Настройка оптических свойств уплотнённого стекла из диоксида кремния при высоком давлении и ультракоротком лазерном возбуждении

Стекло, которое делает больше, чем просто остаётся прозрачным

Стекло из диоксида кремния — тихий труженик интернета, лазеров и оптики высокого класса. Обычно мы воспринимаем его как пассивный прозрачный материал, но это исследование показывает, что его внутренняя структура — а значит и то, как оно преломляет и излучает свет — может быть намеренно изменена двумя принципиально разными способами: при сильном сжатии при высокой температуре или при «записи» внутри материала ультракороткими лазерными импульсами. Понимание этих скрытых преобразований открывает пути к более быстрой связи, более плотному хранению данных и новым оптоэлектронным устройствам.

Два способа пропустить свет через стекло

Исследователи сравнили, как меняется стекло из диоксида кремния при уплотнении под высоким давлением и нагревом и при модификации сфокусированными фемтосекундными (квадриллионная доля секунды) лазерными импульсами. В обоих случаях атомы уплотняются, что повышает показатель преломления — меру того, насколько сильно материал отклоняет свет. На основании множества предыдущих экспериментов они выявили простое линейное правило: чем больше увеличивается плотность, тем сильнее растёт показатель преломления, независимо от того, было ли стекло сжато в прессе или «записано» лазером. Этот общий тренд удивителен, потому что микроскопические пути изменения структуры при двух обработках существенно различаются.

Скрытые узоры и их пределы

Когда внутри силикатного стекла направляют интенсивные лазерные импульсы, могут образовываться тонкие внутренние структуры — наногратинги: чередующиеся более плотные и более пористые слои, которые сильно влияют на прохождение поляризованного света. С помощью микроскопов, улавливающих крошечные изменения яркости и цвета, команда показала, что эти узоры сохраняются при умеренных давлениях, но выше примерно 3,7 гигапаскаля при 673 K они фактически исчезают: обработка высоким давлением стирает модуляцию плотности и связанный с ней оптический эффект. Тем не менее процесс практически обратим — после стирания новые наногратинги можно снова «записать» лазером, что намекает на возможность многократно перезаписываемых трёхмерных оптических элементов внутри одной стеклянной микросхемы.

Дефекты, которые заставляют стекло светиться

Однако не все изменения одинаковы. По измерениям слабого люминесцентного свечения дефектов внутри стекла исследователи обнаружили, что высокое давление и лазерная обработка оставляют существенно разные электронные «отпечатки». Участки, модифицированные лазером, демонстрируют сильную красную и зелёную фотолюминесценцию, связанную с «несвязанными кислородами» — атомами кислорода, которые больше не входят в обычную сетку связей. Участки, обработанные высоким давлением, напротив, в основном дают зелёное излучение и практически не показывают красного, больше напоминая плотный кварц. Это означает, что лазерный путь создаёт и сохраняет изолированные сайты дефектов, которые могут взаимодействовать со светом, тогда как путь посредством давления сдвигает сеть к более упорядоченному, плотно связанному состоянию, подавляющему эти изолированные источники свечения.

Заглядывая в сетку стекла

Чтобы связать эти оптические сигналы с реальной структурой, команда использовала рамановскую спектроскопию и дифракцию рентгеновского излучения высокой энергии, отслеживая, как изменяются углы связей, размеры колец и среднеранговый порядок в стекле. Высокое давление сужает разброс углов связей и укорачивает среднеразмерные структурные мотивы, создавая более однородную компактную сеть. Воздействие лазером также меняет углы связей, но склонно вызывать иные локальные перестройки, особенно в уже сжатых областях. Для более детального понимания исследователи провели молекулярно‑динамические симуляции с применением методов машинного обучения, моделирующие локальные экстремально высокие нагрев и быстрое охлаждение, подобно тому, что происходит при фемтосекундном лазере. Эти симуляции показали появление необычных особенностей, таких как тетраэдры с общими гранями и более широкий диапазон размеров колец — структуры, тесно связанные с образованием несвязанных кислородов и наблюдаемой люминесценцией.

Почему эти различия важны

Собрав все фрагменты воедино, исследование рисует картину двух дополняющих друг друга способов «программирования» стекла. Высокое давление и умеренное тепло глобально уплотняют материал и стабилизируют его в прочном, высокоплотном состоянии с предсказуемым преломлением света, но с подавленным дефектным свечением. Ультракороткие лазеры, напротив, действуют локально и бурно: они создают кратковременные всплески температуры и давления, искажают сеть, формируют крошечные плотные и пористые узоры и фиксируют специальные дефектные сайты по мере повторного замерзания стекла. Поскольку оба подхода можно комбинировать и выбирать для отдельных областей, инженеры, теоретически, могут вырезать трёхмерные узоры показателя преломления и люминесценции внутри единого блока кремнезёма. Для непрофессионала главный вывод таков: стекло — это не просто пассивное окно; при наличии подходящих инструментов его внутренняя архитектура может быть настроена как схема, что открывает путь к более интеллектуальным оптическим волокнам, долговременному хранению данных и будущим устройствам, где свет и электроника встречаются внутри прозрачных материалов.

Цитирование: Tsubone, M., Shimotsuma, Y., Kono, Y. et al. Tuning optical properties of densified silica glass via high pressure and ultrafast laser excitation. NPG Asia Mater 18, 15 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00649-4

Ключевые слова: стекло из диоксида кремния, запись ультрабыстрым лазером, уплотнение при высоком давлении, фотонные устройства, дефекты в стекле