01
Avhandlingsguide
Kvartsglas uppvisar olika strukturella konfigurationer under varierande temperatur- och tryckförhållanden, åtföljd av permanent volymförtätning, vilket avsevärt påverkar dess makroskopiska optiska egenskaper såsom brytningsindex. De grundläggande mikroskopiska strukturella utvecklingsmekanismerna bakom förtätning inducerad av hög-temperatur och högt-tryck (HPHT) fysisk kompression och femtosekund laser direktskrivning (FLDW) fotoelektrisk excitation har dock ännu inte klarlagts helt. En djupare förståelse för dessa omstruktureringsprocesser för icke-jämviktsglasnätverk under extrema förhållanden är avgörande för den flexibla designen och utvecklingen av nya flerkärniga fibrer, kvantintegrerade och avancerade optoelektroniska hybridenheter.
02
fulltextöversikt
Den här studien jämför systematiskt de strukturella fasövergångarna och optiska svaren inducerade av hög-temperatur hög-behandling (HPHT), femtosekund laser direktskrivning (FLDW) och deras kombinerade processer i kvartsglas. Resultaten avslöjar att medan båda metoderna uppnår linjära ökningar av brytningsindex och makroskopisk förtätning, skiljer de sig fundamentalt i de mikroskopiska omstruktureringsvägarna. Den mest kritiska skillnaden ligger i det faktum att glasstrukturen i det laserbestrålade området-evolverar till ett karakteristiskt hög virtuell temperatur (1600–2000 K) under extrema fototermiska effekter, åtföljd av generering av icke-överbryggande syredefekter (NBO) som är nära relaterade till kant-Sitrahedra{8}}. Detta leder till ett fotoluminescensbeteende (PL) som skiljer sig tydligt från det som uppnås genom enkel fysisk behandling med högt{11}}tryck.
03
Text- och bildanalys
Figur 1 visar hög-trycktoleranskarakteriseringen av femtosekundlaser av kiselglas-inducerad typ II nanograting, inklusive optiska transmissionsmikrografer (A-F, M-P) och polarisationsmikrografer (G-L, Q-T). Det ursprungliga glaset, endast glödgade kontrollgruppen, och fyra nivåer av 673 K högtemperatur- och högtrycksgradienter på 1,4, 2,5, 3,7 och 4,9 GPa sattes upp, och processerna jämfördes i två grupper: "laser först, högt tryck" och "högtryck först, laser". Laserpulsenergin fixerades till 0,8 µJ. Färgsignalen för polarisationsbilden representerar formens dubbelbrytningsintensitet för nanogratingen. Resultaten visar att enkel 673 K-glödgning inte skadar gallret, och strukturen och dubbelbrytningen av nanogratingen kan bibehållas stabilt när trycket är mindre än eller lika med 2,5 GPa. Efter att ha nått 3,7 GPa minskas dubbelbrytningen signifikant och vid 4,9 GPa minskas dubbelbrytningen signifikant. Det fullständiga försvinnandet av dubbelbrytning indikerar att det är högre än 3,7 GPa. Den höga temperaturen och det höga trycket kommer att kollapsa nanoporerna inuti gittret, förstöra den periodiska densitetsmoduleringsstrukturen och fasfördröjningsförändringen av gittret är reversibel under båda bearbetningssekvenserna, vilket bekräftar att nanogittret har egenskapen för högtrycksraderbar rekonstruktion.
Figur 2 visar fotoluminescensspektra för kiselglaskonfokalmikroskopi erhållen med användning av två typer av excitationsljus, 325 nm respektive 532 nm. Skillnaderna i defekt luminescens jämfördes mellan fem grupper av prover: originalglaset, endast femtosekund laser direktskrivning (FLDW), hög temperatur och högt tryck endast (HPHT), högt tryck före laser och laser före högt tryck; De FLDW-behandlade proverna uppvisade både en 530 nm grön emissionstopp och en 650 nm röd emissionstopp. Det gröna ljuset härrörde från självfångade excitoner, medan det röda ljuset motsvarade isolerade icke överbryggande syredefekter. Men alla prover som behandlats med HPHT kunde bara observera grön luminescens och fullständigt försvinnande av den röda ljustoppen, vilket indikerar att det finns en fundamental skillnad mellan defekttyperna inducerade av femtosekundlaser och högtrycksmodifiering. Högtrycksbehandling främjar interaktionen mellan icke överbryggande syre och glasnätverk, vilket eliminerar den röda ljussignalen som motsvarar isolerat icke överbryggande syre.
Figur 3 använder konfokal Raman-spektroskopi för att analysera mikronätverksstrukturen för hög temperatur och högt tryck (HPHT), femtosekund laser direktskrivning (FLDW) och kompositprocessmodifierat kiselglas. Figur A visar det fullständiga Raman-spektrat av fyra grupper av prover: originalglas, endast laser, 4,9 GPa högtryck och 4,9 GPa högtryck efter laser. Huvudtoppen för Si-O-Si hexagonal ringböjningsvibration vid 440 cm ⁻¹ är kärnanalysobjektet; Figur B visar variationskurvan för Raman-huvudtopppositionen för HPHT-provet med tryck. Huvudtoppen skiftar mot högre vågtal och minskar i bandbredd med ökande tryck, vilket motsvarar en minskning av Si-O-Si-bindningsvinkeln och en mer enhetlig fördelning av bindningsvinkeln. Den högra vertikala axeln kalibreras synkront med motsvarande virtuella temperatur; Figur C jämför huvudtoppförskjutningen och ekvivalent virtuell temperatur för originalet, 3,7 GPa och 4,9 GPa förpressat glas efter laserbestrålning vid olika energier. Laserbestrålning får alla provstrukturer att konvergera asymptotiskt till en enhetlig virtuell temperatur på 1600-2000 K. Huvudtoppförskjutningen av lågt förpressat glas mättas med laserenergi, medan huvudtoppen på 4,9 GPa hög-glastäthet skiftar mot lägre vågtal, vilket avslöjar att lasern kan slappna av med högt tryck, vilket avslöjar att lasern kan slappna av. Detta återspeglar intuitivt differentialregleringslagarna för HPHT- och FLDW-modifieringsvägar på kiselsyrebindningsvinkeln och ekvivalent virtuell temperatur.
04
sammanfattning
Den här artikeln avslöjar systematiskt likheterna och skillnaderna mellan hög-fysisk kompression och femtosekundlaserskrivning i förtätat kvartsglas. Även om båda kan uppnå permanent förtätning och förbättring av brytningsindex, på mikroskopisk nivå, driver den ultrasnabba lasern som induceras av elektromagnetisk excitation glasnätverket att utvecklas mot ett högt virtuellt temperaturtillstånd, och lokalt inducerar unika mikroskopiska kristallografiska defekter såsom bindningsbrott, NBO och gemensamma kanttetraedrar, som saknas i högtrycksprocess{2}. (RUM) deformation. Denna upptäckt klargör inte bara gränserna för topologisk deformation i amorfa nätverk under olika energiinjektionsmetoder, utan ger också en solid teoretisk grund för att designa nya fotoniska enheter och optiska kommunikationskomponenter genom lokal strukturanpassning i framtiden.
