Российские исследователи изучили процессы, происходящие при воздействии лазерного излучения на один из самых популярных оптических кристаллов — иттрий-алюминиевый гранат — и показали, что ключевую роль в прямой лазерной записи здесь играют пластические деформации. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Поддержанные Российским научным фондом ученые из Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН изучили процессы прямой лазерной записи в иттрий-алюминиевом гранате — популярном синтетическом кристалле для создания оптических микроструктур. Исследователи выяснили, что ключевую роль в них играют пластические деформации материала, вызванные лазерным излучением.

«Человечество с незапамятных времен использует преимущества пластической деформации, например при ковке металла. Однако в нашем исследовании мы, возможно, впервые описываем пластическую деформацию, инициируемую не на поверхности кристалла, как обычно происходит при механическом давлении на образец, а внутри него», — рассказывает руководитель проекта Андрей Охримчук.

Метод прямой лазерной записи заключается в рисовании разных оптических структур внутри стекла или кристалла с помощью интенсивного лазерного излучения, часто для этого используются фемтосекундные лазеры, генерирующие импульсы сверхмалой длительности. Чтобы точно управлять прямой лазерной записью, нужно хорошо понимать, какие физико-химические процессы за ней стоят: что именно происходит с материалом, когда его облучают фемтосекундными лазерными импульсами.

Ученые выяснили, что показатель преломления кристалла значительно уменьшается в местах пластических деформаций, вызванных лазерным излучением, а интенсивность этого эффекта определяется образованием и скольжением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решетки.

Исследователи выделили три варианта пластических деформаций. В первом дислокации скользят свободно в объеме материала, во втором их становится так много, что они мешают перемещению друг друга, а в третьем концентрация дислокаций оказывается промежуточной, и они образуют регулярные микроструктуры в кристалле. Сценарий же пластической деформации и, в конечном счете, показатель преломления модифицированного лазерным излучением участка граната определяется прежде всего количеством лазерных импульсов, попадающих в одну точку, то есть задается режимом лазерной записи.

Результаты работы будут полезны для создания волноводных микролазеров. Такие устройства можно создать, нарисовав их микросхему на кусочке оптического кристалла. Раньше ученые делали это с помощью электронной литографии или других дорогих и сложных методов, но в последнее время применяют прямую лазерную запись — достаточно как раз правильно настроить параметры записи, и необходимую схему можно «нарисовать» за несколько минут.