УДК: 533.9.082.5

Наноструктурирование поверхности силикатного стекла фемтосекундными лазерными импульсами ультрафиолетового диапазона

Ионин А.А., Кудряшов С.И., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Апостолова Ц.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Ионин А.А., Кудряшов С.И., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Апостолова Ц. Наноструктурирование поверхности силикатного стекла фемтосекундными лазерными импульсами ультрафиолетового диапазона // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 5. С. 43–54.

Ionin A.A., Kudryashov S.I., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Apostolova Ts. Nanostructuring of the surface of silicate glass by femtosecond laser pulses in the UV range [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2014. V. 81. № 5. P. 43–54.

Ссылка на англоязычную версию:

A. A. Ionin, S. I. Kudryashov, L. V. Seleznev, D. V. Sinitsyn, and T. Apostolova, "Nanostructuring of the surface of silicate glass by femtosecond laser pulses in the UV range," Journal of Optical Technology. 81(5), 262-269 (2014). https://doi.org/10.1364/JOT.81.000262

Аннотация:

Электронная динамика и абляция поверхности силикатного стекла, возбужденного одиночными ультрафиолетовыми фемтосекундными импульсами, исследованы методами фотолюминесценции и контактной ультразвуковой диагностики. При низких плотностях энергии лазерного излучения сигнал фотолюминесценции обнаруживает линейный характер фотогенерации электронно-дырочной плазмы, сопровождающейся ее радиационной рекомбинацией, автолокализацией носителей и генерацией точечных дефектов. При высоких плотностях энергии быстрая Оже-рекомбинация плотной электрон-дырочной плазмы насыщает выход люминесценции, позволяя только ультразвуковую диагностику фотовозбуждения и последующих тепловых процессов, включающих откольную и фрагментационную абляцию. Результаты экспериментальных исследований электронной динамики подтверждаются результатами ее численного моделирования в рамках квантовой кинетической модели, основанной на решении уравнения Больцмана. В режиме многоимпульсного лазерного воздействия на поверхность стекла осуществлена генерация поверхностных нанорешеток.

Ключевые слова:

УФ фемтосекундные лазерные импульсы, силикатное стекло, электронная динамика, абляция и наноструктурирование поверхности

Благодарность:

Авторы признательны за поддержку Российскому фонду фундаментальных исследований (проект № 13-02-00971), а также Президиуму РАН (программы №№ 13 и 24).

Коды OCIS: 320.7130

Список источников:

1. Korte F., Serbin J., Koch J., Egbert A., Fallnich C., Ostendorf A., Chichkov B.N. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 2004. V. 77. № 2. P. 229–235.
2. Ke K., Joglekar A.P., Liu H., Meyhofer E., Hasselbrink E., Mourou G., Hunt A.J. The physics and limits of femtosecond laser micromachining // Int. J. Eng. Sci. 2005. DOI: 10.1109/CLEO.2005.202317.
3. Martin P., Guizard S., Daguzan Ph., Petite G., D’Oliveira P., Meynadier P., Perdrix M. Subpicosecond study of carrier trapping dynamics in wide-band-gap crystals // Phys. Rev. B. 1997. V. 55. № 9. P. 5799–5810.
4. Mero M., Liu J., Rudolph W., Ristau D., Starke K. Scaling laws of femtosecond laser pulse induced breakdown in oxide films // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. № 11. 115109.
5. Ashkenasi D., Mueller G., Rosenfeld A., Stoian R., Hertel I.V., Bulgakova N.M., Campbell E.E.B. Fundamentals and advantages of ultrafast micro-structuring of transparent materials // Appl. Phys. A. 2003. V. 77. № 2. P. 223–228.
6. Temnov V.V., Sokolowski-Tinten K., Zhou P., El-Lhamhawy A., von der Linde D. Multiphoton Ionization in Dielectrics: Comparison of Circular and Linear Polarization // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. № 23. 237403.

7. Puerto D., Gawelda W., Siegel J., Bonse J., Bachelier G., Solis J. Transient reflectivity and transmission changes during plasma formation and ablation in fused silica induced by femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A. 2008. V. 92. № 4. P. 803–808.
8. Гордиенко В. М. , Михеев П. М., Потемкин Ф. В. Генерация когерентных терагерцовых фононов при острой фокусировке фемтосекундного лазерного излучения в объем кристаллических диэлектриков в режиме формирования плазмы // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т.92. № 8. С. 553–558.
9. Watanabe M., Joudkazis S., Sun H.-B., Matsuo S., Misawa H. Luminescence and defect formation by visible and near-infrared irradiation of vitreous silica // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. №14. P. 9959–9964.
10. Ахманов С.А. , Емельянов В.И. , Коротеев Н.И., Семиногов В.Н. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика // УФН. 1985. Т. 147. № 12. С. 675–745.
11. Зворыкин В.Д., Ионин А.А., Кудряшов С.И., Пономарев Ю.Н., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Тихомиров Б.А. Нелинейное поглощение ультрафиолетовых фемтосекундных лазерных импульсов в аргоне // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88. № 1. С. 10–13.
12. Ю П., Кардона М. Основы физики полупроводников. М.: Физматлит, 2002. 560 с.
13. Chelikowsky J.R., Schlütter M. Electron states in α-quartz: A self-consistent pseudopotential calculation // Phys. Rev. B. 1977. V. 15. № 8. P. 4020–4029.
14. Силинь А.Р., Трухин А.Н. Точечные дефекты и элементарные возбуждения в кристаллическом и стеклообразном SiO2. Рига: Зинатне, 1985. 244 с.
15. Kudryashov S.I., Zvorykin V.D., Ionin A.A., Mizeikis V., Juodkazis S., Misawa H. Acoustic monitoring of microplasma formation and filamentation of tightly focused femtosecond laser pulses in silica glass // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. № 10. Р. 101916.
16. Salleo A., Taylor S.T., Martin M.C., Panero W.R., Jeanloz R., Sands T., Genin F.Y. Laser-driven formation of a high-pressure phase in amorphous silica // Nature Mater. 2003. V. 2. P. 796–800.
17. Song K.S., Williams R.T. Self-trapped Excitons. Berlin: Springer, 1993. 406 p.
18. Ponader C.W., Schroeder J.F., Streltsov A.M. Origin of the refractive-index increase in laser-written waveguides in glasses // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. № 6. Р. 063516.
19. Schenker R.E., Oldham W.G. Ultraviolet-induced densification in fused silica // J. Appl. Phys. 1997. V. 82. № 3. P. 1065–1071.
20. Guizard S., Martin P., Petite G., D’Oliveira P., Meynadier P. Time-resolved study of laser-induced colour centres in SiO2 // J. Phys.: Condens. Matter. 1996. V. 8. № 9. P. 1281–1290.
21. Matsuda O., Wright O.B., Hurley D.H., Gusev V.E., Shimizu K. Coherent shear phonon generation and detection with ultrashort optical pulses // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. № 9. 095501.
22. Gusev V.E., A.A. Karabutov. Laser Optoacoustics. N.Y.: AIP, 1993. 271 p.
23. Ионин A.A., Кудряшов С.И., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Бункин А.Ф., Леднев В.Н., Першин С.М. Термическое плавление и абляция поверхности кремния фемтосекундным лазерным излучением // ЖЭТФ. 2013. Т.143. № 3. С. 403–422.
24. Kudryashov S.I., Paul S., Lyon K., Allen S.D. Dynamics of laser-induced surface phase explosion in silicon // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. 254102.
25. Leveugle E., Ivanov D. S., Zhigilei L.V. Photomechanical spallation of molecular and metal targets: molecular
dynamics study // Appl. Phys. A. 2004. V. 79. № 7. P. 1643–1655.
26. Ионин A.A., Кудряшов С.И., Лигачев А.Е., Макаров С.В., Селезнев Л.В., Синицын Д.В. Наномасштабная кавитационная неустойчивость поверхности расплава вдоль штрихов одномерных решеток нанорельефа на поверхности алюминия // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 94. № 4. С. 289–292.
27. Голосов Е.В., Ионин A.A., Колобов Ю.Р., Кудряшов С.И., Лигачев А.Е., Новоселов Ю.Н., Селезнев Л.В., Синицын Д.В. Сверхбыстрая оптика поверхности титана и фемтосекундная лазерная запись одномерных нанорешеток ее рельефа // ЖЭТФ. 2011. Т. 140. № 1. С. 21–35.
28. Jia X., Jia T. Q., Zhang Y., Xiong P. X., Feng D. H., Sun Z. R., Qiu J. R., Xu Z. Z. Periodic nanoripples in the surface and subsurface layers in ZnO irradiated by femtosecond laser pulses // Opt. Lett. 2010. V. 35. № 8.

29. Apostolova T., Ionin A.A., Kudryashov S.I., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V. Self-limited ionization in band-gap renormalized GaAs at high femtosecond laser intensities // Opt. Eng. 2012. V. 51. №1 2. 121808.
30. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. (ред.) Физические величины. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
31. Fedorov V.Yu., Kandidov V.P. Filamentation of laser pulses with different wavelengths in air // Las. Phys. 2008. V. 18. № 12. P. 1530–1538.
32. Ионин А.А., Кудряшов С.И., Макаров С.В., Селезнев Л.В., Синицын Д.В. Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 6. С. 471–474.
33. Becker A., Aközbek N., Vijayalakshmi K., Oral E., Bowden C.M., Chin S.L. Intensity clamping and re-focusing of intense femtosecond laser pulses in nitrogen molecular gas // Appl. Phys. B. 2001. V. 73. № 3. P. 287–290.
34. Spataru C.D., Benedict L.X., Louie S.G. Ab initio calculation of band-gap renormalization in highly excited GaAs // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. № 20. 205204.
35. Kudryashov S.I., Kandyla M., Roeser C., Mazur E. Intraband and interband optical deformation potentials in femtosecond-laser excited a-Te // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. № 8. 085207.
36. Золотарев В.M., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984. 216 с.
37. Palik E.D. (ed.) Handbook of Optical Constants of Solids. Orlando: Academic Press, 1998.