Нагрев стекла лазером позволил получить нелинейно-оптические кристаллы

Воздействуя лазером на стекло, российские ученые получили нелинейно-оптические кристаллы германата свинца, которые в будущем могут использоваться в оптических компьютерах. Исследование опубликовано в журнале Crystals.

Атомы в кристаллической решетке соединены в строго определенной последовательности. Такое строение имеет большинство твердых материалов на нашей планете, но не все. Например, кристаллической решетки нет у стекла — его группы атомов соединяются неупорядоченно и образуют аморфную структуру. Это удобно для применения стекла в строительстве и изготовлении посуды, так как его податливость позволяет создавать изделия сложной формы. Но для некоторых предметов выгодно комбинировать преимущества стекла и свойства кристаллов в одном материале.

Например, в оптике используются нелинейно-оптические кристаллы. Это прозрачный материал с особой симметрией структуры, которая позволяет управлять характеристиками проходящего света. Например, превращать инфракрасное излучение в видимое зеленое за счет удвоения частоты света. Нелинейно-оптические кристаллы давно используются в лазерной технике, а сегодня ученые ищут способы уменьшать оптические элементы и соединять их. Так станет возможно создавать оптические микрочипы, которые аналогичны электронным микросхемам, но вместо электрического тока используют световые пучки. «Мы разрабатываем новые методы управления структурой материалов и, по сути, занимаемся своеобразной алхимией. 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», — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры стекла и ситаллов РХТУ Сергей Лотарев.

Любое стекло можно превратить в кристалл, медленно нагревая и остужая его. «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)», — отметил 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», — добавил Лотарев.

Российские ученые выделили в стекле кристаллическую фазу гептагерманата свинца Pb5Ge3O11. Это нелинейно-оптический кристалл, оптические характеристики которого можно менять с помощью внешнего электрического поля. Чтобы ее получить, ученые сперва синтезировали стекло из оксидов свинца и германата в соотношении, близком к такому в кристалле. Затем с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния они исследовали структуру стекла до и после нагрева в печи. Это позволило исследователям понять, кристаллизуется ли нужная фаза в стекле, и записать ее спектры комбинационного рассеяния, чтобы потом применить их для сравнения. Затем ученые с помощью лазерного пучка закристаллизировали стекло, нагревая и охлаждая его. При этом стекло ученые перемещали, из-за чего лазер «записывал» непрерывную кристаллическую линию (трек). Изменяя параметры записи, например скорость перемещения, энергию лазерных импульсов и частоту их следования, исследователи обнаружили, что так можно получать треки с разными размерами и профилем поперечного сечения, а также 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. 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», — рассказал Сергей Лотарев.