Caratterizzazione ottica e strutturale di microscritte laser a femtosecondi

Jun 11, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11050 (2023) Citare questo articolo

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Riportiamo la scrittura laser diretta a femtosecondi nei vetri gallo-germanato di zinco bario. Una combinazione di tecniche spettroscopiche permette di progredire nella comprensione dei meccanismi che avvengono in funzione dell'energia. Nel primo regime (tipo I, variazione dell'indice locale isotropo) fino a 0,5 µJ, l'evento principale è la generazione di trappole di carica ispezionate mediante luminescenza, insieme alla separazione delle cariche rilevata mediante misurazioni di generazione della seconda armonica polarizzata. A energie di impulso più elevate, in particolare alla soglia corrispondente a 0,8 µJ o nel secondo regime (modifiche di tipo II corrispondenti al dominio energetico di formazione nanograting), l'evento principale è un cambiamento chimico e una riorganizzazione della rete evidenziata dalla comparsa di O2 molecolare visto negli spettri Raman. Inoltre, la dipendenza dalla polarizzazione della generazione della seconda armonica nel tipo II indica che l'organizzazione dei nanograti può essere perturbata dal campo elettrico impresso dal laser.

La scrittura diretta con laser a femtosecondi (FLDW) consente modifiche dell'indice di rifrazione altamente localizzate con danni da impatto laterale minimi1,2,3,4. Finora, nessun altro processo di produzione ha il potenziale per integrare componenti multifunzionali 3D in un unico chip monolitico e all’interno di una varietà di materiali trasparenti. Vetri come SiO2 e GeO2 sono due buoni sistemi modello di vetro che sono stati utilizzati per studiare i cambiamenti indotti dal laser fs. Bressel et al. riportato su modifiche strutturali nel vetro GeO2 indotte da un raggio laser a femtosecondi strettamente focalizzato5,6,7. Nei vetri di silicato, è stato osservato un cambiamento nella distribuzione degli elementi, inclusi i modificatori di rete, sotto irradiazione laser a femtosecondi ad alta velocità di ripetizione8. Questi risultati indicano che una forza trainante efficiente è il forte gradiente di temperatura, che ha origine dall’accumulo termico attorno al volume focale. Tuttavia, a una velocità di ripetizione bassa, a seconda del regime del laser, si verificano nanograti che consistono nell'autoassemblaggio di nanostrutture nella direzione perpendicolare alla polarizzazione della luce9. I nanograttamenti possiedono diverse proprietà peculiari come la diffusione della luce con anisotropia, la riflettività dipendente dalla lunghezza d'onda e la birifrangenza che trovano uso pratico nei canali microfluidici10, nei convertitori di polarizzazione della luce11 e nell'archiviazione di dati ottici 5D ultrastabili12.

I vetri silicati sono uno dei materiali vetrosi più diffusi, noti per le loro particolari piattaforme versatili FLDW13, grazie alla loro disponibilità commerciale, all'eccellente trasparenza ottica e alla stabilità fisico-chimica. Tuttavia, per quanto riguarda le applicazioni fotoniche, l'uso dei vetri ai silicati è limitato alla regione del vicino infrarosso (λ < 2 µm) e non soddisfa la crescente domanda di applicazioni nel medio infrarosso (fino a 8 µm) che richiedono la produzione laser 3D di componenti ottici miniaturizzati, leggeri e a basso costo. A sua volta, ciò porterà presto alla loro tanto attesa commercializzazione per vari campi applicativi non solo civili (domotica, smartphone, automobile) ma anche per applicazioni militari e di sicurezza, tra cui il rilevamento di gas tossici, il rilevamento di esplosivi e l'identificazione di contromisure, nonché biofotonica (medicina) come la mappatura spettrale dei tessuti per la diagnosi medica14. Pertanto, per accedere al suddetto range del Medio IR, è necessario utilizzare matrici vetrose non silicatiche, come calcogenuri15, fluoruri16 o ossidi di metalli pesanti (HMO)17. Ad oggi non è stata dimostrata la formazione di nanograti in vetri non ossidi. Pertanto, tra questi potenziali materiali ottici, i vetri di ossido di metalli pesanti (HMO), e più specificamente i vetri di gallo-germanato di bario (BGG), sono emersi come potenziali candidati in quanto offrono una combinazione di diverse proprietà18: elevata solubilità degli ioni delle terre rare, stabilità, resistenza meccanica superiore, un'ampia trasparenza ottica che si estende fino a ~ 6 µm nel medio infrarosso e capacità di modellare le fibre.