Получена поверхность кристалла, не отражающая свет

С помощью структурирования поверхности кристалла фемтосекундными лазерными импульсами российские физики смогли устранить отражение от нее света. Обработанные образцы пропускают излучение практически на 100%. Полученные кристаллы могут быть использованы для создания оптических элементов инфракрасного диапазона. Результаты работы представлены в журнале Optical Materials Express. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.

В музее все предметы экспозиции находятся в витринах, но если бы в них были обычные стекла, то вместо рукописей и монет посетители рассматривали бы собственные отражения. Чтобы избавиться от этого эффекта, или, как еще говорят, «просветлить» стекло, используются специальные покрытия. Лучи света, отражающиеся от внешней и внутренней границы такой пленки, взаимоуничтожаются, и блики исчезают. Применение антибликовых пленок крайне разнообразно: их наносят на линзы очков, фотоаппаратов и микроскопов, элементы солнечных батарей – многие оптические устройства и элементы лазерной техники нуждаются в подобном покрытии. Недостатками этой методики можно назвать низкую способность выдерживать мощное лазерное излучение и небольшой диапазон длин волн, для которого такое просветление эффективно.

Кроме нанесения пленок существует еще один способ избавления от отражений — структурирование поверхностей. Такое решение существовало в природе задолго до того, как нашло свое применение в оптике: роговица глаз некоторых видов мотыльков покрыта крошечными бугорками, благодаря которым насекомое лучше видит в темноте, а хищникам сложнее заметить его по отблеску глаз. Регулярная структура из выпуклостей и канавок позволяет снижать потери на отражение и улавливать максимальное количество падающего света.

Лазер — это источник света узкой направленности. Сегодня создано множество приборов, генерирующих излучение разного цвета. Однако именно в инфракрасном диапазоне лазерные источники делать сложнее, поскольку излучение невидимо для человеческого глаза. Этот свет поглощается большим числом молекул и поэтому представляет огромный интерес для исследователей.

Конструкция с использованием кристаллов селенида кадмия и включением ионов хрома, предложенная учеными из МГТУ имени Н. Э. Баумана, считается наиболее привлекательной для создания лазеров среднего инфракрасного диапазона.

Она компактнее и безопаснее газовых и проще в изготовлении, чем квантово-каскадные, основанные на наборе тонких полупроводниковых пленок. Тем не менее, поверхность кристаллов обладает довольно сильной отражающей способностью, и поэтому требуется технология, снижающая потери на отражение. Поскольку при покрытии антибликовыми пленками снижается способность кристалла выдерживать мощное лазерное излучение, ученые пришли к идее структурирования поверхности с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Они способны выжигать ямки на поверхности кристалла при помощи нетеплового испарения материала. Чтобы понять, насколько коротки импульсы, которыми обрабатывается поверхность кристалла, можно представить, что одна фемтосекунда короче секунды примерно настолько, насколько секунда короче 30 миллионов лет.

В ходе работы ученые испробовали несколько способов структурирования, но максимальную пропускающую способность показали образцы, обработанные фемтосекундным лазером с фокусировкой не на поверхности, а в глубине образца. Этот подход позволил создавать более глубокие ямки и добиться почти 100% прохождения света.

«Разработанная технология дает возможность просветлять грани лазерных кристаллов, работающих в среднем инфракрасном диапазоне, что открывает перспективы создания эффективных лазерных источников. Кроме того, полученная методика позволяет существенно снизить потери на отражение на поверхностях различных пластин, окон, торцов волоконных световодов и других оптических элементов для широкой области инфракрасного спектра», — подводит итог руководитель проекта Владимир Лазарев, начальник лаборатории стабилизированных лазерных систем научно-образовательного центра «Фотоника и ИК-техника» Московского государственного технического университета имени Н. Э. Баумана.

В проекте также принимали участие сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Национального исследовательского ядерного университета Московского инженерно-физического института.