Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В соответствии с планом работ на первый год в ходе выполнения проекта были разработаны и исследованы новые типы векторных пучков на основе многомодовых неоднородно поляризованных векторных пучков Эрмита – Гаусса (ЭГ), структура которых не претерпевает никаких изменений при распространении. Подобно однородно поляризованным лазерным пучкам, такие пучки обладают структурной стабильностью (или инвариантность) не только распределения интенсивности, но и распределения поляризации, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность других характеристик электромагнитного поля (включая угловые моменты). Результаты проведенных численных и натурных экспериментов показали, что можно формировать векторные лазерные пучки, интенсивность, поляризация и спиновый угловой момент которых структурно стабильны не только для осесимметричных профилей интенсивности, но и более сложных распределений интенсивности, обладающих различным порядком симметрии. Кроме того был предложен очень простой метод формирования векторных полей с заданных распределением локальной круговой поляризации за счет нарушения симметрии линейно поляризованного лазерного пучка, падающего на фокусирующую оптику. Для формирования и фокусировки разработанных векторных пучков, а также осесимметричных обобщенных цилиндрических векторных пучков высокого порядка был разработан и исследован метод расчета металинз, которые представляют собой комбинации субволновых решёток, выполняющих преобразование поляризации падающих линейно поляризованных лазерных пучков, и бинарной линзы с сублинейным чирпированием для выполнения фокусировки сформированного неоднородно поляризованного пучка. Метод показал возможность расчета металинз с высокой точностью формирующих заданные комбинации векторных пучков с различными порядками – т.е. может быть использован для расчета элементов, формирующих обобщенные цилиндрические векторные пучки. Для мультиплексирования таких полей были разработаны бинарные дифракционные оптические элементы (ДОЭ), объединяющие несколько аксиконов разных типы (осесимметричные и спиральные). Такие элементы позволяют не только выполнять мультиплексирование падающих структурированных векторных пучков, но и формировать трехмерные распределения интенсивности в виде векторных пучков с заданной трехмерной структурой, которые можно настраивать путем изменения состояния поляризации освещающего их лазерного излучения. Ряд рассчитанных ДОЭ и металинз были изготовлены методами литографии в комбинации с плазмохимическим травлением и электронно-лучевой литографии и внедрены в установку по прямому лазерному нанотекстурированию поверхностей. С использованием разработанных векторных лазерных пучков продемонстрировано формирование уникальных самоорганизованных лазерно-индуцированные периодических поверхностных структур (ЛИППС) на подложках монокристаллического кремния, помещенного под слой изопропанола. Показано, что морфология ЛИППС с рекордно малым периодом 70±10 нм формируется за счет интерференции падающего лазерного излучения с возбуждаемым им электромагнитными волнами на поверхности кремния, а также развитием неустойчивости Релея-Плато в расплавленном приповерхностном слое. Исследование смачивающих свойств кремниевых ЛИППС методом измерения контактного угла и визуализации процесса растекания капель жидкости с использованием быстрой камеры выявили супергидрофильные свойства текстурированных лазером поверхностей, вызванных формированием приповерхностного оксидированного слоя, изначально имеющего гидрофильные свойства, а также усиливающим их поверхностным нано-рельефом ЛИППС. Супергидрофильные свойства текстурированных поверхностей обеспечивают эффективное распределение содержащихся в жидкостях молекулярных аналитов по поверхности ЛИППС, делая описанные текстуры перспективными для задач оптического биосенсинга, что подтверждается проведенными экспериментами по усилению интенсивности спонтанной эмиссии нанослоя квантовых излучателей, нанесенных на поверхность ЛИППС, а также in-situ детектирование каталитической конверсии молекулярных аналитов методом спектроскопии комбинационного рассеяния.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В соответствии с планом работы за второй год выполнения работ по проекту были разработаны эффективные методы формирования комбинаций цилиндрически-поляризованных и линейно-поляризованных векторных лазерных пучков, оптимизированные под задачи сверхбыстрой фемтосекундной фабрикации микрофлюидных каналов. Так были предложены дизайны нескольких оптических схем для формирования комбинации из двух радиально/азимутально поляризованных пучков и одного линейно-поляризованного пучка. Такие комбинации пучков рассматриваются в проекте как эффективные решения для изготовления гибридных микрофлюидных каналов за счет формирования на поверхности металлов сложных шаблонов лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС), сочетающих участки с гидрофобными и гидрофильными свойствами. Разработанные дизайны схем включают оптические схемы, разработанные на базе интерферометра Маха-Цендера и 4-f оптической системы с поляризационной фильтрацией. Первые из разработанных схем могут быть реализованы с использование дифракционных мультиплексоров векторных пучков или светоделительных кубиков, выполняющих мультиплексирование пучков, и обладают большей эффективностью, однако, решения на основе 4-f оптической системы более просты в юстировке и обладают бОльшим потенциалом для формирования более сложных конфигураций цилиндрически-поляризованных и линейно-поляризованных векторных лазерных пучков. Также в проекте были разработаны методы суммирования поперечных компонент светового поля, сформированных одним пространственным модулятором света, позволяющие формировать комбинации световых пятен с заданными направлениями поляризации, а также модифицированные векторные пучки Лиссажу, заданные в полярных координатах (r, fi) тригонометрическими зависимостями вида (cos(p*fi),cos (q*fi)) и (sin (p*fi),sin (q*fi)). Такие пучки могут быть использованы для решения будущих задач проекта, связанных с подавлением морфологии формируемых ЛИППС. Спроектированные в проекте дифракционные мультиплексоры были изготовлены методами литографии в комбинации с плазмохимическим травлением и исследованы в разработанных оптических схемах. Полученные результаты показали, что такие элементы могут быть легко встроены непосредственно в установки по прямому лазерному нанотекстурированию поверхностей и использованы для записи различных конфигураций ЛИППС. В частности, при реализации проекта были проведены систематические исследования по фемтосекундной лазерной записи лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС) на поверхности различных материалов (сталь, монокристаллический кремний, титан и т.д.) с использованием «структурированных» лазерных пучков с комплексным распределением амплитуды и поляризации. Абляционные и термооксидные ЛИППС были сформированы на поверхности титановых пленок с использованием различных конфигураций линейно- и цилиндрически поляризованных лазерных пучков. Проведенные эксперименты позволили детально и всестороннее описать процесс формирования ЛИППС на поверхности пленок титана посредством интерференции падающего и рассеянного на поверхностных дефектах лазерного излучения, а также выявить вклад эффектов лазерно-индуцированного нагрева, абляции и оксидирования, играющих ключевую роль в скорости формирования упорядоченных поверхностных наноструктур. Было показано, что использование специальным образом спроектированных пучков позволяет добиться баланса между указанными процессами, обеспечивая возможность увеличения скорости записи термооксидных ЛИППС более чем на порядок по сравнению с типичными значениями, которые упоминаются в литературе. С использованием структурированных лазерных пучков продемонстрирована высокоскоростная запись структур типа абляционных и термо-оксидных ЛИППС с радиальной и азимутальной симметрией на поверхности титановых пленок и монокристаллического кремния. Использование таких структур позволило создавать на поверхности титана гидрофобные, гидрофильные и супергидрофильные участки с выраженной анизотропией смачивающих характеристик. Показано, что морфология термооксидных ЛИППС представляет собой массив нанокапиляров, обеспечивающих направленный транспорт жидкости преимущественно в направлении их пространственной ориентации, позволяя реализовать простые в использовании микрофлюидные устройства с направленной доставкой аналита, а также функцией восстановления смачивающих свойств, деградирующих при многократном использовании и длительном хранении, за счет облучения ЛИППС излучением УФ лампы. Таким образом, предложенные в проекте подходы могут быть применены для реализации сверхбыстрой фемтосекундной фабрикации гибридных микрофлюидных каналов с заданными транспортными свойствами на поверхности различных материалов. Результаты, полученные в отчетный год выполнения проекта, опубликованы в ведущих международных журналах по оптике (Opto-Electronic Advances, Optics Letters, Photonics), что подтверждает их высокую научную и практическую значимость.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В соответствии с планом работы за третий год выполнения работ по проекту были разработаны и исследованы методы формирования сложных локально-неоднородных перестраиваемых конфигураций лазерных векторных пучков, представляющих собой периодически повторяющиеся участки с различной ориентацией локальной линейной/эллиптической поляризации. Были предложены два метода – один из них основан на острой фокусировке структурированных лазерных пучков, которые задаются через две поперечные компоненты поля, второй основан на использовании многолучевой интерференции Гауссовых пучков с различающимися состояниями поляризации. В первом из данных методов можно управлять такими параметрами сформированных распределений поляризации поля, как соотношение осей (эллиптичность) формируемого эллипса поляризации, его ориентация и направление вращения вектора поляризации в каждой точке сфокусированного светового поля. Второй метод позволяет формировать световые поля с различными изменениями состояний поляризаций от точки к точке, включая формирование массивов ортогонально поляризованных точек, что позволяет использовать данный метод для реализации систем подавления морфологии лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (ЛИППС). Для разработанных методов были предложены оптические схемы на базе 4-f оптической системы с пространственной фильтрацией амплитуды и поляризации мультиплексированных лазерных пучков, которые могут быть легко внедрены в существующую систему лазерной обработки с использованием фемтосекундного лазера. Все необходимые элементы, выполняющие как разделение исходного лазерного пучка, так и его фильтрацию были спроектированы, изготовлены методами литографии в комбинации с плазмохимическим травлением и исследованы. При этом были рассмотрены поляризационные фильтры наиболее интересные с точки зрения возможности их использования для реализации подавления морфологии ЛИППС, для чего был исследован целый набор различных комбинаций трех- и четырех пучковой интерференции линейно и циркулярно поляризованных Гауссовых пучков. А также исследованы методы реализации поляризационных фильтров, которые позволяли бы формировать такие комбинации пучков за счёт использования полу-, четверть волновых пластинок, а также q-волновых пластинок и секторных поляризационных пластинок. Были систематически исследованы особенности наноструктурирования поверхностей различных практически значимых материалов (включая монокристаллический кремний, селенид галлия, нержавеющая сталь, латунь и т.д.) с использованием различных конфигурация лазерных пучков с варьируемым профилем распределения интенсивности и поляризации. На основе проведенных исследований и комплексного теоретического анализа была впервые выявлена тесная корреляция между электромагнитными процессами, доминирующими при формировании регулярных суб-волновых ЛИППС в результате интерференции падающих и поверхностных волн, и гидродинамическими процессами, связанными с развитием гидродинамических неустойчивостей и приводящими к формированию супра-волновых морфологий. Кроме того, было продемонстрировано, что использование пучков с требуемым профилем распределения интенсивности и поляризации позволяет контролировать наноморфологию поверхности в процессе фс-лазерного наноструктурирования, в том числе, усиливать или подавлять формирование упорядоченных ЛИППС (а также неупорядоченных супра-волновых структур), а также получать новые типы перспективных поверхностных наноструктур с более комплексной морфологией. На основе исследований лазерно-индуцированных трансформаций, возникающих при текстурировании поверхности монокристаллического кремния и селенида галлия, а также систематических исследований оптических (антиотражающих) характеристик формируемых наноморфологий были выявлены и отработаны оптимальные режимы создания и тиражирования функциональных поверхностных нанотекстур. В качестве демонстрации практической значимости разработанных решений, оптимальные режимы наноструктурирования были использованы для формирования антиотражающих наноструктур на поверхности активной области вертикального кремниевого фотодетектора, обеспечивая увеличение фото-оклика устройства в ближней ИК области спектра, в том числе, в диапазоне прозрачности кремния на длинах волн >1100 нм за счет формирования дефектного поглощающего слоя. Кроме этого, было показано, что изготовленные на гранях нелинейных кристаллов селенида галлия антиотражающие структуры в виде ЛИППС, позволяют увеличить прозрачность кристалла на 20%, а также производить их многоуровневую цветовую маркировку. Таким образом, в рамках реализации запланированных исследований были предложены и реализованы различные эффективные подходы для формирования векторных лазерных полей со сложной локально неоднородной поляризационной структурой, а также отработаны методы фемтосекундного лазерного наноструктурирования поверхностей практически значимых материалов с использованием комплексных световых полей. Результаты, полученные в отчетный год выполнения проекта, опубликованы в ведущих международных журналах (The Journal of Physical Chemistry Letters, Photonics, отправлена статья в Advanced Materials Technologies), а также представлены на ведущих международных конференциях в области лазерной обработки материалов - SPIE Photonics Asia и Advanced Laser Technologies 2023, что подтверждает их высокую научную и практическую ценность.