Oddziaływania między laserem a materią w szkle
Szkła optyczne są jednym z podstawowych materiałów w optoelektronice i fotonice ze względu na stosunkowo niewielki koszt i możliwość łatwej obróbki. Najnowsze badania wskazują, że zastosowanie femtosekundowych impulsów laserowych do materiałów szklanych może doprowadzić do powstania trójwymiarowych struktur z elementami nanoskalowymi. Ich pochodzenie jest jednak dokładnie znane. Celem finansowanego ze środków UE projektu "Extraordinary laser-induced excitations in glasses: analysis and theory" (ELEGANT) było wypełnienie luki między wynikami doświadczeń dotyczących laserowej modyfikacji szkła a teorią poprzez kompleksową analizę tego zjawiska. Skupiając się na materiałach jednorodnych, naukowcy badali absorpcję promieniowania laserowego w skali do mikrosekund. W tym celu opracowali optyczno-termoplastyczny model składających się z dwóch części. Pierwsza z nich opisuje wygenerowaną plazmę elektronów swobodnych, a druga ruch elastyczny i deformacyjny materiału. Prace rozpoczęto od próby zbadania powstawania nanosiatek w stopionej krzemionce. Badacze doszli do wniosku, że fale plazmy nie są odpowiedzialne za powstawanie struktury okresowej w objętości materiału ale raczej za niestabilność rozpraszania jonizacyjnego. Przeanalizowano właściwości termofizyczne, optyczne i mechaniczne różnych szkieł i przezroczystych materiałów krystalicznych. Jeden z takich rodzajów szkła okazał się nadawać do nadruku nanosiatek. Ponadto, ustalono, że pulsacyjne przechylenie przednie za pomocą ultrakrótkich impulsów laserowych wpływa na anizotropowy zapis laserowy. Symulacje porównujące absorpcję energii lasera wykazały, że nachylone impulsy są silnie pochłaniane w porównaniu z impulsami nienachylonymi. Symulacje ujawniły skomplikowaną ewolucję gęstości materiału po szybkim nagrzaniu laserem, podobną do tej obserwowanej w eksperymentach i powodującej nieodwracalne odkształcenie szkła. W efekcie opracowano scenariusz powstawania bąbelków. W warunkach progowych przy powstawaniu bąbelków materia osiąga temperaturę topnienia, a jej wytrzymałość na rozciąganie zmniejsza się o kilka rzędów wielkości. Zespół opracował także koncepcję wykresów modyfikacji wzbudzanej laserowo. Wykresy te powinny odpowiadać energii i gęstości wzbudzonych elektronów swobodnych potrzebnych do osiągnięcia różnych poziomów nagrzania materiałów przezroczystych. Projekt ELEGANT umożliwił powstanie bardziej kompleksowego opisu mechanizmów rządzących wzbudzanymi laserowo modyfikacjami materiałów. Wyniki tych prac otwierają nowe możliwości opracowania mikrosystemów o nanoskalowych cechach.
