Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В соответствие с планом работ первого года продолжающегося проекта коллективом авторов продемонстрирован эффективный метод генерации линейных массивов кольцеобразных световых пучков для проведения высокоскоростной параллельной лазерной печати элементов метаповерхностей. Показано, что мультиплексирование азимутально поляризованных лазерных пучков являются наилучшим решением для эффективного формирования близкорасположенных светлых колец с однородным и симметричным профилем распределения интенсивности, что обусловлено отсутствием в таких пучках как сингулярности фазы, так и продольной компоненты электрического поля. Предложенный подход позволяет осуществлять мультиплексирование кольцевого пучка и в более сложные шаблоны – например, в наборы пучков, расположенных в двух линиях со смещением пучков на полпериода, что позволяет использовать их для печати нано- и микроструктур структур, расположенных по гексагональному шаблону. Разработанный метод мультиплексирования пучков был использован для сверхбыстрой параллельной лазерной печати ИК-метаповерхностей, состоящих из упорядоченных массивов коаксиальных микроотверстий, сформированных в тонких пленках золота. Изготовленные массивы коаксиальных отверстий поддерживают интенсивный плазмонный резонанс решеточного типа, спектральное положение которого определяется как периодом расположения отверстий, так и их формой (соотношением диаметра внешнего отверстия и внутреннего диска). Хорошая воспроизводимость и относительная невысокая стоимость изготовления таких структур методом параллельной лазерной печати, в сочетании с интенсивным и перестраиваемым в широком спектральном диапазоне плазмонным, делают разработанный метод перспективным для задач детектирования различных веществ методом поверхностно-усиленного ИК-поглощения. Проведены сравнительные исследования абляционного воздействия остросфокусированных фс лазерных импульсов на однослойные плазмонные - серебряные и золотые - пленки в воде и на воздухе, продемонстрировавшие, что в воде – даже при толщине не более 1 мм – при превышении пиковой мощностью импульса критической мощности самофокусировки для данной длины волны (около 1 МВт) – развивается филаментация и искажение гауссовского распределения интенсивности. Абляция с формированием отверстий происходит в жидкости при малых энергиях с оформлением гладкого бортика, тогда как при высоких энергиях может происходить даже деламинация пленки под действием ударной волны в жидкости. Отработан высокопроизводительный метод фемтосекундной лазерной фабрикации массивов наноотверстий в пленках путем многолучевой (в нашем случае – трехлучевой) интерференции. При мегагерцовой частоте повторения импульсов и формировании интерференционной картины с сотнями микропучков (интерференционных максимумов) данный подход позволяет за несколько импульсов сформировать массив с сотнями наноотверстий, достигнув скорости 10^7-10^8 элементов в секунду. Разработанный подход допускает в следующем году непосредственный перенос фабрикации в жидкую среду для инновационной воздушной (объектив над поверхностью жидкости) или иммерсионной высокоскоростной печати больших массивов субмикронных отверстий, как это и предполагается по проекту. Наконец, продемонстрирован многофункциональный сенсорный элемент, изготовленный методом высокоскоростной фемтосекундной лазерной обработки тонких пленок золота, обеспечивающий возможность детектирования газов, локального изменения показателя преломления жидкостей и тонких слоев, а также производить идентификацию молекул по их характерным полосам ИК поглощения. Экспериментально показано, что сенсор обеспечивает порог детектирования паров этанола в 20 мг/л, спектральную чувствительность к регистрации изменения показателя преломления жидкостей в 1600 нм на единицу показателя преломления при параметре качества в 12, а также позволяет идентифицировать осажденные на него диэлектрические слои толщиной менее 1 нм. При возбуждении коллективного плазмонного резонанса, массив параболических микровыпуклостей обеспечивает существенное усиление амплитуды электромагнитного поля вблизи своей поверхности, позволяя усилить интенсивность ИК-полос поглощения абсорбированных на поверхности сенсора молекул аналита в 60 раз, при условии согласования спектрального положения полос поглощения и коллективного плазмонного резонанса сенсора. Таким образом, к основным результатам, полученным в рамках реализации первого года работ по проекту, можно отнести (1) метод мультиплексирования кольцевых световых распределений, использованный для сверхбыстрой лазерной печати ИК-метаповерхностей, (2) результаты исследований особенностей фемтосекундной лазерной абляции плазмонных пленок в жидкостях, (3) высокопроизводительный метод фемтосекундной лазерной фабрикации массивов наноотверстий в пленках методом многолучевой интерференции и (4) продемонстрированный высокочувствительный плазмонный ИК-сенсор показателя преломления жидкостей и тонких диэлектрических слоев, а также вредных газов, изготовленный методом высокоскоростной параллельной лазерной печати.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В соответствие с планом заключительного этапа проекта, основные работы коллектива были сегментированы в рамках следующих основных направлений: (1) реализации и оптимизации сверхбыстрой параллельной лазерной печати мультиплексированными вихревыми и гауссовыми пучками перспективных гибридных металл-полупроводниковых наноструктур, 2D и 3D метаповерхностей, функциональных элементов под реальные сенсорные задачи, а также (2) реализацию на основе методик интерференционного мультиплексирования лазерных пучков безфиламентационной фемто/пикосекундной лазерной печати больших массивов наноструктур. В рамках обоих направлений исследований получен ряд значимых результатов, интересных как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения. В частности, для решения задач параллельной лазерной нанофабрикации в воздушных и жидких средах коллективом разработаны оригинальные и простые методы генерации гексогональных массивов лазерных пучков под задачи безфиламентационной фемто/пикосекундной абляционной печати больших массивов наноструктур в жидкостях в трёхлучевом интерференционном режиме, а также трехмерного мультиплексирования вихревых пучков в разных плоскостях вдоль оси распространения. С использованием сложных конфигураций мультиплексированных вихревых и Гауссовым пучков реализована сверхбыстрая лазерная печать упорядоченных массивов коаксиальных и круглых отверстий в пленках плазмон-активных материалов, нанесенных на ИК-прозрачные подложки. На основе изготовленных массивов коаксиальных микроотверстий были реализованы и протестированы сенсорные элементы для идентификации нанослоев молекулярных аналитов методом поверхностно-усиленного ИК поглощения, а также детектирования малых изменений показателя преломления жидкости, демонстрирующие спектральную чувствительность в 2100 нм на единицу показателя преломления. На примере широко распространенного лекарственного препарата димедрола, было показано, что такие сенсорные элементы обеспечивают усиление амплитуды характеристических полос ИК поглощения аналита на 3 порядка при их спектральном согласовании с геометрическим резонансом пропускания коаксиальных отверстий. Принимая во внимание простоту и высокую скорость лазерной печати резонансных структур на основе массивов коаксиальных микроотверстий, толерантность их оптических свойств к потенциальным погрешностям микрофабрикации, возможность подстройки резонансной длины волны в диапазоне «отпечатков пальцев» аналитов, а также обеспечиваемый фактор усиления сигнала ≈1000 (что сопоставимо с усилением, обеспечиваемым нанотекстурированными подложками, изготовленными дорогостоящими литографическими методами), разработанная технология лазерной печати может найти применение в мелкосерийном производстве сенсорных элементов и подложек под аналитические медицинские задачи, связанные с идентификацией различных аналитов методом поверхностно-усиленной ИК спектроскопии. Отработаны режимы параллельной фемтосекундной лазерной абляции двухслойных пленок (верхний слой – золото толщиной 10, 20 и 30 нм, нижний слой – аморфный кремний толщиной 100 нм), обеспечивающие фабрикацию нескольких перспективных типов гибридных металл-полупроводниковых наноструктур и элементов метаповерхностей: (1) упорядоченных с характерными периодами до 500 нм полосок золотых наночастиц, имплантированных в матрицы нанокристаллического кремния, а также (2) микродисков из нанокристаллического кремния, находящихся в микроотверстии в пленке золота. С использованием комбинации параллельной лазерной печати мультиплексированными вихревыми пучками, травления пучком ионов аргона и послойного магнетронного напыления продемонстрирована возможность высокопроизводительной фабрикации уникальных диамагнитных 3D метаматериалов, состоящих из упорядоченных массивов золотых наноколец, разделенных диэлектрическим «спейсером». Таким образом, к основным результатам, полученным в рамках реализации заключительного года работ по проекту, можно отнести (1) детально исследованные и оптимизированные режимы безфиламентационной абляции пленок плазмонных металлов в жидкости с использованием мультиплексированных в гексагональные массивы лазерных пучков, (2) высокопроизводительные методы параллельной лазерной фабрикации, а также изготовленные и протестированные сенсорные элементы на основе массивов коаксиальных микро-отверстий для детектирования изменения показателя преломления жидкости и молекулярных аналитов в сверхмалых концентрациях с использованием эффекта поверхностно-усиленного ИК поглощения и (3) методы сверхбыстрой фемтосекундной лазерной печати гибридных металл-полупроводниковых наноструктур и 3D метаматериалов, демонстрирующих диамагнитные свойства в среднем ИК и ТГц спектральных диапазонах.