Формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур на пленке As50Se50 при фемтосекундном лазерном облучении с длинами волн 400-800 нм

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.

1. 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, P. 924–928.

2. 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), P. 301–304.

3. Flaxer E., Klebanov M., Abrahamoff D., Noah S., Lyubin V. Photodarkening of As50Se50 glassy films under µs light pulses. Opt. Mater., 2009, 31(4), P. 688–690.

4. Savage J.A. Optical properties of chalcogenide glasses. J. Non-Cryst. Solids, 1982, 47(1), P. 101–115.

5. 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), P. 150–159.

6. Harbold J.M., Ilday F.O., 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), P. 119–121.

7. 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), P. 4524.

8. 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), P. 10087–10097.

9. 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), P. 88–99.

10. Bonse J., Kirner S.V., Kruger J. ¨ Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS). In: Sugioka, K. (eds) Handbook of Laser Micro- and NanoEngineering. Springer, Cham, 2021, 59 p.

11. 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), P. 675–745.

12. Bonse J., Rosenfeld A., Kruger 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), P. 104910.

13. Bonse J., Kruger J., H ¨ ohm S., Rosenfeld A. Femtosecond laser-induced periodic surface structures. ¨ Journal of laser applications, 2012, 24(4), P. 042006.

14. 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), P. S370–S374.

15. 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 and Laser Technology, 2019, 113, P. 87–94.

16. 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), P. 1900617.

17. Corrales C., Ram´ırez-Malo J.B., Marquez E., Jim ´ enez-Garay R. An optical study of the athermal photo-amorphization of As ´ 50Se50 thin films. Materials Science and Engineering: B, 1997, 47(2), P. 119–126.

18. 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, P. 070009.