Генерация заданных 2D- и 3D-мерных конфигураций световых полей для высокоэффективного возбуждения 2D- и 3D-мерных плазмонных резонансных структур для поверхностно-усиленной спектроскопии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-12-01258

НазваниеГенерация заданных 2D- и 3D-мерных конфигураций световых полей для высокоэффективного возбуждения 2D- и 3D-мерных плазмонных резонансных структур для поверхностно-усиленной спектроскопии

Руководитель Хонина Светлана Николаевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" , Самарская обл

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова поверхностно-усиленная спектроскопия, резонансные плазмонные структуры, фазовая сингулярность, радиальная и азимутальная поляризация, острая фокусировка, лазерная нанофабрикация, нано- и фемтосекундные лазерные импульсы

Код ГРНТИ29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Структурированные лазерные пучки - термин, который часто используется для описания световых полей с определённой конфигураций распределения комплексной амплитуды или поляризации. Такие пучки в последнее десятилетие получили широкое распространение в области оптических и квантовых коммуникаций [Yao A.M., and Padgett M.J., Adv.Opt. Photon. 3, 161(2011)], лазерной обработки материалов [Hnatovsky C., et al, Phys.Rev.Lett 106, 123901 (2011)], оптической микроскопии [Fahrbach F.O. et al., Nat.Photonics 4, 780 (2010)] и биофотоники [Dholakia et al., Nat.Photonics 5, 335 (2011)]. Возможность управления не только распределением интенсивности формируемого лазерного пучка, но также и его фазовым распределением и поляризацией является критически важным при выполнении нанотекстурирования с целью создания так называемых метапокрытий или метаповерхностей. Метаповерхности дают возможность создания функциональных элементов "планарной фотоники" и в настоящее время активно исследуются многими научными группами по всему миру. Лазерная нанофабрикация позволяет упростить процедуру изготовления таких покрытий и существенно увеличить её скорость (что было показано, в том числе, и в экспериментальных исследованиях авторов проекта). Управление такими характеристиками лазерного излучения как амплитудное и фазовое распределение в пучке, а также его поляризационным состоянием во время реализации процедуры структурирования позволяет формировать плазмонные структуры с кардинально отличающимися топологиями. Дифракционная оптика даёт возможность осуществлять такой контроль с помощью одиночных дифракционных оптических элементов и их комбинаций. Известна также возможность изменения структуры формируемого светового поля за счёт перестройки размеров лазерного пучка, освещающего дифракционный оптический элемент. Заметим, однако, что комплексное влияние упомянутых выше характеристик лазерного излучения на структуру формируемых двух- и трёхмерных конфигураций наноструктур до сих пор исследовано слабо. В основном влияние характеристик лазерных пучков на структуру сформированных метаповерхностей исследуется по отдельности. Очевидно, что комплексный учёт всех параметров обеспечит возможность всестороннего контроля за процессом формирования плазмонных наноэлементов и позволит осуществлять оптимизацию их структуры в зависимости от требований, предъявляемых к их функциональности. Кроме того, дифракционные элементы, формирующие структурированные лазерные пучки, могу быть использованы не только на этапе лазерной фабрикации метаповерхностей и метапокрытий, но также и на этапе их анализа и оценивания/тестирования. Так, известны методы, когда, например, вихревые лазерные пучки были использованы для зондирования структуры изготовленных метаповерхностей (Hu Y. etal., Opt. Express 24, 26249 (2016)). При этом, в частности, согласование формы такого «зондирующего» лазерного пучка с пространственной структурой исследуемого наноэлемента позволит повысить эффективность возбуждения двумерных плазмонных резонансных структур за счёт уменьшения потерь при рассеивании света на участках поверхности не подвергнутой структурированию. Лазерные пучки с усиленной продольной компонентой электрического поля, возникающей при острой фокусировке, может быть использованы для объемного возбуждения плазмонных 3D-структур. Авторы настоящего проекта предлагают всесторонне исследовать влияние амплитудных, фазовых и поляризационных характеристик структурированных световых полей на процесс формирования двух- и трёхмерных плазмонных резонансных структур и процесс их возбуждения. Поэтапная оптимизация этих характеристик позволит максимизировать эффективность возбуждения резонансных плазмонных структур и выйти на практическую реализацию био- и хемосенсоров, принцип действия которых основан на поверхностно-усиленной спектроскопии. Наличие у сформированного коллектива большого опыта в области формирования структурированных лазерных пучков с заданными двух- и трёхмерными конфигурациями световых полей с помощью элементов дифракционной оптики; лазерной нанофабрикации как отдельных наноэлементов, так и их упорядоченных массивов, а также в области оптического и спектроскопического анализа таких элементов предполагает успешное выполнение задач проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Хонина С.Н., Устинов А.В., Порфирьев А.П. Aberration laser beams with autofocusing properties Applied Optics, Vol. 57, No. 6, P. 1410-1416 (год публикации - 2018)
10.1364/AO.57.001410

2. Хонина С.Н., Голуб И. Tighter focus for ultrashort pulse vector light beams: change of the relative contribution of different field components to the focal spot upon pulse shortening Journal of the Optical Society of America A, Vol. 35, No. 6, P. 985-991 (год публикации - 2018)
10.1364/JOSAA.35.000985

3. Дегтярев С.А., Волотовский С.Г., Хонина С.Н. Sublinearly chirped metalenses for forming abruptly autofocusing cylindrically polarized beams Journal of the Optical Society of America B, Vol. 35, No. 8, P. 1963-1969 (год публикации - 2018)
10.1364/JOSAB.35.001963

4. Хонина С.Н., Устинов А.В., Фомченков С.А., Порфирьев А.П. Formation of hybrid higher-order cylindrical vector beams using binary multi-sector phase plates Scientific Reports, Vol. 8, P. 14320 (год публикации - 2018)
10.1038/s41598-018-32469-0

5. Порфирьев А.П., Фомченков С.А., Хонина С.Н. Diffractive optical elements for generation and transformation of structured laser beams Proceedings of SPIE, Vol. 10690, P. 106900U (год публикации - 2018)
10.1117/12.2313725

6. Порфирьев А.П., Фомченков С.А. A modified Gerchberg-Saxton algorithm for design diffractive optical elements generating light distributions with submicron features Proceedings of SPIE, Vol. 10690, P. 106902T (год публикации - 2018)
10.1117/12.2313792

7. Порфирьев А.П., Дегтярев С.А., Хонина С.Н. Investigation of focusing features of a spiral binary axicon Proceedings of SPIE, Vol. 10717, P. 107170L (год публикации - 2018)
10.1117/12.2315203

8. Порфирьев А.П., Фомченков С.А., Хонина С.Н. Experimental investigation of complex circular Airy beam characteristics Proceedings of SPIE, Vol. 10717, P. 107170Q (год публикации - 2018)
10.1117/12.2315202

9. Сюбаев С., Жижченко А., Витрик О., Порфирьев А., Фомченков С., Хонина С., Кудряшов С., Кучмижак А. Chirality of laser-printed plasmonic nanoneedles tunable by tailoring spiral-shape pulses Applied Surface Science, Vol. 470, P. 526-534 (год публикации - 2019)
10.1016/j.apsusc.2018.11.128

10. Кудряшов С.И., Данилов П. А., Порфирьев А. П., Сараева И. Н., Руденко А. А., Буслеев Н. И., Уманская С. Ф., Кучмижак А. А., Заярный Д. А., Ionin А. А., Хонина С. Н. Symmetry-wise nanopatterning and plasmonic excitation of ring-like gold nanoholes by structured femtosecond laser pulses with different polarizations Optics Letters, V. 44, № 5, P. 1129-1132 (год публикации - 2019)
10.1364/OL.44.001129

11. Сараева И.Н., Кудряшов С.И., Леднёв В.Н., Макаров С.В., Першин С.М., Руденко А.А., Заярный Д.А, Ионин А.А. Single- and multishot femtosecond laser ablation of silicon and silver in air and liquid environments: Plume dynamics and surface modification Applied Surface Science, V. 476, P. 576-586 (год публикации - 2019)
10.1016/j.apsusc.2019.01.092

12. Хонина С.Н., Устинов А.В. Increased reverse energy flux area when focusing a linearly polarized annular beam with binary plates Optics Letters, V. 44, № 8, З. 2008-2011 (год публикации - 2019)
10.1364/OL.44.002008

13. Хонина С.Н., Голуб И. Generation of an optical ball bearing facilitated by coupling between handedness of polarization of light and helicity of its phase Journal of the Optical Society of America B, V. 36, № 8, P. 2087-2091 (год публикации - 2019)
10.1364/JOSAB.36.002087

14. Буслеев Н. И., Кудряшов С. И., Данилов П. А., Порфирьев А. П., Сараева И. Н., Руденко А. А., Уманская С. Ф., Кучмижак А. А., Заярный Д. А., Ионин А. А., Хонина С. Н. Plasmon excitation of gold split-ring array: spectral studies and numerical simulation Laser Physics Letters, V. 16, P. 066007 (год публикации - 2019)
10.1088/1612-202X/ab1d47

15. Буслеев Н. И., Кудряшов С. И., Данилов П. А., Порфирьев А. П., Сараева И. Н., Руденко А. А., Уманская С. Ф., Заярный Д. А., Ионин А. А., Хонина С. Н. Symmetric nanostructuring and plasmonic excitation of gold nanostructures by femtosecond Laguerre – Gaussian laser beams Quantum Electronics, V. 49, P. 666 (год публикации - 2019)
10.1070/QEL16888

16. Хонина С.Н., Порфирьев А.П., Устинов А.В., Фомченков С.А. Polarization Transformation Using Thin Optical Elements. Chapter 2 in Advances in Optics: Reviews. Book Series, Vol. 4 International Frequency Sensor Association (IFSA) Publishing, Barcelona, Spain, Advances in optics: Reviews. Book Seriew, Volume 4, Chapter 2, P. 31-76 (год публикации - 2019)

17. Порфирьев А.П. Modification of the Gerchberg-Saxton algorithm for the generation of specle-reduced intensity distributions of micrometer and submicrometer dimensions Optik, V. 195, P. 163163 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijleo.2019.163163

18. Сюбаев С.А., Жижченко А.Ю., Павлов Д.В., Гурбатов С.О., Пустовалов Е.В., Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Кулинич С.А., Рэйаппан Й.Б.Б., Кудряшов С.И., Кучмижак А.А. Plasmonic Nanolenses Produced by Cylindrical Vector Beam Printing for Sensing Applications Scientific Reports (год публикации - 2019)

19. Порфирьев А.П., Хонина С.Н. Generation of azimuthally modulated circular superlinear Airy beams Journal of the Optical Society of America B, Vol. 34, Issue 12, pp. 2544-2549 (год публикации - 2017)
10.1364/JOSAB.34.002544

20. Сюбаев С., Порфирьев А., Жижченко А., Витрик О., Кудряшов С., Фомченков С., Хонина С., Кучмижак А. Zero-orbital-angular-momentum laser printing of chiral nanoneedles Optics Letters, Vol. 42, Issue 23, pp. 5022-5025 (год публикации - 2017)
10.1364/OL.42.005022

21. Хонина С.Н., Устинов А.В. Fractional Airy beams Journal of the Optical Society of America A, Vol. 34, Issue 11, pp. 1991-1999 (год публикации - 2017)
10.1364/JOSAA.34.001991

22. Данилов П.А., Сараева И.Н., Кудряшов С.И., Порфирьев А.П., Кучмижак А.А., Жижченко А.Ю., Руденко А.А., Уманская С.Ф., Заярный Д.А., Ионин A.A., Хонина С.Н. Поляризационно-селективное возбуждение люминесценции красителя на золотой пленке структурированными ультракороткими лазерными импульсами Письма в ЖЭТФ, Vol. 107, issue 1 (год публикации - 2018)

23. Кириленко М.С., Хонина С.Н. Formation of signals matched with vortex eigenfunctions of bounded double lens system Optics Communications, Vol. 410, pp. 153-159 (год публикации - 2018)
10.1016/j.optcom.2017.09.060

Публикации