Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В соответствие с планом работ, была рассчитана, спроектирована и изготовлена серия дифракционных оптических элементов (ДОЭ), представляющих собой многосекторные пластинки (со скачком фазы в π), генерирующие многолучевые пучки, состоящие из серии циркулярно-расположенных световых точек. Было продемонстрировано, что фокусировка такого многолучевого пучка с использованием объектива с высокой числовой апертурой позволяет сформировать в фокальной плоскости систему точек с близким к дифракционному пределу латеральным размеров и фокальной глубиной, в разы превышающей таковую для гауссова пучка. Проведены первые успешные исследования по сверхбыстрой абляционной печати функциональных нанотекстур на поверхности пленок серебра с использованием разработанных ДОЭ. Описанные ДОЭ позволяют не только увеличить скорость лазерной печати, но и повысить ее качество, за счет минимизированного, вследствие большой фокальной глубины, эффекта наклона образца и скачков нанопозиционеров. На основе проведения тестовых абляционных экспериментов пленок меди, серебра и алюминия с использованием было экспериментально показано, что даже в хороших плазмонных металлах времена электрон-фононной термализации составляют порядка 1 пс, что существенно ограничивает латеральный перенос энергии в их тонких пленках из области жесткой фокусировки фемтосекундных лазерных импульсов в силу выглаживания температурных градиентов после передачи энергии из электронной подсистемы в решетку. В результате, пространственное разрешение при печати плазмонных элементов жесткофокусированными фемтосекундными лазерными импульсами достигает 2 мкм, однако, может быть улучшено – практически до дифракционного предела – при использовании пикосекундных (3-10 пс) лазерных импульсов. С использованием параллельной пороговой абляционной нанофабрикации с применением жесткой фокусировки (NA=0.25) и быстрых (скорость перемещения – 5 мм/с) линейных нанопозиционеров продемонстрирована сверхбыстрая печать массивов откольных кратеров на толстых пленках серебра и меди, а также массивов микроотверстий – на тонких пленках серебра. В обоих случая, достигнутая скорость печати составила порядка 10^5 микроотверстий/откольных кратеров в секунду при сохранении упорядоченного положения элементов в массиве и пространственном разрешении в 2 мкм. Аналогичные тесты параллельной пороговой абляционной микрофабрикации с использованием умеренной фокусировки (NA=0.1) и сверхбыстрых (скорость перемещения – 10 м/с) двумерного гальваносканера позволили достигнуть при нанотекстурировании поверхности кремния скорости печати в 5•10^5 элементов/с при пространственном разрешении в 10 мкм. Наконец, впервые было продемонстрировано, что массив откольных кратеров, изготовленных методом сверхбыстрой лазерной печати, может быть использован в качестве эффективного биосенсора, обеспечивая факторы усиления сигналов фотолюминесценции и комбинационного рассеяния от нанометрового слоя тестовых молекул органического красителя Родамина 6Ж в 28 и 2•10^6, соответственно. Экспериментально установлено, что основными механизмами усиления фотолюминесценции слоя молекул Р6Ж на нанотекстурированной поверхности является плазмонное усиление ближнего поля в «горячих точках», что подтверждается поляризационно-зависимым характером фактора усиления, а также ускорение излучательной эмиссии молекул, что подтверждается характерным уменьшением времени жизни квантового излучателя на возбужденном уровне с 4 до 1.95 нс. Учитывая относительную дешевизну серебряных пленок, достигнутую высокую скорость печати, простоту изготовления таких нанотекстурированных покрытий, широкополосный и довольно сильный плазмонный отклик, а также продемонстрированную авторами проекта возможность создания аналогичных нанотекстур на поверхности медных и алюминиевых пленках аналогичной толщины, биосенсорные покрытия, изготовленные указанным методом, имеют неплохую перспективу коммерциализации в ближайшем будущем.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В соответствие с установленным планом работ, для достижения рекордных скоростей лазерной печати упорядоченных массивов микроструктур были экспериментально опробованы несколько подходов, комбинирующих методы мультиплексирования лазерного пучка с использованием дифракционных элементов, сверхбыстрых перемещений образца нанопозиционерами, а также развертки лазерного пучка с использованием гальвано-сканнера при высоких частотах следования импульсов (0.2 – 2 МГц). При печати упорядоченных массивов микроотверстий в тонких пленках серебра и золота с использованием оптимального сочетания развертки пучка гальвано-сканнером со скоростью перемещения в 7 м/с и мультиплексирования входного лазерного пучка в линию из 50 идентичных упорядоченных пучков экспериментально продемонстрирована рекордная скорость печати микроотверстий - до 1.5*107 элементов/с при неплохой повторяемости и воспроизводимости элементов в массиве. Вместе с тем, впервые исследованы особенности «многопучковой» абляции тонких пленок благородных металлов импульсами нано- и фемтосекундной длительности. Продемонстрировано, что в случае использования импульсов наносекундной длительности в режиме одновременного многопучкового облучения металлических пленок и характерных расстояний в 2 – 4 мкм между соседними лазерными пучками, вследствие существенной латеральной диффузии тепла в пленке, возникают эффекты локализации тепла, приводящие к дополнительному перегреву необлучаемых лазером областей и уменьшению локального порога абляции. Предложен и экспериментально опробован новый подход к генерации комплексных распределений интенсивности с пространственно-упорядоченным массивов оптических вихрей за счет комбинации генератора оптического вихря первого порядка, а также дифракционных оптических элементов - генераторов мод Эрмита-Гаусса. С использованием комбинации пространственного модулятора света для реализации фазового профиля мультиплексора и спиральной фазовой пластинки продемонстрировано мультиплексирование одного оптического вихря в 25 идентичных вихрей того же порядка. Методом высокопроизводительной фемтосекундной лазерной печати на пленках серебра, алюминия, меди, сплава золота с палладием изготовлены сенсорные подложки для аналитического метода поверхностно-усиленного гигантского ИК-поглощения размером 4х4 мм2 и количеством сенсорных элементов порядка 106. Простота, высокая производительность и воспроизводимость лазерного методам фабрикации позволила изготовить большую серию тестовых образцов сенсорных подложек, а также провести, с целью объяснения и оптимизации биосенсорного отклика, систематические исследования влияния материала и толщины пленки, а также размера и периода микроотверстий, на эффективность возбуждения режимов туннельного, плазмонно-усиленного туннельного, волноводного и переходных режимов распространения резонансной коллективной моды Фабри-Перо. Биосенсорные характеристики напечатанных решеток микроотверстий были исследованы при детектировании монослоя модельного высоколюминесцентного красителя родамина 6Ж с использованием метода поверхностно-усиленного инфракрасного поглощения. Продемонстрировано 40-кратное аналитическое усиление сигнала при детектировании монослоя, а предельное усиление, полученное на массиве микроотверстий в серебряной пленке, составило порядка 300-400 раз, из которых вклад плазмонного эффекта - не более 4-6 раз, а химическое усиление гигантского инфракрасного поглощения света – до 60-100 раз, преимущественно для полярных колебаний с комплексообразованием на серебряной поверхности. Таким образом, в рамках реализации проекту предложена и опробована универсальная экономически-обоснованная лазерная технология сверхбыстрой печати биосенсорных элементов, состоящих из массивов микроразмерных отверстий, а также продемонстрирован потенциал предложенных элементов в задачах экспресс-детектирования молекулярных комплексов с использованием метода поверхностно-усиленного инфракрасного поглощения.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В соответствие с планом заключительного этапа работ по проекту коллективом авторов был разработан эффективный метод безабляционной высокопроизводительной печати элементов метаповерхностей отражательного типа - упорядоченных массивов нано-пичков на поверхности тонких пленок золота, а также абляционной печати микроотверстий в указанных пленках - со скоростью 10^7 элементов в секунду при рекордном для таких скоростей латеральном разрешении существенно лучше 500 нм. Такие уникальные характеристики достигаются за счет сверхбыстрого параллельного нанотекстурирования поверхности в процессе линейного движения нанопозиционера за счет мультиплексирования лазерного пучка в линейный массив, состоящий из 50 эквидистантных идентичных лазерных пучков, сгенерированных с использованием специально спроектированных и оптимизированных дифракционных оптических элементов. Такие оптимизированные элементы были рассчитаны с использованием модифицированного алгоритма Герчберга-Сакстона и изготовлены на основе высококачественных подложек плавленого кварца, обладающего высоким порогом разрушения (0.1 ТВт/см^2). Такое научно-техническое решение позволило достичь рекордно низкого значения флуктуации интенсивности лазерных пучков в линейном массиве (не более 5%), высокой эффективности конверсии (около 80%) и однородности генерируемых распределений, обосновывая потенциал таких оптических элементов их использования в задачах высокоскоростной лазерной печати с суб-МГц частотами следования импульсов. Изготовленные массивы демонстрируют резонансный отклик в спектре отражения ближней ИК области спектра с амплитудой до 40% и добротностью около 10, связанный с возбуждением и интерференцией поверхностных плазмонных волн. Спектральное положение резонанса определяется формой нано-пичков и периодом массива, причем оба параметра могут легко контролироваться в процессе лазерной фабрикации. Формирование поверхностных структур в процессе лазерной печати происходит без абляции пленки, и соответственно, без выброса наночастиц, обуславливая возможность высококачественного и повторяемого изготовления метаповерхностей отражательного типа. Это открывает перспективы для реализации дешевой высокопроизводительной печати высокоэффективных плазмонных микро-массивов с перестраиваемым резонансом для реализации на их основе мультифункциональных плазмонных микроустройств и метаповерхностей, биосенсоров показателя преломления жидкостей, хемо- и биосенсоров газов и т.д. Кроме этого, методы скоростной лазерной печати были использованы для изготовления нанотекстурированных биметаллических поверхностей с многоуровневой шероховатостью, обеспечивающих широкополосный плазмонный отклик во всей видимой области спектра. Такие текстурированные поверхности были изготовлены с использованием гибридной схемы нанотекстурирования, включающей одновременное перемещение образца линейным нанопозиционером и развертку лазерного луча по поверхности образца с применением гальванометрического сканнера, что обеспечивало скорость изготовления на уровне 10^7 элементов в секунду. Изготовленные текстуры демонстрирует гигантское усиление сигналов фотолюминесценции (до 75 раз) и комбинационного рассеяния (до 10^6) нанесенных на них слоев различных квантовых излучателей (молекул органических красителей, лантанидов, квантовых точек) нанометровой толщины при использовании лазеров накачки в диапазоне 450 – 670 нм. Указанные характеристики делают простые и дешевые в изготовлении биметаллические нанотекстурированные поверхности перспективными для реализации на их основе широкополосных био-/хемосенсоров, работающих на принципах поверхностно-усиленной фотолюминесценции и поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния. Наконец, впервые детально исследованы физические механизмы одно- и многоимпульсной фемтосекундной лазерной откольной абляции слоистых полиметаллических и металл-диэлектрических систем в зависимости от плотности энергии излучения с учетом эффектов «каскадной» теплопроводности и межграничного теплового сопротивления Капицы. C использованием металл-диэлектрических систем отработаны режимы фабрикации плазмонных сенсоров ИК-диапазона на основе массивов микроотверстий, а также отверстий кольцеобразной формы, продемонстрировавшие наличие сильного резонансного отклика (с амплитудой до 85%) в среднем ИК диапазоне, положение которого зависит формы отверстий и периодичности их расположения.