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Jul 18, 2023

Caractérisation optique et structurelle des micro-écritures laser femtoseconde

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 11050 (2023) Citer cet article 524 Accès aux détails des métriques Nous rendons compte de l'écriture laser femtoseconde directe dans des verres au gallo-germanate de zinc et de baryum. UN

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11050 (2023) Citer cet article

524 accès

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Nous rapportons l'écriture directe au laser femtoseconde dans des verres au gallo-germanate de zinc et de baryum. Une combinaison de techniques spectroscopiques permet de progresser dans la compréhension des mécanismes se déroulant en fonction de l'énergie. Dans le premier régime (type I, changement d'indice local isotrope) jusqu'à 0,5 µJ, l'événement principal est la génération de pièges à charges inspectés par luminescence, ainsi que la séparation des charges détectées par des mesures de génération de seconde harmonique polarisée. Aux énergies d'impulsion plus élevées notamment au seuil correspondant à 0,8 µJ ou dans le deuxième régime (modifications de type II correspondant au domaine énergétique de formation des nanoréseaux), l'événement principal est un changement chimique et une réorganisation du réseau mis en évidence par l'apparition d'O2 moléculaire. observé dans le spectre Raman. De plus, la dépendance à la polarisation de la génération de la deuxième harmonique dans le type II indique que l'organisation des nanoréseaux peut être perturbée par le champ électrique imprimé par laser.

L'écriture directe par laser femtoseconde (FLDW) permet des modifications hautement localisées de l'indice de réfraction avec des dommages minimes par impact latéral1,2,3,4. Jusqu’à présent, aucun autre procédé de fabrication n’a le potentiel d’intégrer des composants multifonctionnels 3D dans une seule puce monolithique et dans une variété de matériaux transparents. Les verres tels que SiO2 et GeO2 sont deux bons systèmes modèles de verre qui ont été utilisés pour étudier les changements induits par le laser fs. Bressel et coll. ont rapporté des modifications structurelles dans le verre GeO2 induites par un faisceau laser femtoseconde étroitement focalisé5,6,7. Dans les verres silicatés, un changement dans la distribution des éléments, y compris des modificateurs de réseau, a été observé sous irradiation laser femtoseconde à taux de répétition élevé8. Ces résultats indiquent qu'une force motrice efficace est le fort gradient de température, qui provient de l'accumulation thermique autour du volume focal. Cependant, à faible taux de répétition dépendant du régime laser, on observe l'apparition de nanoréseaux qui consistent en un auto-assemblage de nanostructures dans la direction perpendiculaire à la polarisation de la lumière9. Les nanoréseaux possèdent plusieurs propriétés particulières telles que la diffusion anisotropique de la lumière, la réflectivité dépendante de la longueur d'onde et la biréfringence, qui trouvent une utilisation pratique dans les canaux microfluidiques10, les convertisseurs de polarisation de la lumière11 et le stockage de données optiques 5D ultrastables12.

Les verres silicatés sont l'un des matériaux vitreux les plus répandus, connus pour leurs plates-formes polyvalentes particulières FLDW13, en raison de leur disponibilité commerciale, de leur excellente transparence optique et de leur stabilité physico-chimique. Néanmoins, concernant les applications photoniques, l'utilisation de verres silicatés est limitée à la région proche infrarouge (λ < 2 µm), et ne répond pas à la demande croissante d'applications Mid-IR (jusqu'à 8 µm) nécessitant une fabrication laser 3D de composants optiques miniaturisés, légers et peu coûteux. Cela conduira bientôt à leur commercialisation très attendue pour divers domaines d'application non seulement pour les applications civiles (domotique, smartphone, automobile) mais aussi pour des applications de sécurité et militaires, notamment la détection de gaz toxiques, la détection d'explosifs et l'identification de contre-mesures, ainsi que la biophotonique (médecine) telle que la cartographie spectrale des tissus pour le diagnostic médical14. Par conséquent, pour accéder à la gamme Mid-IR mentionnée ci-dessus, des matrices de verre non silicatées doivent être utilisées, telles que des chalcogénures15, des fluorures16 ou des oxydes de métaux lourds (HMO)17. À ce jour, la formation de nanoréseaux n’a pas été démontrée dans les verres non oxydes. Ainsi, parmi ces matériaux optiques potentiels, les verres d'oxydes de métaux lourds (HMO), et plus particulièrement les verres de gallo-germanate de baryum (BGG), sont apparus comme candidats potentiels car ils offrent une combinaison de différentes propriétés18 : une forte solubilité des ions de terres rares, une stabilité, résistance mécanique supérieure, une large transparence optique s'étendant jusqu'à ~ 6 µm dans le Mid-IR ainsi qu'une capacité de mise en forme des fibres.