Tuning optical properties of densified silica glass via high pressure and ultrafast laser excitation

高圧処理と超高速レーザー励起による高密度シリカガラスの光学特性制御

坪根 未空*; 下間 靖彦*; 河野 義生*; 柿澤 翔*; 山田 大貴*; 小林 恵太 ; 清水 雅弘*; 三浦 清貴*

Tsubone, Misora*; Shimotsuma, Yasuhiko*; Kono, Yoshio*; Kakizawa, Sho*; Yamada, Hiroki*; Kobayashi, Keita; Shimizu, Masahiro*; Miura, Kiyotaka*

シリカガラスは、温度や圧力の変化に応じて多様な構造を取りながら高密度化を示し、これらの要因は屈折率などの光学特性に大きな影響を与える。しかし、高圧処理やフェムト秒レーザー照射によって誘起される光学特性の変化に関する基本的な構造メカニズムは、いまだ十分には解明されていない。本研究では、これら二つの手法によって高密度化されたシリカガラスの光学応答における類似点と相違点を調査した。最も顕著な違いは、レーザー照射領域が、辺共有型SiO四面体に関連する非架橋酸素欠陥を取り込むことで、高い仮想温度を有するガラス構造へと進化し、高圧処理とは明確に異なるフォトルミネセンス挙動を示した点である。

Silica glass exhibits diverse structural configurations accompanied with densification under varying temperature and pressure conditions; these factors significantly influence its optical properties, such as the refractive index. However, the fundamental structural mechanisms underlying the optical properties change induced by high pressure treatment and femtosecond laser direct writing remain poorly understood. Herein, we report the similarities and differences in the optical responses of densified silica glass induced by these two methods. The most significant difference is that the laser-irradiated region evolves toward a glass structure characteristic of a high fictive temperature by incorporating non-bridging oxygen defects associated with edge-sharing SiO tetrahedra, which induces distinctly different photoluminescence behaviors compared to high pressure treatment.