najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1555Research ArticlePHYSICSФИЗИКАFormation of laser-induced periodic surface structures on an As50Se50 film under femtosecond laser irradiation with wavelengths of 400-800 nmФормирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур на пленке As50Se50 при фемтосекундном лазерном облучении с длинами волн 400-800 нм.https://orcid.org/0000-0002-2608-7621ПахольчукПетр ПавловичPakholchukPetr Pavlovichp.paholchuk@lebedev.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3555-6693ШулейкоДмитрий ВалерьевичShuleikoDmitrii Valerievichshuleyko.dmitriy@physics.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9615-3869БарбашовВадим АлександровичBarbashovVadim Aleksandrovichbarbashovva@lebedev.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2528-4869ЗаботновСтанислав ВасильевичZabotnovStanislav Vasilyevichzabotnov@physics.msu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7405-551XКозюхинСергей АлександровичKozyukhinSergey Aleksandrovichsergkoz@igic.ras.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6889-001XКашкаровПавел КонстантиновичKashkarovPavel Konstantinovichkashkarov@physics.msu.ruФизический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, РоссияLebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, 53 Leninsky Avenue, Moscow 119991, Russia; Faculty of Physics, Moscow State University, 1/2 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia;Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, РоссияFaculty of Physics, Moscow State University, 1/2 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia;Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия.Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, 53 Leninsky Avenue, Moscow 119991, Russia;Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова, Москва, РоссияKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, 31 Leninsky Avenue, Moscow, 119071, RussiaМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия. Национальный исследовательский центр ” Курчатовский институт“, Москва, РоссияFaculty of Physics, Moscow State University, 1/2 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia; National Research Centre “Kurchatov Institute”, 1 Akademika Kurchatova Sq., Moscow, 123182, Russia;2025050220261661555Copyright © Pakholchuk P.P., Shuleiko D.V., Barbashov V.A., Zabotnov S.V., Kozyukhin S.A., Kashkarov P.K., 20262026Пахольчук П.П., Шулейко Д.В., Барбашов В.А., Заботнов С.В., Козюхин С.А., Кашкаров П.К.Pakholchuk P.P., Shuleiko D.V., Barbashov V.A., Zabotnov S.V., Kozyukhin S.A., Kashkarov P.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1555

Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) on chalcogenide glassy semiconductors are of great interest for creating polarization-sensitive optical elements. This study investigates the formation of LIPSS on the surface of an As50Se50 amorphous film, fabricated by thermal vacuum deposition, under femtosecond laser irradiation in the wavelength range from 400 to 800 nm. The periods of various LIPSS types depend linearly on laser wavelength. The measured birefringence of so-called low spatial frequency LIPSS, formed by different irradiation wavelengths are in the 10-85 nm range. The maximum birefringence of 85 nm was obtained for structures irradiated at a 480 nm wavelength. A significant decrease in birefringence was observed at a wavelength of 800 nm, which may be due formation of a less pronounced and more disordered surface relief caused by less effective absorption of modifying laser radiation with photon energy lower than optical band gap of As50Se50. Decreased optical absorption observed in As50Se50 films with LIPSS is caused by increased light scattering on the surface relief.

Лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (ЛИППС) на халькогенидных стеклообразных полупроводниках представляют большой интерес для создания поляризационно-чувствительных оптических элементов. В данной работе исследуется формирование ЛИППС на поверхности аморфной пленки As50Se50, изготовленной методом термического вакуумного осаждения, при фемтосекундном лазерном облучении в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм. Периоды различных типов ЛИППС линейно зависят от длины волны лазера. Измеренное двойное лучепреломление так называемых низкочастотных пространственных ЛИППС, формируемых различными длинами волн излучения, находится в диапазоне 10-85 нм. Максимальное двулучепреломление, равное 85 нм, было получено для структур, облученных при длине волны 480 нм. Значительное снижение двулучепреломления наблюдалось на длине волны 800 нм, что может быть связано с формированием менее выраженного и более неупорядоченного рельефа поверхности, вызванного менее эффективным поглощением модифицирующего лазерного излучения с энергией фотонов ниже ширины оптической запрещенной зоны As50Se50. Снижение оптического поглощения, наблюдаемое в пленках As50Se50 с ЛИППС, вызвано повышенным рассеянием света на рельефе поверхности.

лазерно-индуцированные периодические поверхностные структурыAs50Se50 аморфные пленкилазерно-индуцированное двулучепреломлениеоптический ретардансlaser-induced periodic surface structuresAs50Se50 amorphous filmslaser-induced birefringenceoptical retardanceРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-19-00035-П, https://rscf.ru/project/22-19-00035/).This work was supported by the Russian Science Foundation (Grant No. 22-19-00035-П, https://rscf.ru/project/22-19-00035/)ReferencesIovu M.S., Shutov S.D., Popescu M. Relaxation of photodarkening in amorphous As–Se films doped with metals. J. Non-Cryst. Solids, 2002, 299, 924-928.Iovu M.S., Shutov S.D., Popescu M. Relaxation of photodarkening in amorphous As–Se films doped with metals. J. Non-Cryst. Solids, 2002, 299, 924-928.Arsh A., Klebanov M., Lyubin V., Shapiro L., Feigel A., Veinger M., Sfez B. Glassy mAs2S3·nAs2Se3 photoresist films for interference laser lithography. Opt. Mater., 2004, 26 (3), 301-304.Arsh A., Klebanov M., Lyubin V., Shapiro L., Feigel A., Veinger M., Sfez B. Glassy mAs2S3·nAs2Se3 photoresist films for interference laser lithography. Opt. Mater., 2004, 26 (3), 301-304.Flaxer E., Klebanov M., Abrahamoff D., Noah S., Lyubin V. Photodarkening of As50Se50 glassy films under μs light pulses. Opt. Mater., 2009, 31 (4), 688–690.Flaxer E., Klebanov M., Abrahamoff D., Noah S., Lyubin V. Photodarkening of As50Se50 glassy films under μs light pulses. Opt. Mater., 2009, 31 (4), 688–690.Savage J.A. Optical properties of chalcogenide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 1982, 47 (1), 101-115.Savage J.A. Optical properties of chalcogenide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 1982, 47 (1), 101-115.Petkov K., Ewen P.J.S. Photoinduced changes in the linear and non-linear optical properties of chalcogenide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 1999, 249 (2) 150-159.Petkov K., Ewen P.J.S. Photoinduced changes in the linear and non-linear optical properties of chalcogenide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 1999, 249 (2) 150-159.Harbold J. M., Ilday F. Ö., Wise F. W., Sanghera J. S., Nguyen V. Q., Shaw L. B., Aggarwal I. D. Highly nonlinear As–S–Se glasses for all-optical switching. Opt. Lett., 2002, 27 (2), 119-121.Harbold J. M., Ilday F. Ö., Wise F. W., Sanghera J. S., Nguyen V. Q., Shaw L. B., Aggarwal I. D. Highly nonlinear As–S–Se glasses for all-optical switching. Opt. Lett., 2002, 27 (2), 119-121.Shuleiko D., Zabotnov S., Sokolovskaya O., Poliakov M., Volkova L., Kunkel T., Kuzmin E., Danilov P., Kudryashov S., Pepelayev D., Kozyukhin S., Golovan L., Kashkarov P. Hierarchical Surface Structures and Large-Area Nanoscale Gratings in As2S3 and As2Se3 Films Irradiated with Femtosecond Laser Pulses. Materials, 2023, 16 (13), 4524.Shuleiko D., Zabotnov S., Sokolovskaya O., Poliakov M., Volkova L., Kunkel T., Kuzmin E., Danilov P., Kudryashov S., Pepelayev D., Kozyukhin S., Golovan L., Kashkarov P. Hierarchical Surface Structures and Large-Area Nanoscale Gratings in As2S3 and As2Se3 Films Irradiated with Femtosecond Laser Pulses. Materials, 2023, 16 (13), 4524.Yu X., Qi D., Wang H., Zhang Y., Wang L., Zhang Z., Dai Sh., Shen X., Zhang P., Xu Y. In situ and ex-situ physical scenario of the femtosecond laser-induced periodic surface structures. Optics Express, 2019, 27 (7), 10087-10097.Yu X., Qi D., Wang H., Zhang Y., Wang L., Zhang Z., Dai Sh., Shen X., Zhang P., Xu Y. In situ and ex-situ physical scenario of the femtosecond laser-induced periodic surface structures. Optics Express, 2019, 27 (7), 10087-10097.Zabotnov S., Kolchin A., Shuleiko D., Presnov D., Kaminskaya T., Lazarenko P., Glukhenkaya V., Kunkel T., Kozyukhin S., Kashkarov P. Periodic relief fabrication and reversible phase transitions in amorphous Ge2Sb2Te5 thin films upon multi-pulse femtosecond irradiation. Micro, 2022, 2 (1), 88-99.Zabotnov S., Kolchin A., Shuleiko D., Presnov D., Kaminskaya T., Lazarenko P., Glukhenkaya V., Kunkel T., Kozyukhin S., Kashkarov P. Periodic relief fabrication and reversible phase transitions in amorphous Ge2Sb2Te5 thin films upon multi-pulse femtosecond irradiation. Micro, 2022, 2 (1), 88-99.Bonse J., Kirner S.V., Krüger J. (2021). Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS). In: Sugioka, K. (eds) Handbook of Laser Micro- and Nano-Engineering. Springer, Cham, 2021, 59 p.Bonse J., Kirner S.V., Krüger J. (2021). Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS). In: Sugioka, K. (eds) Handbook of Laser Micro- and Nano-Engineering. Springer, Cham, 2021, 59 p.Ахманов С.А. , Емельянов В.И., Коротеев Н.И., Семиногов В.Н. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика. Успехи физических наук, 1985, 147 (12), 675-745.Akhmanov S.A., Emel’yanov V.I., Koroteev N.I., Seminogov V.N. The effect of high-power laser radiation on the surface of semiconductors and metals: nonlinear optical effects and nonlinear optical diagnostics. Sov. Phys. Usp., 1985, 147 (12), 675-745.Bonse J., Rosenfeld A., Krüger J. On the role of surface plasmon polaritons in the formation of laser-induced periodic surface structures upon irradiation of silicon by femtosecond-laser pulses. Journal of Applied Physics, 2009, 106 (10), 104910.Bonse J., Rosenfeld A., Krüger J. On the role of surface plasmon polaritons in the formation of laser-induced periodic surface structures upon irradiation of silicon by femtosecond-laser pulses. Journal of Applied Physics, 2009, 106 (10), 104910.Bonse J., Krüger J., Höhm S., Rosenfeld A. Femtosecond laser-induced periodic surface structures. Journal of laser applications, 2012, 24 (4), 042006.Bonse J., Krüger J., Höhm S., Rosenfeld A. Femtosecond laser-induced periodic surface structures. Journal of laser applications, 2012, 24 (4), 042006.Kuzmin E., Zabotnov S., Shuleiko D., Pepelyaev D., Barbashov V., Efanov V., Kashkarov P. Laser-Induced Structuring of Arsenic Selenide Vitreous Films and Their Optical Properties. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, 88 (3), S370-S374.Kuzmin E., Zabotnov S., Shuleiko D., Pepelyaev D., Barbashov V., Efanov V., Kashkarov P. Laser-Induced Structuring of Arsenic Selenide Vitreous Films and Their Optical Properties. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, 88 (3), S370-S374.Kozyukhin S., Lazarenko P., Vorobyov Yu., Baranchikov A., Glukhenkaya V., Smayev M., Sherchenkov A., Sybina Yu., Polohin A., Sigaev V. Laser-induced modification and formation of periodic surface structures (ripples) of amorphous GST225 phase change materials. Optics & Laser Technology, 2019, 113, 87-94.Kozyukhin S., Lazarenko P., Vorobyov Yu., Baranchikov A., Glukhenkaya V., Smayev M., Sherchenkov A., Sybina Yu., Polohin A., Sigaev V. Laser-induced modification and formation of periodic surface structures (ripples) of amorphous GST225 phase change materials. Optics & Laser Technology, 2019, 113, 87-94.Kozyukhin S., Smayev M., Sigaev V., Vorobyov Y., Zaytseva Y., Sherchenkov A., Lazarenko P. Specific Features of Formation of Laser‐Induced Periodic Surface Structures on Ge2Sb2Te5 Amorphous Thin Films under Illumination by Femtosecond Laser Pulses. Physica Status Solidi B, 2020, 257 (11), 1900617.Kozyukhin S., Smayev M., Sigaev V., Vorobyov Y., Zaytseva Y., Sherchenkov A., Lazarenko P. Specific Features of Formation of Laser‐Induced Periodic Surface Structures on Ge2Sb2Te5 Amorphous Thin Films under Illumination by Femtosecond Laser Pulses. Physica Status Solidi B, 2020, 257 (11), 1900617.Corrales C., Ramı́rez-Malo J.B., Márquez E., Jiménez-Garay R. An optical study of the athermal photo-amorphization of As50Se50 thin films. Materials Science and Engineering: B, 1997, 47 (2), 119-126.Corrales C., Ramı́rez-Malo J.B., Márquez E., Jiménez-Garay R. An optical study of the athermal photo-amorphization of As50Se50 thin films. Materials Science and Engineering: B, 1997, 47 (2), 119-126.Behera M., Naik P., Panda R., Naik R. Optical properties study in As50Se50 and As50Se40Te10 chalcogenide thin films. Proceeding of «DAE SOLID STATE PHYSICS SYMPOSIUM 2016». Bhubaneswar, 2016, AIP Publishing LLC, 2017, 070009.Behera M., Naik P., Panda R., Naik R. Optical properties study in As50Se50 and As50Se40Te10 chalcogenide thin films. Proceeding of «DAE SOLID STATE PHYSICS SYMPOSIUM 2016». Bhubaneswar, 2016, AIP Publishing LLC, 2017, 070009.

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