КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

НазваниеМетоды формирования и мультиплексирования векторных лазерных пучков для сверхбыстрого фемтосекундного лазерного нанотекстурирования поверхностей

РуководительХонина Светлана Николаевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук", г Москва

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Аннотация
Взаимодействие сверхкоротких лазерных импульсов с поверхностью твердых тел инициирует в них сложную цепочку различных физико-химических процессов, приводящих к изменению морфологических, структурных и химических свойств обрабатываемой поверхности. Помимо сверхточного абляционного удаления материала по заданному шаблону, особый практический интерес также представляет получение в процессе лазерной записи упорядоченного на субмикронной шкале поверхностного микро- и нанорельефа (лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры, (ЛИППС)), возникающего за счет сверхбыстрых оптических интерференционных эффектов и/или самоорганизации на наномасштабе. Простота и универсальность такой технологии изготовления, предполагающей быстрое сканирование образца лазерным пучком и обеспечивающей возможность формирования ЛИППС на поверхности различных по природе и составу материалов, уже несколько десятков лет стимулирует как существенный научный интерес к изучению соответствующих лазерно-индуцированных эффектов, так и обуславливает практическую значимость такого подхода, позволяющего создавать уникальные многофункциональные материалы для оптических, биологических и медицинских приложений. Морфологией ЛИППС, главным образом определяющей функциональные свойства и спектр потенциальных применений, можно управлять (подавлять или усиливать) за счет тщательного контроля распределения интенсивности и поляризации в лазерном пучке. Таким образом, разработка простых и эффективных методов генерации пучков с возможностью управления его комплексной структурой является ключом к дальнейшему развитию данной технологии лазерной обработки, способной как расширить ее функционал, так и углубить понимание физики явлений, лежащих в основе формирования ЛИППС. Вместе с тем, перспективной, однако еще не реализованной является возможность «умного» мультиплексирования (размножение/разделения) лазерных пучков на несколько десятков/сотен и даже тысяч отдельных пучков с сохранением возможности управления комплексной структурой каждого отдельного пучка, которая потенциально позволяет достичь высоких скоростей лазерной обработки, необходимых для большинства практических приложений. Данный проект направлен на разработку комплексных подходов к генерации векторных лазерных пучков, обеспечивающих контроль профиля распределения интенсивности и поляризации при их распространении и фокусировке, а также возможность последующего мультиплексирования таких пучков с сохранением особенностей их пространственной и поляризационной структуры. Получение векторных пучков с управляемой комплексной структурой позволит впервые реализовать на практике сверхбыстрое параллельное лазерное текстурирование поверхности различных практически значимых материалов. Возможность манипуляции комплексных распределений поляризации в лазерном пучке обеспечит обратную связь, способную контролировать наноморфологию получаемой поверхности, например усиливать или подавлять формирование ЛИППС в заданной точке в процессе лазерной записи. В качестве демонстрации эффективности и уникальности такого подхода будет продемонстрировано изготовление антиотражающих и селективно отражающих покрытий, поверхностей с управляемой и направленной смачиваемостью, микрофлюидных каналов, а также сенсорных элементов для проведения бесконтактной неинвазивной биоидентификации методами спектроскопии комбинационного рассеяния. Выработанные в ходе реализации проекта научно-технические решения в области дизайна комплексных световых полей с управляемой поляризационной структурой, в том числе, доступными методами дифракционной оптики, будут интересны широкому кругу специалистов как в области разработки сложных оптических систем, так в области фундаментальных и прикладных исследований, направленных на детальное изучение взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Ожидаемые результаты
Основным результатом реализации проекта станут разработанные и оптимизированные под задачи прямого лазерного нанотекстурирования методы формирования векторных лазерных пучков, обеспечивающих контроль профиля распределения интенсивности и поляризации при их распространении и фокусировке, а также возможность последующего гибкого мультиплексирования таких пучков с сохранением особенностей их пространственной и поляризационной структуры. Возможность “умного” мультиплексирования комплексных световых пучков с сохранением возможности динамической настройки поляризационной структуры каждого отдельного пучка позволит не только добиться сверхбыстрой параллельной лазерной обработки поверхности и записи функциональных элементов со сложной морфологией в один проход, но и возможности управления локальной наноморфологией поверхности, например, за счет усиления или подавления процесса формирование ЛИППС в заданной точке в процессе лазерной записи, обосновывая тем самым существенную практическую значимость предлагаемых исследований. Научная значимость проекта обусловлена тем фактом, что разработка обобщенных подходов к формированию сложных конфигураций световых полей с заданной и динамически управляемой поляризационной структурой обеспечит важный инструмент для проведения детальных исследований фундаментальных механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом и их влияния на морфологию облучаемой поверхности. К практически значимым результатам также можно отнести изготовленные с использованием разработанной технологии лазерной записи антиотражающие и селективно отражающие покрытия, гибридные поверхности с управляемой и направленной смачиваемостью, микрофлюидные каналы, а также сенсорные элементы для проведения бесконтактной неинвазивной биоидентификации методами спектроскопии комбинационного рассеяния. Общественная значимость проекта заключается в том, что он направлен на развитие нового направления исследований с высоким уровнем научной и прикладной составляющей на стыке интенсивно развивающихся областей фемтосекундной лазерной обработки поверхностей и разработки способов формирования комплексных световых полей, которые могут быть использованы в реальных системах лазерной обработки излучением гигаваттной мощности, где применение жидкокристаллических модуляторов света невозможно. Фундаментальные и прикладные результаты, полученные в рамках реализации настоящего проекта позволят вывести эти важные исследования на новый уровень. Учитывая нарастающий тренд использования лазерных технологий в различных областях производства, а также непрерывное увеличение средней мощности коммерческих фемтосекундных лазеров, результаты проекта будут интересны широкому кругу специалистов как в области разработки сложных оптических систем, так в области фундаментальных и прикладных исследований, направленных на детальное изучение взаимодействия лазерного излучения с веществом и его использования для получения уникальных функциональных материалов для оптических, биологических и медицинских приложений. Междисциплинарный характер предлагаемого исследования будет способствовать эффективной передаче накопленного опыта и наработок в соответствующих областях знаний молодым специалистам, студентам и аспирантами, а также повышению уровня проводимых научных исследований и качества публикаций. Полученные в ходе выполнения проекта результаты будут оригинальными и конкурентно-способными на мировом уровне, что будет подтверждено публикациями в высокорейтинговых международных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и SCOPUS, а также публикацией монографии или обзорной статьи по тематике проекта. Кроме того, результаты, полученные в ходе выполнения настоящего проекта, будут внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлениям фотоники, прикладной математики и прикладной физики и помогут студентам получить самую актуальную информацию в области исследования взаимодействия лазерного изулучения с веществом, методов прямой лазерной импульсной записи и наноструктурирования, а также в области моделирования распространения и фокусировки структурированных лазерных пучков с заданным профилем.

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.

Публикации

1. Бородаенко Ю., Сюбаев С., Гурбатов С., Жижченко А., Порфирьев А., Хонина С., Мицай Э., Герасименко А. В., Шевлягин А., Модин А., Йодказис С., Гуревич Е. Л., Кучмижак А. А. Deep subwavelength laser-induced periodic surface structures on silicon as a novel multifunctional biosensing platform ACS Applied Materials & Interfaces, Vol. 13, №. 45, P. 54551–54560 (год публикации - 2021).

2. Хонина С. Н., Порфирьев А. П., Волотовский С. Г., Устинов А. В., Фомченков С. А., Павельев В. С., Шретер С., Дюпарре М. Generation of multiple vector optical bottle beams Photonics, Vol. 8, № 6, P. 218 (год публикации - 2021).

3. Хонина С.Н., Голуб И. Breaking the symmetry to structure light Optics Letters, Vol. 46, № 11, P. 2605-2608 (год публикации - 2021).

4. Хонина С.Н., Дегтярев С.А., Устинов А.В., Порфирьев А.П. Metalenses for the generation of vector Lissajous beams with a complex Poynting vector density Optics Express, Vol. 29, № 12, P. 18634-18645 (год публикации - 2021).

5. Хонина С.Н., Порфирьев А.П. Harnessing of inhomogeneously polarized Hermite–Gaussian vector beams to manage the 3D spin angular momentum density distribution Nanophotonics, V. 10, № 18 (год публикации - 2021).

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.

Публикации

1. Хонина С.Н., Голуб И. Vectorial spin Hall effect of light upon tight focusing Optics Letters, Vol. 47, No. 9, P. 2166-2169 (год публикации - 2022).

2. Хонина С.Н., Казанский Н.Л., Бутт М.А., Карпеев С.В. Optical multiplexing techniques and their marriage for on-chip and optical fiber communication: a review Opto-Electronic Advances, Vol. 5, No.8m P. 210128 (год публикации - 2022).

3. Хонина С.Н., Порфирьев А.П., Устинов А.В., Кириленко М.С., Казанский Н.Л. Tailoring of Inverse Energy Flow Profiles with Vector Lissajous Beams Photonics, Vol. 9, No. 2, P. 121 (год публикации - 2022).