Новые подходы к созданию оптической памяти и элементов фотоники на основе лазерного микромодифицирования нанопористых стеклообразных сред

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10231

НазваниеНовые подходы к созданию оптической памяти и элементов фотоники на основе лазерного микромодифицирования нанопористых стеклообразных сред

Руководитель Липатьев Алексей Сергеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова стекло, объемная оптическая память, хранение данных, фемтосекундный лазер, фемтосекундное лазерное модифицирование, стеклообразные наноматериалы, нанопористые стекла, наночастицы металлов, волноводы

Код ГРНТИ29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку новых функциональных материалов на основе нанопористых стекол и управления их свойствами методами лазерного микромодифицирования для создания канальных оптических волноводов и компонентов устройств фотоники на их основе, а также оптической памяти с многоуровневой записью, обеспечивающей сверхплотное хранение цифровых данных и их сохранность в течение длительного периода времени. Стремительное развитие информационных технологий и прорыв, достигнутый в передаче и работе с большими объемами данных, обусловливают острую потребность в увеличении срока службы и емкости устройств хранения информации, а также разработки новых генераторов и усилителей в ближней ИК-области. Тенденции этого направления в последнее время сместились в сторону разработки сверхплотных методов записи информации, создания новых оптических сред с повышенным сроком службы и изготовлением оптических волноводов, оболочка которых легирована активными центрами. В этой связи особый интерес приобретают подходы, основанные на фемтосекундном лазерном микромодифицировании стеклообразных материалов: благодаря нелинейному характеру взаимодействия фемтосекундных импульсов со стеклом удаётся создавать в объеме материала микро- или наноструктуры с контролируемыми оптическими свойствами, управление которыми позволяет кодировать несколько бит информации в одном вокселе (точечно облученной области в объеме материала), тем самым многократно повышая плотность записи данных. В то же время материалы на основе стекла могут обеспечить сохранность записанных данных на сотни лет за счет большей устойчивости стекла к внешним воздействиям по сравнению с другими средами для записи и хранения данных, которые используются в современных носителях данных. С другой стороны, лазерное микромодифицирование уже зарекомендовало себя эффективный метод формирования канальных волноводов в прозрачных диэлектриках. В настоящее время данный подход активно развивается и используется, например, компанией Microsoft в рамках проекта по созданию оптической памяти Silica и компанией Optoscribe, выпускающей продукцию на базе технологии трехмерной прямой лазерной записи. Однако ранее, в том числе рядом участников коллектива заявляемого проекта, была показана перспективность применения нанопористого стекла (НПС) в качестве оптической среды, которая может использоваться и в качестве носителя данных для «холодных» архивов, и как матрицу для допирования активными люминесцентными центрами с последующей записью в ней оптических волноводов. Однако в этом случае необходимо подробно изучить процессы формирования микрообластей и структуру волноводов в НПС для возможного повышения плотности записи информации и снижения оптических потерь при распространении света, а также исследовать пути герметизации НПС для защиты от насыщения влагой и загрязнения его объема. Таким образом, основная цель предлагаемого проекта заключается в развитии новых подходов, позволяющих повысить стабильность и плотность записи данных при сохранении высоких скоростей записи информации, записывать оптические волноводы с пониженными потерями и функциональными свойствами. В качестве универсальной оптической матрицы с широкими возможностями функционализации в проекте будут использованы высокооднородные нанопористые высококремнеземистые стекла, для которых будут разработаны методики и лазерного термоуплотнения поверхности с целью предотвращения деградации записанных данных или волноводов в условиях воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды (влажность, воздух и т.д.). Возможность повышения плотности записи (более 3 бит в одном вокселе) и шифрования данных может быть реализована при активации нанопористых стекол редкоземельными элементами и/или соединениями металлов: в проекте будут изучены процессы лазерного формирования в полученных материалах микрообластей, обладающих измененными оптическими характеристиками, и исследованы возможности по трехмерной лазерной записи волноводных структур и их свойства. В рамках предлагаемого проекта впервые будут изучены процессы совместного формирования в нанопористых стеклах фемтосекундным лазерным пучком металлических наночастиц и микрообластей, обладающих поляризационно-управляемым двулучепреломлением (нанорешеток или анизотропных субмикронных полостей), определены оптимальные режимы записи, позволяющие увеличить интенсивность люминесценции разработанных сред, и изготовлены волноводы, перспективные для использования в качестве основы оптических усилителей и генераторов. Будут исследованы возможности повышения плотности записи данных записи за счет сохранением более одного бита в каждом вокселе с помощью многоуровневого кодирования. Многоуровневое кодирование будет реализовано путем лазерно-индуцированным локальным модифицированием оптических свойств стекол. Также будут исследованы способы снижения потерь при распространении света в волноводах, записанных лазерным пучком. Сформулированные в проекте задачи находятся на стыке лазерной физики, инженерии, микромашининга и химической технологии стеклообразных материалов, и их решение представляет большой интерес как с фундаментальной точки зрения – для описания процессов структурных изменений и фазовых превращений, происходящих в нанопористых стеклах под действием лазерного излучения), так и с практической – для реализации сверхплотной лазерной записи информации в стеклообразных материалах, функционализированных люминесцентными центрами, и формирования активных волноводов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате выполнения работ третьего этапа проекта продемонстрировано формирование в объеме нанопористого стекла прозрачного конвертера поляризации, работающего на длине волны 1030 нм, с рекордно высоким значением оптического пропускания (более 94%), время изготовления которого составляет около 2 часов. Данная разработка запатентована и перспективна для коммерциализации. Методами сканирующей электронной микроскопии изучена структура двулучепреломляющих модификаций в НПС, получаемых под действием фемтосекундных импульсов в условиях низкоапертурной фокусировки, и обнаружено формирование нанорешеток. На основе полученных данных составлена расчетная модель двулучепреломления формы, возникающего в НПС. Установлено, что в сравнении с кварцевым стеклом, высокие значения оптической разности хода лучей для лазерно-индуцированных двулучепреломляющих структур в нанопористых стеклах обеспечиваются повышенным (50%-ным) коэффициентом заполнения нанорешеток и значительной разницей показателей преломления наноплоскостей и межплоскостных пространств. Показано, что рост значений оптической разности хода лучей для структур, сформированных в нанопористых стеклах и наблюдающийся при повышении энергии лазерных импульсов, связан с увеличением глубины двулучепреломляющих структур. В результате исследования возможности повышения скорости формирования двулучепреломляющих пластин в нанопористом стекле показана возможность достижения скорости формирования двулучепреломляющих треков в 100 мм/с при сохранении высоких значений оптической разности хода более 500 нм. Разработаны подходы к соактивации нанопористого стекла ионами самария и серебра и проведена экспериментальная оценка содержания активаторов в пропитываемых нанопористых стеклах. Установлено, что для наилучшего приближения к соответствию содержания добавок к расчётным значениям необходимо проведение последовательных пропиток с промежуточной сушкой, при этом первая пропитка образцов раствором Sm(NO3)3 производится с выдержкой образцов в растворе в течение 24 часов, а вторая - раствором AgNO3, без выдержки. Отмечено снижение интенсивности люминесценции ионов самария при выделении наночастиц серебра при термообработке НПС, что вероятно связано с экранированием полосой плазмонного резонанса наночастиц серебра возбуждающего излучения или передачей энергии от ионов самария к наночастицам серебра. Для монолитных стекол, легированных самарием и получаемых спеканием пропитанного раствором Sm(NO3)3 НПС, разработаны алгоритмы кодирования данных, которые позволяют реализовать однобитную запись информации одиночным лазерным импульсов или многобитную запись при использовании различного количества импульсов. Продемонстрирована 6D запись, где задействуется объем образца (3D), параметры двулучепреломления (ОРХ, ориентация медленной оси – 2D) и интенсивность люминесценции ионов Sm2+(1D). Оптимизированы режимы лазерной записи, где декодирование бита, кодируемого в уровни значений оптической разности хода лучей возможно только при анализе отношения сигналов люминесценции ионов Sm2+ и Sm3+., что открывает возможности для шифрования данных и безопасного их хранения. Подтверждена термостабильность люминесценции Sm2+ до 400 °С. Разработаны режимы пропитки, термообработки и спекания стекол, легированных ионами висмута, которые перспективны для прямой лазерной записи волноводов с люминесцентными свойствами, работающих в ближней ИК-области. Наличие люминесценции в стеклах, легированных ионами висмута, связано с изменением степени окисления висмута. Установлено, что минимальная энергия импульса, достаточная для формирования люминесцентной области в видимом диапазоне при возбуждении на длине волны 410 нм, составляет 300 нДж. При этом изменение показателя преломления в лазерно-индуцированном треке не регистрируется при наблюдении в оптический микроскоп, что открывает возможности для однобитной записи информации, кодируемой в люминесцирующие области. Продемонстрировано, что интенсивность люминесценции треков возможно регулировать в широких пределах за счет изменения энергии записывающего импульса, в то же время изменение скорости перемещения ниже значения 0,1 мм/с не оказывает существенного влияния на интенсивность люминесценции. Подобраны режимы лазерного воздействия, обеспечивающие одновременно максимальное изменение показателя преломления и сигнала люминесценции. Волноводы, записанные при оптимизированном режиме в объеме стекол с ионами висмута, демонстрировали характерную для висмутовых активных центров, ассоциированных с кремнием, широкую полосу люминесценции (ширина на полувысоте около 150 нм) в интервале 1200–1500 нм при длине волны возбуждения 808 нм. Полученный результат открывает перспективы использования записанных волноводов для создания источников излучения, работающих во втором телекоммуникационном окне. Проведены работы по термоуплотнению поверхностного слоя нанопористых стекол с целью снижения открытой сквозной пористости стекол, приводящей к адсорбции загрязняющих веществ и воды из окружающей атмосферы. Установлена эффективность снижения средней мощности углекислотного лазера в 10,5 Вт при понижении скорости сканирования до 40 мм/с и работе лазера в режиме генерации импульсов с частотой следования 25 кГц для снижения вероятности растрескивания термоуплотненного слоя. На основе экспериментальных данных разработана температурная модель процесса термоуплотнения нанопористых стекол движущимся лазерным пучком, которая позволяет произвести оценку геометрии термоуплотненного трека. Показана возможность управления толщиной термоуплотненного слоя за счет повторного сканирования лазерным пучком. Потенциал применения термоуплотнения продемонстрирован при записи информации в НПС как до термоуплотнения, при этом минимальная глубина записи должна превышать 60 мкм, так и после термоуплотнения через термоуплотненный слой.

Публикации

1. Михайлов Ю.В., Липатьев А.С., Зиятдинова М.З., Стопкин С.И., Федотов С.С., Липатьева Т.О., Глебов И.С., Сигаев В.Н. Фемтосекундная лазерная запись в спеченных пористых стеклах, допированных ионами самария Успехи в химии и химической технологии, Успехи в химии и химической технологии, Том 38, Номер 7 (286), 2024, С. 113-115 (год публикации - 2024)

2. Спицына Ю.В., Липатьев А.С., Стопкин С.И., Михайлов Ю.В., Федотов С.С., Сигаев В.Н., Глебов И.С. Возможности высокоскоростного и низкоскоростного лазерного термоуплотнения нанопористых стекол Успехи в химии и химической технологии, Успехи в химии и химической технологии, Том 38, №7 (286), 2024, С. 119-121 (год публикации - 2024)

3. С.С. Федотов, Ю.В. Михайлов, А.С. Липатьев, Т.О. Липатьева, В.Н. Сигаев Люминесцирующие волноводы, записанные фемтосекундным лазерным пучком в кварцоидном стекле с висмутом СТЕКЛО И КЕРАМИКА (год публикации - 2025)

4. С. И. Стопкин, А. С. Липатьев, Ю. В. Михайлов, С. С. Федотов, Т. О. Липатьева, В. Н. Сигаев Быстрая лазерная запись фазовых пластин в пористом стекле Стекло и керамика, Номер 5 (год публикации - 2025)

5. Ю.В. Спицына, А.С. Липатьев, С.И. Стопкин, Ю.В. Михайлов, С.С. Федотов, Д.Л. Алферов, Е.В. Лопатина, В.Н. Сигаев ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПЛОТНЕНИЕ НАНОПОРИСТЫХ СТЕКОЛ СТЕКЛО И КЕРАМИКА (год публикации - 2025)
10.14489/glc.2025.03.pp.003-010

6. С.И. Стопкин, А.С. Липатьев, Ю.В. Михайлов, С.С. Федотов, И.С. Глебов, В.Н. Сигаев ЗАПИСЬ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИХ СТРУКТУР С ВЫСОКИМ ЗНАЧЕНИЕМ ФАЗОВОГО СДВИГА В НАНОПОРИСТОМ СТЕКЛЕ Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение: прогр. и материалы 20-й Междунар. науч. конф.-шк., Саранск, 24-27 сент. 2024 г. / редкол.: Н.С. Аверкиев [и др.]. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2024. – 252 с., Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение: прогр. и материалы 20-й Междунар. науч. конф.-шк., Саранск, 24-27 сент. 2024 г. / редкол.: Н.С. Аверкиев [и др.]. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2024. – 252 с. (год публикации - 2024)

7. Михайлов Ю.В., Липатьев А.С. , Зиятдинова М.З., Стопкин С.И. , Федотов С.С., Липатьева Т.О. , Глебов И.С., Сигаев В.Н. Лазерная запись люминесцирующих и двулучепреломляющих структур в кварцоидных стеклах, легированных самарием Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твёрдого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года. – СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», 2024. –546 с.: ил. , Сборник тезисов XIII Всероссийской конференции с международным участием "Химия твёрдого тела и функциональные материалы - 2024". 16-20 сентября 2024 года. – СПб.: Типография «НОВБЫТХИМ», 2024. –546 с.: ил. (год публикации - 2024)

8. Стопкин С.И., Михайлов Ю.В., Липатьев А.С., Федотов С.С., Липатьева Т.О., Глебов И.С., Сигаев В.Н. Высокая величина фазового сдвига двулучепреломления для однослойных структур, записанных в нанопористом стекле фемтосекундными импульсами Успехи в химии и химической технологии, УСПЕХИ В ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, Том 38, Номер 7 (286), 2024, С. 122-124 (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта в части записи фазовых элементов в стекле могут быть востребованы в разработках датчиков давления, проводимых АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха». От их партнера-заказчиа ООО "Фирма Подий" в 2023 году поступал запрос на изготовления волновых пластин в кварцевом стекле, однако временные затраты процесса лазерной записи не позволяли осуществить коммерческое внедрение. Разработанная технология нанопористых стекол позволяет удешевить стоимость стекла и ускорить в разы время лазерной записи волновой пластины, что представляет интерес для широкого практического использования.