Физики научились управлять оптическими свойствами кристалла с помощью «нанорешеток»

Ученые с помощью лазера записали в кристалл фторида кальция «нанорешетки», придающие материалу свойство двойного лучепреломления. Такой тип преломления света — когда один луч, проходя через материал, разбивается на два — используется при создании различных оптических приборов, например поляризаторов света. Авторам также удалось регулировать показатель преломления у «нанорешеток», изменяя такие параметры лазерного излучения как длина волны, длительность и энергия импульсов. Полученные данные помогут усовершенствовать лазерную запись микрооптических элементов в кристаллах, а также устройства, в которых они используются. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanomaterials.

При создании оптических устройств, например поляризаторов света и голограмм, широко применяется лазерная запись. Этот подход заключается в том, что на прозрачный материал, в частности кристалл, светят лучом лазера, в результате чего в месте взаимодействия света и твердого вещества происходят микро- и наномасштабные изменения — например, в материале перераспределяются атомы, что приводит к изменению показателя его преломления. Однако до сих пор многие детали взаимодействия света и вещества остаются недостаточно изученными, и это существенно ограничивает развитие лазерных технологий.

Группа ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Москва) и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) изучила особенности воздействия лазерного излучения на фторид кальция. Этот кристалл часто используется в оптических устройствах ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, поскольку он прозрачен для этих длин волн, имеет равномерную с точки зрения прохождения света структуру, а также высокую прочность.

Авторы записали в объеме кристалла наноразмерные полосы (в сотни тысяч раз тоньше диаметра волоса), меняя при этом характеристики лазерного излучения: длину волны, длительность и энергию импульсов. Исследование образцов под микроскопом показало, что полученные учеными микроструктуры — «нанорешетки» из полос — достаточно однородны, то есть элементы в них расположены на одинаковом расстоянии. Кроме того, ученые определили, что при лазерной записи изменяется химический состав кристалла в месте его взаимодействия со светом. В образовавшихся под действием излучения «дорожках» преимущественно присутствовали атомы кальция, тогда как фтор оставался по их краям.

Авторы также показали, что от характеристик используемого при записи лазерного излучения зависят оптические свойства записываемых «нанорешеток». Так, используя лазеры с разной длиной волны, длительностью и энергией импульсов, ученые получили микроструктуры, «разбивающие» луч света на два с разными показателями преломления. Это наблюдение позволит точно контролировать оптические свойства материалов с двойным лучепреломлением, а значит, создавать на их основе устройства и оптические системы с требуемыми для конкретной задачи характеристиками.

«Наше исследование раскрывает некоторые ранее не известные детали взаимодействия света с кристаллом фторида кальция. Эти знания будут полезны при создании микрооптических систем, например поляризационных фильтров, поскольку запись во флюорите очень легко масштабировать. В будущем мы планируем исследовать особенности лазерной записи в других материалах, в частности, в объеме плавленого кварца. Для этого необходимо детально охарактеризовать поведение материала при воздействии света, чем на данный момент активно занимается наша научная группа. Таким образом мы планируем определить общие черты при формировании нано- и микроструктур в процессе прямой лазерной записи в различных материалах. Также мы намерены разработать динамические и статические методы, объясняющие их образование», — рассказывает Анна Богацкая, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, сотрудник Физического института имени П. Н. Лебедева РАН