01
Specialevejledning
Kvartsglas udviser forskellige strukturelle konfigurationer under varierende temperatur- og trykforhold, ledsaget af permanent volumenfortætning, som signifikant påvirker dets makroskopiske optiske egenskaber såsom brydningsindeks. De grundlæggende mikroskopiske strukturelle udviklingsmekanismer bag fortætning induceret af høj-temperatur og høj-højtryk (HPHT) fysisk kompression og femtosekund laser direkte skrivning (FLDW) fotoelektrisk excitation er dog endnu ikke blevet fuldstændig belyst. En dybere forståelse af disse ikke--ligevægtsrestruktureringsprocesser for glasnetværk under ekstreme forhold er afgørende for det fleksible design og udvikling af nye multicore-fibre, kvanteintegrerede og avancerede optoelektroniske hybridenheder.
02
fuld tekst oversigt
Denne undersøgelse sammenligner systematisk de strukturelle faseovergange og optiske reaktioner induceret af høj-temperatur høj-behandling (HPHT), femtosekund laser direkte skrivning (FLDW) og deres kombinerede processer i kvartsglas. Resultaterne afslører, at mens begge metoder opnår lineære stigninger i brydningsindeks og makroskopisk fortætning, adskiller de sig fundamentalt i de mikroskopiske omstruktureringsveje. Den mest kritiske skelnen ligger i det faktum, at glasstrukturen i det laser-bestrålede område udvikler sig til en karakteristisk høj virtuel temperatur (1600-2000 K) tilstand under ekstreme fototermiske effekter, ledsaget af generering af ikke-brodannende oxygendefekter (NBO) tæt relateret til kant-Sitrahedra{8}. Dette fører til fotoluminescens-adfærd (PL), der er tydeligt forskellig fra den, der opnås ved simpel fysisk-højtryksbehandling.
03
Tekst- og billedanalyse
Figur 1 viser høj-tryktolerancekarakterisering af femtosekundlaser--induceret type II-nanogratering af silicaglas, herunder optiske transmissionsmikrografer (A-F, M-P) og polarisationsmikrografer (G-L, Q-T). Det originale glas, kun udglødet kontrolgruppe, og fire niveauer af 673 K højtemperatur- og højtryksgradienter på 1,4, 2,5, 3,7 og 4,9 GPa blev sat op, og processerne blev sammenlignet i to grupper: "laser først, højtryk" og "højtryk først, laser". Laserpulsenergien blev fastsat til 0,8 µJ. Farvesignalet fra polarisationsbilledet repræsenterer formens dobbeltbrydningsintensitet af nanogratingen. Resultaterne viser, at simpel 673 K udglødning ikke beskadiger gitteret, og strukturen og dobbeltbrydningen af nanoristingen kan bibeholdes stabilt, når trykket er mindre end eller lig med 2,5 GPa. Efter at have nået 3,7 GPa reduceres dobbeltbrydningen betydeligt, og ved 4,9 GPa er dobbeltbrydningen betydeligt reduceret. Den fuldstændige forsvinden af dobbeltbrydning indikerer, at den er højere end 3,7 GPa. Den høje temperatur og det høje tryk vil kollapse nanoporerne inde i gitteret, ødelægge den periodiske tæthedsmodulationsstruktur, og faseforsinkelsesændringen af gitteret er reversibel under begge behandlingssekvenser, hvilket bekræfter, at nanogitteret har karakteristikken af højtryksslettelig rekonstruktion.
Figur 2 viser fotoluminescensspektrene for konfokal silicaglasmikroskopi opnået under anvendelse af to typer excitationslys, henholdsvis 325 nm og 532 nm. Forskellene i defekt luminescens blev sammenlignet mellem fem grupper af prøver: det originale glas, kun femtosekund laser direkte skrivning (FLDW), høj temperatur og højtryk kun (HPHT), højtryk før laser og laser før højtryk; De FLDW-behandlede prøver udviste både en 530 nm grøn emissionstop og en 650 nm rød emissionstop. Det grønne lys stammer fra selvfangede excitoner, mens det røde lys svarede til isolerede ikke-brodannende iltdefekter. Imidlertid kunne alle prøver behandlet med HPHT kun observere grøn luminescens og fuldstændig forsvinden af den røde lysspids, hvilket indikerer, at der er en fundamental forskel mellem defekttyperne induceret af femtosekundlaser og højtryksmodifikation. Højtryksbehandling fremmer interaktionen mellem ikke-brodannende oxygen- og glasnetværk, hvilket eliminerer det røde lyssignal svarende til isoleret ikke-brodannende oxygen.
Figur 3 bruger konfokal Raman-spektroskopi til at analysere mikronetværksstrukturen af høj temperatur og højtryk (HPHT), femtosekund laser direkte skrivning (FLDW) og sammensat procesmodificeret silicaglas. Figur A viser det komplette Raman-spektre af fire grupper af prøver: originalt glas, kun laser, 4,9 GPa højtryk og 4,9 GPa højtryk efter laser. Hovedtoppen af Si-O-Si hexagonal ringbøjningsvibration ved 440 cm ⁻¹ er kerneanalyseobjektet; Figur B viser variationskurven for Raman-hovedtoppositionen for HPHT-prøven med tryk. Hovedspidsen skifter mod højere bølgetal og indsnævres i båndbredde med stigende tryk, svarende til et fald i Si-O-Si-bindingsvinkel og en mere ensartet bindingsvinkelfordeling. Den højre lodrette akse kalibreres synkront med den tilsvarende virtuelle temperatur; Figur C sammenligner hovedspidsforskydningen og den ækvivalente virtuelle temperatur af originalen, 3,7 GPa og 4,9 GPa forpresset glas efter laserbestråling ved forskellige energier. Laserbestråling får alle prøvestrukturer til at konvergere asymptotisk til en ensartet virtuel temperatur på 1600-2000 K. Hovedspidsforskydningen af lavt forpresset glas mættes med laserenergi, mens hovedtoppen på 4,9 GPa høj-glastæthed skifter mod lavere bølgetal, hvilket afslører laserens højtryksnetværk, hvilket afslører, at lasernetværket kan slappe af. Dette afspejler intuitivt de differentielle reguleringslove for HPHT- og FLDW-modifikationsveje på siliciumoxygenbindingsvinklen og tilsvarende virtuelle temperatur.
04
oversigt
Denne artikel afslører systematisk lighederne og forskellene mellem fysisk højtrykskompression- og direkte femtosekund laserskrivning i komprimeret kvartsglas. Selvom begge kan opnå permanent fortætning og forbedring af brydningsindekset, på mikroskopisk niveau, driver den ultrahurtige laser induceret af elektromagnetisk excitation glasnetværket til at udvikle sig mod en høj virtuel temperaturtilstand og lokalt inducerer unikke mikroskopiske krystallografiske defekter såsom bindingsbrud, NBO og fælleskant-tetraedre, som mangler i højtryksproces{{2} (RUM) deformation. Denne opdagelse tydeliggør ikke kun grænserne for topologisk deformation i amorfe netværk under forskellige energiinjektionsmetoder, men giver også et solidt teoretisk grundlag for at designe nye fotoniske enheder og optiske kommunikationskomponenter gennem lokal strukturtilpasning i fremtiden.
