ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-6-1003-1013ntv-533Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGАбляция объемного халькогенидного стекла As2Se3 при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами с высокой частотой следованияAblation of bulk chalcogenide glass As2Se3 by high-repetition-rate femtosecond laser pulseshttps://orcid.org/0000-0001-8728-260XШамоваА. А.ShamovaA. A.

Александра Андреевна Шамова, кандидат физико-математических наук, ассистент, младший научный сотрудник

197101; Санкт-Петербург

sc 57103706700

Alexandra A. Shamova, PhD (Physics & Mathematics), Assistant, Junior Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 57103706700

aashamova@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6240-4057ПоляковД. С.PolyakovD. S.

Дмитрий Сергеевич Поляков, кандидат физико-математических наук, ассистент, научный сотрудник

197101; Санкт-Петербург

sc 57212832118

Dmitry S. Polyakov, PhD (Physics & Mathematics), Assistant, Scientific Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 57212832118

polyakovdmitry1988@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9548-791XДолгополовА. Д.DolgopolovA. D.

Артур Джуракулович Долгополов,  ассистент, инженер-исследователь

197101; Санкт-Петербург

sc 58637797100

Arthur D. Dolgopolov, Assistant, Engineer-Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 58637797100

addolgopolov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3114-3410ПанькинД. В.PankinD. V.

Дмитрий Васильевич Панькин, кандидат физико-математических наук, специалист

Ресурсный центр «Оптические и лазерные методы исследования вещества»; Научный парк

198504; Санкт-Петербург; Петергоф

sc 57190487236

Dmitrii V. Pankin, PhD (Physics & Mathematics), Specialist

Center for Optical and Laser Materials Research; Research Park

198504; Saint Petersburg; Peterhof

sc 57190487236

dmitrii.pankin@spbu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3501-1925ШандыбинаГ. Д.ShandybinaG. D.

Галина Дмитриевна Шандыбина, кандидат физико-математиче-ских наук, доцент, ассистент

197101; Санкт-Петербург

sc 6602435275

Galina D. Shandybina, PhD (Physics & Mathematics), Associate Professor, Assistant

197101; Saint Petersburg

sc 6602435275

corchand@gmail.comУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный университетРоссияSt. Petersburg State UniversityRussian Federation20252312202525610031013Copyright © Шамова А.А., Поляков Д.С., Долгополов А.Д., Панькин Д.В., Шандыбина Г.Д., 20252025Шамова А.А., Поляков Д.С., Долгополов А.Д., Панькин Д.В., Шандыбина Г.Д.Shamova A.A., Polyakov D.S., Dolgopolov A.D., Pankin D.V., Shandybina G.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/533   Введение

   Введение. Фемтосекундная лазерная обработка халькогенидных стекол является перспективным методом высокоточной модификации их структуры и свойств для разработки оптических элементов инфракрасной фотоники. Одной из актуальных задач остается повышение скорости обработки стекла при обеспечении высокой пространственной точности и минимальных термических повреждений. При использовании режимов лазерного облучения с высокой частотой следования импульсов, обеспечивающих повышение производительности технологий, изменяются механизмы фазово-химических превращений и возрастает вклад накопительного нагрева. Однако динамика этих процессов в объемном материале остается недостаточно изученной. В работе предложено определение механизма изменения фазового и химического составов объемного халькогенидного стекла из селенида мышьяка (As2Se3) под действием серии фемтосекундных лазерных импульсов в режимах интенсивной абляции.

   Метод

   Метод. В качестве объекта исследования используются пластины халькогенидного стекла As2Se3, подвергнутые воздействию фемтосекудных лазерных импульсов с длиной волны 515 нм и частотой следования вплоть до 1 МГц. Диагностика образцов проводится методами цифровой оптической микроскопии и рамановской спектроскопии. Теоретический анализ включает в себя как расчеты фотовозбуждения и нагрева полупроводника одиночным лазерным импульсом, так и расчеты накопительного нагрева поверхности образца с учетом трехмерного теплоотвода.

   Основные результаты

   Основные результаты. При частоте следования лазерных импульсов 1 кГц установлен порог одноимпульсной лазерной абляции и определены параметры степенной зависимости порога абляции от количества импульсов («инкубационный эффект»). Проведен детальный анализ морфологии облученных образцов и химического состава продуктов лазерной абляции, в ходе которого установлено образование аморфного селена (а-Se) и кристаллов арсенолита (Аs2O3). Теоретический анализ позволил оценить степени нагрева и фотовозбуждения халькогенидного стекла As2Se3 одиночным лазерным импульсом и выявил существенный вклад эффекта накопления тепла в нагрев поверхности при частоте следования импульсов 1 МГц. На основе совокупности полученных результатов установлен парофазный механизм преобразования фазового и химического состава в объемном халькогенидном стекле As2Se3 при лазерной абляции с частотой следования фемтосекундных импульсов 1 МГц.

   Обсуждение

   Обсуждение. Полученные результаты открывают перспективы для разработки высокопроизводительных технологий фемтосекундного лазерного микроструктурирования халькогенидных материалов в фотонике и сенсорике.

   Femtosecond laser processing of chalcogenide glasses is a promising method for high-precision modification of their structure and properties for the development of optical elements for infrared photonics. One of the key challenges is to increase the processing speed while maintaining high spatial accuracy and minimal thermal damage. When using laser irradiation modes with a high pulse repetition rate, which ensures increased productivity of technologies, the mechanisms of phase-chemical transformations change and the contribution of accumulative heating increases. However, the dynamics of these processes in bulk material remains insufficiently studied. This paper studies the mechanism of phase and chemical composition transformation of As2Se3 bulk chalcogenide glass under the action of femtosecond laser pulses in the intense ablation modes.

   The objects of study are plates of chalcogenide glass As2Se3 irradiated by femtosecond laser pulses with a wavelength of 515 nm at repetition rates up to 1 MHz.

   The irradiated samples are analyzed using digital optical microscopy and Raman spectroscopy. Theoretical analysis includes both calculations of photoexcitation and heating of the semiconductor by a single laser pulse as well as calculations of accumulative heating of the sample surface, taking into account three-dimensional heat removal. The single-pulse laser ablation threshold was established at a laser pulse repetition rate of 1 kHz and the parameters of the power-law dependence of the ablation threshold on the number of pulses (incubation effect) were determined. A detailed analysis of the morphology of the irradiated samples and the chemical composition of the laser ablation products was carried out revealing the formation of amorphous selenium (a-Se) and arsenolite crystals (As2O3). Theoretical analysis allowed us to estimate the degree of heating and photoexcitation of As2Se3 chalcogenide glass by a single laser pulse and revealed a significant contribution of the heat accumulation effect to the surface temperature rise at a pulse repetition rate of 1 MHz. Based on the combined experimental and theoretical results obtained, a vapor-phase mechanism of phase and chemical transformation in As2Se3 bulk glass has been established during femtosecond laser ablation with a pulse repetition rate of 1 MHz. These findings open up prospects for the development of high-performance technologies for femtosecond laser microstructuring of chalcogenide materials in photonics and sensing applications.

объемное халькогенидное стеклоселенид мышьякафемтосекундная лазерная абляциярамановская спектроскопияbulk chalcogenide glassarsenic selenidefemtosecond laser ablationRaman spectroscopyРабота выполнена в рамках государственного задания (проект № FSER-2025-0007). Авторы выражают благодарность Ресурсному центру «Оптические и лазерные методы исследования вещества» (проект № 125021902439-8) Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета. Авторы также благодарны сотруднику Института лазерных технологий Университета ИТМО М.М. Сергееву за помощь в проведении экспериментовThe authors acknowledge the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (No. FSER-2025-0007). The authors acknowledge the Center for Optical and Laser Materials Research (Project No. 125021902439-8) of Research Park of Saint Petersburg State University. The authors are also grateful to M.M. Sergeev, a staff member of the Institute of Laser Technologies at ITMO University, for assistance with the experimentsReferencesShirshnev P.S., Kang M., Divliansky I., Richardson K.A., Glebov L.B. Engineered refractive and diffractive optical composites via photothermal processes // Optical Materials Express. 2022. V. 12. N 9. P. 3429–3448. doi: 10.1364/ome.465711Shirshnev P.S., Kang M., Divliansky I., Richardson K.A., Glebov L.B. Engineered refractive and diffractive optical composites via photothermal processes. Optical Materials Express, 2022, vol. 12, no. 9, pp. 3429–3448. doi: 10.1364/ome.465711Kang M., Swisher A.M., Pogrebnyanov A.V., Liu L., Kirk A., Aiken S., et al. Ultralow dispersion multicomponent thin-film chalcogenide glass for broadband gradient-index optics // Advanced Materials. 2018. V. 30. N 39. P. 1803628. doi: 10.1002/adma.201803628Kang M., Swisher A.M., Pogrebnyanov A.V., Liu L., Kirk A., Aiken S., et al. Ultralow dispersion multicomponent thin-film chalcogenide glass for broadband gradient-index optics. Advanced Materials, 2018, vol. 30, no. 39, pp. 1803628. doi: 10.1002/adma.201803628Kang M., Triplett B.M., Shalaginov M.Y., Deckoff-Jones S., Blanco C., Truman M., et al. Photochemically engineered large-area arsenic sulfide micro-gratings for hybrid diffractive–refractive infrared platforms // Advanced Photonics Research. 2024. V. 5. N 1. P. 2300241. doi: 10.1002/adpr.202300241Kang M., Triplett B.M., Shalaginov M.Y., Deckoff-Jones S., Blanco C., Truman M., et al. Photochemically engineered large-area arsenic sulfide micro-gratings for hybrid diffractive–refractive infrared platforms. Advanced Photonics Research, 2024, vol. 5, no. 1, pp. 2300241. doi: 10.1002/adpr.202300241Li Z., Shangguan S., Shi W., Wang W., Qi D., Chen F., Zheng H. Femtosecond laser induced periodic subwavelength nanohole arrays structure on As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> glass surface // Ceramics International. 2024. V. 51. N 7. P. 8211–8218. doi: 10.1016/j.ceramint.2024.12.302Li Z., Shangguan S., Shi W., Wang W., Qi D., Chen F., Zheng H. Femtosecond laser induced periodic subwavelength nanohole arrays structure on As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> glass surface. Ceramics International, 2024, vol. 51, no. 7, pp. 8211–8218. doi: 10.1016/j.ceramint.2024.12.302Guk I.V., Kuzmin E.V., Shandybina G.D., Yakovlev E.B., Dyukin R.V., Kulagin V.S. Influence of multi-pulse action on the evolution of silicon microrelief under femtosecond laser irradiation // Journal of Optical Technology. 2017. V. 84. N 7. P. 462–466. doi: 10.1364/JOT.84.000462Guk I.V., Kuzmin E.V., Shandybina G.D., Yakovlev E.B., Dyukin R.V., Kulagin V.S. Influence of multi-pulse action on the evolution of silicon microrelief under femtosecond laser irradiation. Journal of Optical Technology, 2017, vol. 84, no. 7, pp. 462–466. doi: 10.1364/JOT.84.000462Fraggelakis F., Mincuzzi G., Lopez J., Manek-Honninger I., Kling R. Texturing metal surface with MHz ultrashort laser pulses // Optics Express. 2017. V. 25. N 15. P. 18131–18139. doi: 10.1364/OE.25.018131Fraggelakis F., Mincuzzi G., Lopez J., Manek-Honninger I., Kling R. Texturing metal surface with MHz ultra-short laser pulses. Optics Express, 2017, vol. 25, no. 15, pp. 18131–18139. doi: 10.1364/OE.25.018131Liu J.M. Simple technique for measurements of pulsed Gaussian-beam spot sizes // Optics Letters. 1982. V. 7. N 5. P. 196–198. doi: 10.1364/OL.7.000196Liu J.M. Simple technique for measurements of pulsed Gaussian-beam spot sizes. Optics Letters, 1982, vol. 7, no. 5, pp. 196–198. doi: 10.1364/OL.7.000196Струлёва Е.В., Комаров П.С., Ашитков С.И. Термомеханическая абляция титана при фемтосекундном лазерном воздействии // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 4. С. 529–533. doi: 10.1134/S0040364419040215Struleva E.V., Komarov P.S., Ashitkov S.I. Thermomechanical ablation of titanium by femtosecond laser irradiation. High Temperature, 2019, vol. 57, no. 4, pp. 486–489. doi: 10.1134/s0018151x19040217Jee Y., Becker M.F., Walser R.M. Laser-induced damage on single-crystal metal surfaces // Journal of the Optical Society of America B. 1988. V. 5. N 3. P. 648–659. doi: 10.1364/JOSAB.5.000648Jee Y., Becker M.F., Walser R.M. Laser-induced damage on single-crystal metal surfaces. Journal of the Optical Society of America B, 1988, vol. 5, no. 3, pp. 648–659. doi: 10.1364/JOSAB.5.000648Li Q., Qi D., Wang X., Shen X., Wang R., Tanaka K. Femto- and nano-second laser-induced damages in chalcogenide glasses // Japanese Journal of Applied Physics. 2019. V. 58. N 8. P. 080911. doi: 10.7567/1347-4065/ab3368Li Q., Qi D., Wang X., Shen X., Wang R., Tanaka K. Femto- and nano-second laser-induced damages in chalcogenide glasses. Japanese Journal of Applied Physics, 2019, vol. 58, no. 8, pp. 080911. doi: 10.7567/1347-4065/ab3368Kovanda V., Vlček M., Jain H. Structure of As–Se and As–P–Se glasses studied by Raman spectroscopy // Journal of Non-Crystalline Solids. 2003. V. 326-327. P. 88–92. doi: 10.1016/S0022-3093(03)00383-1Kovanda V., Vlček M., Jain H. Structure of As–Se and As–P–Se glasses studied by Raman spectroscopy. Journal of Non-Crystalline Solids, 2003, vol. 326-327, pp. 88–92. doi: 10.1016/S0022-3093(03)00383-1Shamova A., Polyakov D., Golubkov V., Pankin D., Shimko A., Shandybina G. Processes accompanying ablation in thin-film and bulk chalcogenide glass As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> under multipulse femtosecond laser irradiation // Optical Materials. 2025. V. 167. P. 117232. doi: 10.1016/j.optmat.2025.117232Shamova A., Polyakov D., Golubkov V., Pankin D., Shimko A., Shandybina G. Processes accompanying ablation in thin-film and bulk chalcogenide glass As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> under multipulse femtosecond laser irradiation. Optical Materials, 2025, vol. 167, pp. 117232. doi: 10.1016/j.optmat.2025.117232Zakery A., Elliott S.R. Optical properties and applications of chalcogenide glasses : a review // Journal of Non-Crystalline Solids. 2003. V. 330. N 1-3. P. 1–12. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2003.08.064Zakery A., Elliott S.R. Optical properties and applications of chalcogenide glasses : a review. Journal of Non-Crystalline Solids, 2003, vol. 330, no. 1-3, pp. 1–12. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2003.08.064Joseph S., Sarkar S., Joseph J. Grating-coupled surface plasmon-polariton sensing at a flat metal–analyte interface in a hybrid-configuration // ACS Applied Materials & Interfaces. 2020. V. 12. N 41. P. 46519–46529. doi: 10.1021/acsami.0c12525Joseph S., Sarkar S., Joseph J. Grating-coupled surface plasmon-polariton sensing at a flat metal–analyte interface in a hybrid-configuration. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, vol. 12, no. 41, pp. 46519–46529. doi: 10.1021/acsami.0c12525Polyakov D., Shandybina G., Shamova A. Analytical 3D modeling of accumulative heating under multipulse laser irradiation of inorganic materials and biological tissues // Thermal Science and Engineering Progress. 2022. V. 31. P. 101284. doi: 10.1016/j.tsep.2022.101284Polyakov D., Shandybina G., Shamova A. Analytical 3D modeling of accumulative heating under multipulse laser irradiation of inorganic materials and biological tissues. Thermal Science and Engineering Progress, 2022, vol. 31, pp. 101284. doi: 10.1016/j.tsep.2022.101284Sobolev V.V. Optical spectra of arsenic chalcogenide glasses over a wide energy range of fundamental absorption // Glass Physics and Chemistry. 2002. V. 28. N 6. P. 399–416. doi: 10.1023/A:1021719017568Sobolev V.V. Optical spectra of arsenic chalcogenide glasses over a wide energy range of fundamental absorption. Glass Physics and Chemistry, 2002, vol. 28, no. 6, pp. 399–416. doi: 10.1023/A:1021719017568Easteal A.J., Wilder J.A., Mohr R.K., Moynihan C.T. Heat capacity and structural relaxation of enthalpy in As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> glass // Journal of the American Ceramic Society. 1977. V. 60. N 3-4. P. 134–138. doi: 10.1111/j.1151-2916.1977.tb15488.xEasteal A.J., Wilder J.A., Mohr R.K., Moynihan C.T. Heat capacity and structural relaxation of enthalpy in As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> glass. Journal of the American Ceramic Society, 1977, vol. 60, no. 3-4, pp. 134–138. doi: 10.1111/j.1151-2916.1977.tb15488.xKnotek P., Kutálek P., Černošková E., Vlček M., Tichý L. The density, nanohardness and some optical properties of As–S and As–Se chalcogenide bulk glasses and thin films // RSC Advances. 2020. V. 10. N 70. P. 42744–42753. doi: 10.1039/D0RA08939GKnotek P., Kutálek P., Černošková E., Vlček M., Tichý L. The density, nanohardness and some optical properties of As–S and As–Se chalcogenide bulk glasses and thin films. RSC Advances, 2020, vol. 10, no. 70, pp. 42744–42753. doi: 10.1039/D0RA08939GFlasck R., Rockstad H.K. The thermal conductivity of some chalcogenide glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 1973. V. 12. N 3. P. 353–356. doi: 10.1016/0022-3093(73)90007-0Flasck R., Rockstad H.K. The thermal conductivity of some chalcogenide glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 1973, vol. 12, no. 3, pp. 353–356. doi: 10.1016/0022-3093(73)90007-0Baker E.H. Arsenic triselenide: boiling-point relation at elevated pressures // Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions. 1975. N 15. P. 1589–1591. doi: 10.1039/DT9750001589Baker E.H. Arsenic triselenide: boiling-point relation at elevated pressures. Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions, 1975, no. 15, pp. 1589–1591. doi: 10.1039/DT9750001589Shugaev M.V., He M., Levy Y., Mazzi A., Miotello A., Bulgakova N.M., Zhigilei L.V. Laser-induced thermal processes: heat transfer, generation of stresses, melting and solidification, vaporization, and phase explosion // Handbook of Laser Micro- and Nano-Engineering. 2021. P. 83–163. doi: 10.1007/978-3-030-63647-0_11Shugaev M.V., He M., Levy Y., Mazzi A., Miotello A., Bulgakova N.M., Zhigilei L.V. Laser-induced thermal processes: heat transfer, generation of stresses, melting and solidification, vaporization, and phase explosion. Handbook of Laser Micro- and Nano-Engineering, 2021, pp. 83–163. doi: 10.1007/978-3-030-63647-0_11Berkes J.S., Ing S.W., Hillegas W.J. Photodecomposition of amorphous As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> and As<sub>2</sub>S<sub>3</sub> // Journal of Applied Physics. 1971. V. 42. N 12. P. 4908–4916. doi: 10.1063/1.1659873Berkes J.S., Ing S.W., Hillegas W.J. Photodecomposition of amorphous As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> and As<sub>2</sub>S<sub>3</sub>. Journal of Applied Physics, 1971, vol. 42, no. 12, pp. 4908–4916. doi: 10.1063/1.1659873Paula K.T., Dutta N.S., Almeida J.M., Nolasco L.K., Andrade M.B., Arnold C.B., Mendonça C.R. Femtosecond laser induced damage threshold incubation and oxidation in As<sub>2</sub>S<sub>3</sub> and As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> thin films // Applied Surface Science. 2024. V. 654. P. 159449. doi: 10.1016/j.apsusc.2024.159449Paula K.T., Dutta N.S., Almeida J.M., Nolasco L.K., Andrade M.B., Arnold C.B., Mendonça C.R. Femtosecond laser induced damage threshold incubation and oxidation in As<sub>2</sub>S<sub>3</sub> and As<sub>2</sub>Se<sub>3</sub> thin films. Applied Surface Science, 2024, vol. 654, pp. 159449. doi: 10.1016/j.apsusc.2024.159449Либенсон М.Н., Шандыбина Г.Д., Шахмин А.Л. Химический анализ продуктов лазерной абляции наносекундного диапазона // Журнал технической физики. 2000. Т. 70. N 9. С. 124–127.Libenson M.N., Shandybina G.D., Shakhmin A.L. Chemical analysis of products obtained by nanosecond laser ablation. Technical Physics, 2000, vol. 45, no. 9, pp. 1219–1222. doi: 10.1134/1.1318114Gornushkin I.B., Veiko V.P., Karlagina Yu.Yu., Samokhvalov A.A., Polyakov D.S. Equilibrium model of titanium laser induced plasma in air with reverse deposition of titanium oxides // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2022. V. 193. P. 106449. doi: 10.1016/j.sab.2022.106449Gornushkin I.B., Veiko V.P., Karlagina Yu.Yu., Samokhvalov A.A., Polyakov D.S. Equilibrium model of titanium laser induced plasma in air with reverse deposition of titanium oxides. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2022, vol. 193, pp. 106449. doi: 10.1016/j.sab.2022.106449

The authors declare that there are no conflicts of interest present.