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Abstrakt
Quarzglas weist unter variierenden Temperatur- und Druckbedingungen vielfältige Strukturkonfigurationen auf, begleitet von einer permanenten volumetrischen Verdichtung, die seine makroskopischen optischen Eigenschaften wie den Brechungsindex erheblich beeinflusst. Allerdings sind die zugrunde liegenden mikrostrukturellen Entwicklungsmechanismen der Verdichtung, die durch physikalische Kompression bei hoher Temperatur und hohem Druck (HPHT) und durch photoelektrische Anregung mit Femtosekundenlaser-Direktschreiben (FLDW) hervorgerufen werden, noch nicht vollständig verstanden. Ein tieferes Verständnis der Nicht-Gleichgewichts-Rekombinationsprozesse von Glasnetzwerken unter diesen extremen Bedingungen ist entscheidend für den flexiblen Entwurf und die Entwicklung neuartiger mehradriger optischer Fasern, quantenintegrierter Chips und fortschrittlicher optoelektronischer Fusionsgeräte.
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Überblick
Diese Studie vergleicht systematisch die strukturellen Phasenübergänge und optischen Reaktionen, die in Quarzglas durch Hochtemperatur-Hochdruckbehandlung (HPHT), Femtosekunden-Laserdirektschreiben (FLDW) und eine Kombination aus beidem induziert werden. Die Studie ergab, dass zwar mit beiden Methoden eine lineare Erhöhung des Brechungsindex und der makroskopischen Verdichtung erreicht werden kann, es jedoch grundlegende Unterschiede in den mikroskopischen Reorganisationswegen gibt. Der entscheidendste Unterschied liegt in der Tatsache, dass sich die Glasstruktur im laserbestrahlten Bereich unter extremen photothermischen Effekten in einen charakteristischen Zustand hoher virtueller Temperatur (1600–2000 K) entwickelt, begleitet von der Erzeugung von nicht-verbrückenden Sauerstoffdefekten (NBO), die eng mit kantenverknüpften SiO4-Tetraedern verwandt sind, wodurch ein Photolumineszenzverhalten (PL) induziert wird, das sich drastisch von dem von reinem induzierten unterscheidet physikalische Hochdruckbehandlung.
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Figuren- und Textanalyse
Abbildung 1 zeigt die Charakterisierung einer hohen Drucktoleranz eines Femtosekundenlasers-induzierten Typ-II-Nanogitters in Quarzglas, einschließlich optischer Transmissionsmikroskopie (A–F, M–P) und Polarisationsmikroskopie (G–L, Q–T). Es wurden vier Hochtemperatur- und Hochdruckgradienten von 673 K eingerichtet: das Originalglas, eine nur getemperte Kontrollgruppe und Gradienten von 1,4, 2,5, 3,7 und 4,9 GPa. Es wurden zwei Verfahren verglichen: „Erst Laser, dann Hochdruck“ und „Erst Hochdruck, dann Laser“. Die Laserpulsenergie wurde auf 0,8 µJ festgelegt. Die Farbsignale in den Polarisationsbildern repräsentieren die Form und Doppelbrechungsintensität des Nanogitters. Die Ergebnisse zeigen, dass einfaches Tempern bei 673 K das Gitter nicht beschädigt. Die Nanogitterstruktur und die Doppelbrechung bleiben stabil erhalten, wenn der Druck kleiner oder gleich 2,5 GPa ist. Die Doppelbrechung schwächt sich deutlich ab, nachdem sie auf 3,7 GPa angestiegen ist, und verschwindet vollständig bei 4,9 GPa, was darauf hindeutet, dass über 3,7 GPa... Die hohe Temperatur und der hohe Druck lassen die Nanoporen im Inneren des Gitters kollabieren und zerstören die periodische Dichtemodulationsstruktur. Darüber hinaus ist die Phasenverzögerungsänderung des Gitters unter den beiden Verarbeitungssequenzen reversibel, was bestätigt, dass das Nanogitter löschbare und rekonfigurierbare Eigenschaften bei hohem Druck aufweist.
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Zusammenfassung
Dieser Artikel deckt systematisch die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der physikalischen Hochdruckkompression und dem Femtosekundenlaser-Direktschreiben in dichtes Quarzglas auf. Obwohl beide eine dauerhafte Verdichtung und Verbesserung des Brechungsindex erreichen können, treibt der elektromagnetisch angeregte ultraschnelle Laser auf mikroskopischer Ebene auf einzigartige Weise die Entwicklung des Glasnetzwerks in einen hohen virtuellen Temperaturzustand voran und induziert lokal einzigartige mikroskopische kristallographische Defekte wie Bindungsbruch, NBO und kantenverknüpfende Tetraeder, die bei der Hochdruckverarbeitung, die auf der Verformung des starren Einheitsmodus (RUM) beruht, fehlen. Diese Entdeckung verdeutlicht nicht nur die Grenzen der topologischen Verformung amorpher Netzwerke, die durch verschiedene Energieinjektionsmethoden verursacht werden, sondern liefert auch eine solide theoretische Grundlage für das zukünftige Design neuer photonischer Geräte und optischer Kommunikationskomponenten durch lokale Strukturanpassung.
