СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТЕКЛА
METHOD OF LASER GLASS MODIFYING

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу модифицирования структуры стекла под действием лазерного пучка для формирования люминесцирующих микрообластей, обладающих двулучепреломлением, и может быть использовано для записи информации. Изобретение позволяет формировать с помощью фемтосекундного лазера в фосфатном стекле микрообласти размером 1-5 мкм, обладающие люминесценцией и двулучепреломлением. Полученный результат может быть использован для записи информации, где кодирование информации осуществляется одновременно в параметры люминесценции и параметры двулучепреломления сформированных областей.
Известен способ модифицирования стекла для записи информации [Патент US 4092139 Process for making colored photosensitive glass], заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра, фотосенсибилизатор, локально облучают через амплитудную маску ультрафиолетовым (УФ) излучением в течение 10-20 мин, а затем термообрабатывают при температуре выше температуры стеклования в течение 1-5 часов. При УФ-облучении происходит фотоионизация фотосенсибилизатора с образованием в стекле свободных электронов. Часть этих электронов захватывают ионы серебра с образованием нейтральных атомов серебра. При термообработке, в результате термической диффузии атомов серебра, происходит формирование наночастиц серебра, имеющих полосу поглощения в спектральном интервале 400-450 нм. В результате этого облученная область стекла приобретает окраску. Недостатком способа является большая продолжительность записи информации, необходимость использования стекла с фотосенсибилизатором и невозможность записи более одного бита информации в точку для реализации сверхплотного хранения информации.
Известен способ модифицирования стекла для записи информации [R.E. de Lamaestre, Н. Bea, Н. Bernas, J. Belloni, J.L. Marigniez // Phys. Rev. B, 2007, V. 76, 205431], заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра, локально облучают через амплитудную маску гамма-излучением или энергичными ионами в течение 10-20 мин, а затем термообрабатывают при температуре выше температуры стеклования в течение 1-5 часов. При гамма-облучении происходит фотоионизация компонентов стекла с образованием в стекле свободных электронов. Часть этих электронов захватывают ионы серебра с образованием нейтральных атомов серебра. При термообработке, в результате термической диффузии атомов серебра, происходит формирование наночастиц серебра, имеющих полосу поглощения в спектральном интервале 400-450 нм. В результате этого облученная область стекла приобретает окраску. Недостатком способа является большая продолжительность записи информации, необходимость использования источника ионизирующего излучения либо ускорителя ионов и невозможность записи более одного бита информации в точк, для реализации сверхплотного хранения информации.
n
n
n
m+
m+
3+
Известен способ модифицирования стекла для записи информации [А.И. Игнатьев и др. Влияние ультрафиолетового облучения и термообработки на люминесценцию молекулярных кластеров серебра в фото-термо-рефрактивных стеклах // Опт. и спектр. 2013. Т. 114, С. 838], заключающийся в том, что стекло, содержащее ионы серебра Ag, молекулярные ионы серебра Ag (n=2-4) и фотосенсибилизатор - ионы церия Се, локально облучают через амплитудную маску УФ-излучением с длиной волны 305-310 нм в течение 10-20 мин. При УФ- облучении происходит фотоионизация фотосенсибилизатора с образованием в стекле свободных электронов. Часть этих электронов захватывают ионы и молекулярные ионы серебра с образованием нейтральных атомов Ag и нейтральных молекулярных кластеров Ag, обладающих интенсивной люминесценцией в видимой области спектра. Время облучения определяется тем, что при облучении в полосу поглощения ионов церия интенсивность УФ- излучения спадает по толщине образца экспоненциально. Поэтому для того, чтобы набрать необходимую дозу облучения по всей толщине образца в облучаемой зоне, необходимо продолжительное облучение. В результате этого облученная область стекла приобретает люминесцентные свойства при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-380 нм. Недостатком способа является большая продолжительность записи информации, необходимость использования стекла с фотосенсибилизатором и невозможность записи более одного бита информации в точку для реализации сверхплотного хранения информацииИзвестен способ модифицирования стекла для записи информации [Патент SU 1714675 А1. Носитель оптической записи], заключающийся в том, что на натриевоборатное стекло с примесью цинка или кадмия в количестве 0,1-5 мас.% воздействуют мощным УФ-излучением. При этом в облученных областях изменяются спектрально-люминесцентные характеристики, которые отвечают за процесс считывания информации. Недостатком способа является необходимость применения мощных источников УФ-излучения и невозможность записи более одного бита информации в точку для реализации сверхплотного хранения информации.
Известен способ модифицирования стекла для записи информации [Zhang, Jingyu, et al. Seemingly unlimited lifetime data storage in nanostructured glass // Physical review letters.112.3. 2014. 03390], заключающийся в том, что кварцевое стекло облучают сфокусированным пучком фемтосекундного лазера, что приводит к образованию периодических наноструктур, называемых «нанорешетками». Нанорешетки обладают анизотропными свойствами, их двулучепреломление зависит от параметров лазерного пучка. При прохождении через нанорешетку луч света разделяется на две взаимно ортогонально-поляризованных компоненты - обыкновенную и необыкновенную, между которыми возникает фазовый сдвиг, выражаемый в нм. Нанорешетка имеет «медленную» ось, т.е. направление, вдоль которого показатель преломления для необыкновенного луча максимален. В работах [Shimotsuma, Yasuhiko, et al. Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses // Physical review letters. 91.24. 2003. 247405, Beresna, Martynas, et al. Exciton mediated self-organization in glass driven by ultrashort light pulses // Applied Physics Letters. 101.5. 2012. 053120] отмечено, что ориентация «медленной» оси пита перпендикулярна плоскости поляризации пучка лазера, т.е. двулучепреломление поляризационно-зависимо. Также установлено, что фазовый сдвиг пита можно повысить путем увеличения количества или энергии лазерных импульсов. Таким образом, запись информации возможна в нескольких направлениях: «медленной» оси и уровнях фазового сдвига дополнительно к трем пространственным измерениям оптического носителя. Это позволяет закодировать в пите более одного бита информации (т.е. реализуется принцип многоуровневой памяти) и увеличить плотность записи информации оптического носителя пропорционально числу записанных бит. Недостатком способа является использование кварцевого стекла - его производство является более дорогостоящим и технически сложным по сравнению с производством многокомпонентных стекол фосфатной системы, так как синтез проводится при температурах более 2000°С при использовании специального дорогостоящего оборудования, а также в силу сложности механической обработки готового стекла: шлифовки и полировки. Также недостатком является возможность использования только двух параметров для кодирования информации - ориентации «медленной» оси и фазового сдвига, что ограничивает возможность многомерной сверхплотной записи информации.
2
3
2
2
Известен способ модифицирования стекла для записи информации [Патент RU 2543670 Способ записи оптической информации в стекле], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что силикатное стекло состава NaO-ZnO-AlO-SiO-NaF-NaCl с добавкой AgO (0,24 мас.%) локально облучают сфокусированными фемтосекундными инфракрасными (ИК) лазерными импульсами с длиной волны 1 мкм, длительностью импульсов 200 фс, частотой повторения импульсов 300 кГц и средней мощностью 0,5-3 Вт. После этого облученная зона стекла приобретает люминесцентные свойства при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-380 нм. Недостатком способа является низкая плотность записи, которая обусловлена невозможностью записи более одного бита информации в точку.
+
Серебро в стекле исходно содержится в виде ионов серебра Ag, которые имеют чрезвычайно низкую интенсивность люминесценции. При локальном воздействии фемтосекундного ИК лазерного импульса на стекло происходит многофотонное поглощение излучения компонентами стекла и фотоионизация, приводящая к появлению свободных электронов в стекле. Электроны захватываются ионами серебра, переводя их в нейтральное состояние, а возникающая тепловая диффузия приводит к их агрегации в кластеры серебра. Кластеры серебра обладают интенсивной люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-380 нм. Также в результате облучения фосфатного стекла, содержащего ионы серебра, фемтосекундными лазерными импульсами, в облученных зонах проявляется эффект локального поляризационно-зависимого двулучепреломления, который выражается в наличии измеряемого значения фазового сдвига и зависимости ориентации «медленной» оси двулучепреломления от плоскости поляризации пучка лазера [Липатьев А.С., Шахгильдян Г.Ю. и др. Формирование люминесцирующих и двулучепреломляющих микрообластей в фосфатном стекле, содержащем серебро // Стекло и Керамика. 2016. №8. С. 3-9]. Для регистрации сигнала люминесценции используется флуоресцентный микроскоп с возбуждающим излучением в диапазоне 350-380 нм. Для регистрации фазового сдвига и ориентации «медленной» оси двулучепреломления используется система Abrio Microbirefringence [Патент US 7372567 В2. Retardance measurement system and method] на базе оптического поляризационного микроскопа Olympus ВХ61.
Задачей настоящего изобретения является формирование в стекле микрообластей размером 1-5 мкм, обладающих одновременно и люминесценцией, и двулучепреломлением, для повышения плотности записи информации с использованием параметров люминесценции и двулучепреломления сформированных микрообластей.
2
2
5
Поставленная задача решается способом лазерного модифицирования стекла для записи информации, включающим локальное облучение стекла, содержащего ионы серебра, сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне, при этом для облучения используют фосфатное стекло состава мол.% 1-3 AgO, 56-57 ZnO, 41-42 РО, которое облучают линейно-поляризованным фемтосекундным лазерным пучком с энергией импульсов в пределах 30-200 нДж, длительностью в пределах 300-1200 фс, частотой следования в пределах 1-500 кГц, а для фокусировки лазерного пучка применяют объектив с числовой апертурой 0,4-0,9.
В результате применения предлагаемого способа лазерного модифицирования стекла в объеме стекла формируются микрообласти диаметром 1-5 мкм с люминесцентными (при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350-380 нм) и двулучепреломляющими свойствами, которые можно использовать для сверхплотной записи информации.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
2
2
5
Пример 1: В стекле состава 1 AgO-57ZnO-42PO сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1030 нм, энергией импульсов 200 нДж, длительностью импульсов 300 фс, с частотой повторения импульсов 1 кГц при линейной поляризации лазерного пучка, сфокусированного через объектив с числовой апертурой 0,4, формируются микрообласти диаметром 5 мкм (фигура 1), обладающие люминесценцией с максимумом на длине волны 520 нм (при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 350 нм) с уровнем люминесценции 48 отн. ед. (фигура 2), с уровнем фазового сдвига 40 нм (на фигуре не показано), ориентацией «медленной» оси 0 и 90° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения (на фигуре не показано). В одну сформированную микрообласть можно записать 4 бита информации, 1 бит из которых кодируется в уровне люминесценции, 1 бит - в уровне фазового сдвига и 2 бита в ориентации медленной оси двулучепреломления.
2
2
5
Пример 2: В стекле состава 1 AgO-57ZnO-42PO сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1030 нм, энергией импульсов 30 нДж, длительностью импульсов 1200 фс, с частотой повторения импульсов 500 кГц при линейной поляризации лазерного пучка, сфокусированного через объектив с числовой апертурой 0,9, формируются микрообласти диаметром 1 мкм (фигура 3), обладающие люминесценцией с максимумом на длине волны 540 нм (при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 380 нм) с уровнем люминесценции 88 отн. ед. (фигура 4), с уровнем фазового сдвига 20 нм (на фигуре не показано), ориентацией «медленной» оси 45 и 135° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения (на фигуре не показано). В одну сформированную микрообласть можно записать 4 бита информации, 1 бит из которых кодируется в уровне люминесценции, 1 бит - в уровне фазового сдвига и 2 бита в ориентации медленной оси двулучепреломления.
2
2
5
Пример 3: В стекле состава 3AgO-56ZnO-41PO сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами с длиной волны 1030 нм, энергией импульсов 30 нДж, длительностью импульсов 1200 фс, с частотой повторения импульсов 500 кГц при линейной поляризации лазерного пучка, сфокусированного через объектив с числовой апертурой 0,9, формируются микрообласти диаметром 5 мкм (на фигуре не показано), обладающие люминесценцией с максимумом на длине волны 540 нм (при возбуждении люминесценции излучением с длиной волны 380 нм) с уровнем люминесценции 100 отн. ед. (на фигуре не показано), с уровнем фазового сдвига 25 нм (на фигуре не показано), ориентацией «медленной» оси 45 и 135° относительно первоначального направления поляризации лазерного излучения (на фигуре не показано). В одну сформированную микрообласть можно записать 4 бита информации, 1 бит из которых кодируется в уровне люминесценции, 1 бит - в уровне фазового сдвига и 2 бита в ориентации медленной оси двулучепреломления.
В отличие от прототипа в результате лазерного модифицирования стекла по предлагаемому способу формируются микрообласти не только с люминесцентными свойствами, но и с двулучепреломляющими свойствами (измеряемые значения фазового сдвига и зависимость ориентации «медленной» оси двулучепреломления от плоскости поляризации лазерного пучка). Параметры сформированных в стекле микрообластей (люминесценции, фазового сдвига и зависимости ориентации «медленной» оси двулучепреломления) можно одновременно использовать для сверхплотной записи информации с использованием параметров люминесценции и двулучепреломления сформированных микрообластей. Таким образом, в одну микрообласть можно записать 4 бита информации, 1 бит из которых кодируется в уровень люминесценции, 1 бит - в уровень фазового сдвига и 2 бита в ориентации медленной оси двулучепреломления.