm -1增加到0.85 cm -1 。 非线性过程的吸收系数为5.4104 cm -1 ，如果过程是线性的，则吸收系数大5个数量级，这表明样品中不存在吸收系数。
- 在低掺杂浓度下，玻璃参数的物理变化（密度，折射率和熔点）微不足道。 结果，消融阈值不改变。
禁区*是电子在理想晶体中无法拥有的能量值范围。
总结研究人员能够分析飞秒激光辐射影响下掺有Er
2 O
3的碲酸盐玻璃的特性。 样品的带隙为3.276 eV（电子伏特），是激光器的光子能量（1.55 eV或800 nm）的两倍。 激光脉冲产生的漏斗轮廓直接取决于所施加的注量和脉冲数。 当通量低于平均值（2 J / cm
2 ）时，漏斗是圆柱形的。 如果通量高于平均水平，则漏斗将获得高斯轮廓的特征。 能量密度和脉冲数量决定了样品是否具有纳米微结构或宏观结构。 当在消融阈值附近施加多个脉冲时，样品表面的“波”频率为1.4μm。
在不同注量下的漏斗直径的测量结果显示，对于13.9μm的直径，单个脉冲消融阈值为0.51 J / cm
2，对于32.0μm的直径，则为0.32 J / cm
2 。 在施加约50个脉冲后检测到几个脉冲的消融阈值，该阈值等于单个脉冲阈值的40％。
还发现，由于激光束损坏样品的可能性增加，所以消融阈值随着暴露于激光辐射的点的直径增加而降低。
随着Er
2 O
3杂质浓度增加到1.5摩尔％，烧蚀阈值没有改变。 以2J / cm
2的注量，以施加的能量单位去除的材料的量为6.8μm3 /μJ。 该指标线性下降。
随着通量的增加，消融效率的降低可能与样品表面反射率的提高有关。
为了更详细地了解研究的细节，我强烈建议您熟悉科学家的报告。结语当任何设备变得越来越小时，在现代现实中也需要进行类似的研究。 为了保持甚至有时甚至提高生产率，有必要研究新材料的特性，重新发现已知材料，甚至将新材料与被遗忘的旧材料结合起来。 当然，由于物理特性，所有事物都有其自身的局限性。 但是，科学家不时向我们表明这一限制尚未达到。
感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的资料吗？ 通过下订单或将其推荐给您的朋友来支持我们，
为我们为您发明的入门级服务器的独特模拟，为Habr用户提供
30％的折扣： 关于VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）的全部真相10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps从$ 20还是如何划分服务器？ （RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。
戴尔R730xd便宜2倍？ 仅
在荷兰和美国，我们有
2台Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100电视（249美元起） ！ 阅读有关
如何构建基础架构大厦的信息。 使用价格为9000欧元的Dell R730xd E5-2650 v4服务器的上等课程？