С помощью нелинейно-оптических кристаллов можно гибко управлять свойствами проходящего через них света — например, превращать невидимое инфракрасное излучение в видимое. Они должны стать важными элементами будущих чипов оптических компьютеров, но для этого их нужно создавать прямо в стекле. Ученые РХТУ им. Д. И. Менделеева показали, что нелинейно-оптические кристаллы германата свинца можно получать с помощью прямой лазерной записи, то есть локально обрабатывая стекло интенсивными лазерными импульсами.
В РХТУ вырастили нелинейно-оптические кристаллы внутри стекла при помощи лазера
Фото: Предоставлено РХТУ им. Д.И. Менделеева
В РХТУ вырастили нелинейно-оптические кристаллы внутри стекла при помощи лазера
Фото: Предоставлено РХТУ им. Д.И. Менделеева
Большинство твердых материалов на Земле имеет кристаллическое строение — их структура представляет собой регулярную решетку, в которой атомы соединены в строго определенной последовательности. Но стекла вопреки расхожему мнению и своей очевидной твердости не относятся к кристаллическим материалам — в их структуре нет кристаллической решетки, и группы атомов в стеклах соединяются неупорядоченно, образуя аморфную структуру. Для привычных применений в строительстве или посуде это хорошо, ведь из аморфного, податливого стекла гораздо проще делать различные изделия, чем из кристаллических материалов, особенно если нужна сложная форма или высокая прозрачность. Однако для некоторых применений выгодно комбинировать свойства кристаллов и преимущества стекла в одном материале.
В оптике существуют кристаллы, которые называют нелинейно-оптическими. С виду это ничем не примечательные прозрачные материалы, но они обладают особой симметрией структуры, из-за чего могут управлять характеристиками проходящего света. Например, невидимое инфракрасное излучение после прохождения через нелинейно-оптический кристалл может стать зеленым — видимым глазу — за счет удвоения частоты света. Такие кристаллы уже давно используют в лазерной технике, а сейчас ученые учатся уменьшать оптические элементы и интегрировать их воедино, чтобы создавать оптические микрочипы — аналоги электронных микросхем, но со световыми пучками вместо электрического тока. Для решения этой задачи нужно научиться уменьшать и нелинейно-оптические кристаллы.
«Мы разрабатываем новые методы управления структурой материалов и, по сути, занимаемся своеобразной алхимией,— рассказывает Сергей Лотарев, доцент кафедры стекла и ситаллов РХТУ.— К примеру, в этой работе для формирования нелинейно-оптических кристаллов микронного размера мы использовали стекло, которое облучали сильно сфокусированным импульсным лазерным излучением с аккуратно подобранными параметрами».
Нежный лазерный нагрев
Превратить в кристалл можно любое стекло. Обычно это происходит, если его медленно нагревать и потом остужать — у атомов есть время спокойно собраться и образовать кристаллическую решетку. Для обычных стекол кристаллизация — это очень нежелательный процесс, и производители листового или тарного стекла всеми силами ее избегают, чтобы не испортить стеклянное изделие. В этой работе кристаллизация, наоборот, была необходима.
«Обычно при термообработке с целью кристаллизации нагрев стекла происходит по всему объему — образец помещают в печь и поднимают температуру. Но тогда материал закристаллизуется целиком, а нам нужно, чтобы в нелинейно-оптический кристалл превратились только отдельные области микронного размера, ведь задача состоит в создании интегральных оптических схем, похожих на электронные чипы, где в основе — стекло (аналог кремниевой подложки чипа), и в нем записаны кристаллические волноводы (аналог интегральных компонентов микросхем на чипе),— комментирует Сергей Лотарев.— Для этого мы используем метод прямой лазерной записи: с помощью мощного фемтосекундного лазера нагреваем стекло до высоких температур, но делаем это очень аккуратно — зона нагрева ограничена всего несколькими микронами. В итоге с помощью такого нежного нагрева удается кристаллизовать заданные микрообъемы стекла и создавать протяженные треки с практически монокристаллической структурой, обладающие всеми свойствами нелинейно-оптического кристалла, сохраняя вокруг аморфную фазу».
В этой работе ученые выделяли в стекле кристаллическую фазу гептагерманата свинца (Pb5Ge3O11). Это нелинейно-оптический кристалл, в котором можно с помощью внешнего электрического поля менять оптические характеристики кристалла и тем самым вызывать отклик в проходящем через кристалл свете. Для того чтобы сформировать кристаллические треки из германата свинца, исследователи сначала синтезировали стекло, состоящее из оксидов германия и свинца, в соотношении, близком к такому в кристалле. Затем методом спектроскопии комбинационного рассеяния они исследовали структуру стекла до и после нагрева в печи. Так ученые поняли, кристаллизуется ли нужная фаза в объеме стекла, и записали ее спектры комбинационного рассеяния, чтобы в дальнейшем использовать их для сравнения.
Фото: Предоставлено РХТУ им. Д.И. Менделеева
Фото: Предоставлено РХТУ им. Д.И. Менделеева
После этого исследователи закристаллизовали стекло при помощи лазерного излучения: для этого в нем фокусировали лазерный пучок и медленно перемещали стекло перпендикулярно направлению пучка. В зоне облучения стекло плавилось, а при последующем охлаждении — кристаллизовалось. Из-за постоянного перемещения стекла получалось, что лазер «записывает» в нем непрерывную кристаллическую линию (трек). Изменяя параметры записи (скорость перемещения, энергию лазерных импульсов и частоту их следования), ученые обнаружили, что можно получать треки с разными размерами и профилем поперечного сечения и с различным распределением фазы германата свинца.
«На данном этапе наши исследования — поисковые. Мы изучаем различные возможности кристаллизации стекла, выясняем, какие кристаллические фазы можно вырастить лазером эффективнее и как получить в них наилучшую микроструктуру,— рассказывает Сергей Лотарев.— Полученные в этой работе треки из германата свинца интересны в первую очередь тем, что дают возможность управлять свойствами света, который будет по ним распространяться. То есть если в дальнейшем мы научимся вводить в такие кристаллические треки свет, то с помощью электрического сигнала сможем влиять на его параметры. В будущем такой интегральный электрооптический модулятор может стать элементом архитектуры оптического компьютера, на базе которой будут с высочайшим быстродействием решаться сложные вычислительные задачи».
РХТУ им. Д. И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева в рамках проекта РХТУ им. Д. И. Менделеева по поддержке молодых ученых.
Статья Lotarev, S. V. et al. Ultrafast Laser-Induced Crystallization of Lead Germanate Glass. Crystals, 2021, DOI:10.3390/cryst11020193