Абляция объемного халькогенидного стекла As₂Se₃ при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами с высокой частотой следования

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

1. Shirshnev 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.465711

2. Kang 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.201803628

3. Kang 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.202300241

4. Li Z., Shangguan S., Shi W., Wang W., Qi D., Chen F., Zheng H. Femtosecond laser induced periodic subwavelength nanohole arrays structure on As₂Se₃ glass surface // Ceramics International. 2024. V. 51. N 7. P. 8211–8218. doi: 10.1016/j.ceramint.2024.12.302

5. Guk 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.84.000462

6. Fraggelakis 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.25.018131

7. Liu 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.7.000196

8. Струлёва 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/S0040364419040215

9. Jee 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.5.000648

10. Li 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/ab3368

11. Kovanda 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)00383-1

12. Shamova A., Polyakov D., Golubkov V., Pankin D., Shimko A., Shandybina G. Processes accompanying ablation in thin-film and bulk chalcogenide glass As₂Se₃ under multipulse femtosecond laser irradiation // Optical Materials. 2025. V. 167. P. 117232. doi: 10.1016/j.optmat.2025.117232

13. Zakery 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.2003.08.064

14. Joseph 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.0c12525

15. Polyakov 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.2022.101284

16. Sobolev 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:1021719017568

17. Easteal A.J., Wilder J.A., Mohr R.K., Moynihan C.T. Heat capacity and structural relaxation of enthalpy in As₂Se₃ glass // Journal of the American Ceramic Society. 1977. V. 60. N 3-4. P. 134–138. doi: 10.1111/j.1151-2916.1977.tb15488.x

18. Knotek 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/D0RA08939G

19. Flasck 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)90007-0

20. Baker 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/DT9750001589

21. Shugaev 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_11

22. Berkes J.S., Ing S.W., Hillegas W.J. Photodecomposition of amorphous As₂Se₃ and As₂S₃ // Journal of Applied Physics. 1971. V. 42. N 12. P. 4908–4916. doi: 10.1063/1.1659873

23. Paula 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 As₂S₃ and As₂Se₃ thin films // Applied Surface Science. 2024. V. 654. P. 159449. doi: 10.1016/j.apsusc.2024.159449

24. Либенсон 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.

25. Gornushkin 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.2022.106449