Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Предложена и реализована новая концепция управления кремниевыми наночастицами с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Экспериментально показано, что высоко-энергетичные световые импульсы способны существенно изменять характеристики кремниевых наночастиц, что приводит к динамическому управлению диаграммой направленности рассеяния света. Внутри наночастицы формируется электронно-дырочная плазма, наличие которой сильно влияет на диэлектрическую проницаемость кремния. Экспериментально продемонстрировано существование резонансов Фано в диэлектрических олигомерах. Показано теоретически, что резонансы Фано в гептамерных структурах, связаны с магнитным дипольным резонансом центральной частицы. Этот вывод подтверден экспериментально в ближней и дальней зонах излучения. Исследовано рассеяние вперед и фазовое распределение поля в окрестности структуры. Проведен анализ основанный на приближении связанных диполей, что позволило четко определить конкретные моды структуры соответствующие резонансным явлениям интерференции. Продемонстрирован новый тип Фано резонанса в гексамере без центрального частицы. Используя мультипольный анализ показано, что этот тип резонанса происходит от интерференции электрических мод, давая тем самым асимметричный профиль из-за наличия конструктивной и деструктивной интерференции. Результаты теоретического и численного анализа находятся в хорошем согласии. В ходе выполнения проекта существенно развита методология лазерной 2D печати диэлектрических нанорезонаторов. В частности, впервые реализована лазерная 2D печать кристаллических наночастиц из тонкой аморфной пленки. Полная кристаллизация доказана при помощи методов Рамановской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Это чрезвычайно важно для создания оптических нанорезонаторов с низким уровнем нерадиационных потерь. У напечатанных кремниевых нанорезонаторов экспериментально продемонстрирован резонансный магнитный оптический отклик в видимой области (400 – 750 нм). Результаты измерений спектров рассеяния подтверждаются численными расчетами сечения рассеяния и распределения ближнего электромагнитного поля возле и внутри наночастиц. Помимо развития известного ранее метода лазерной печати наночастиц, разработан новый метод прямой фемтосекундной лазерной записи наночастиц из тонких пленок полупроводников и металлов на стеклянных подложках. Запись наночастиц происходит за счет неустойчивого поведения расплавленной области пленки, которая вырезается острофокусированным лазерным пучком. Данный метод превосходит большинство распространенных литографических методов (ионное травление сфокусированным пучком, электронно-лучевую литографию, УФ-литографию и др.) по таким параметрам как стоимость и производительность. По сравнению с химическими методами наш метод нетоксичен и позволяет сразу создавать упорядоченные массивы из нанообъектов. Также новый метод подходит как для металлов, так и для полупроводников. Для более строгого описания механизмов формирования наночастиц при помощи нового метода создана гидродинамическая модель, рассчитывающая временную динамику эволюции расплавленной наночастицы, вырезанной и нагретой лазером. Изучен переход между фотонными кристаллами и диэлектрическими метаматериалами и введено понятие фазовой диаграммы, основанной на физике резонансов Ми и Брегга. Показано, что периодический фотонный кристалл превращается в метаматериал, когда резонанс Ми опускается ниже самой низкой запрещенной зоны. В этом случае подход гомогенизации может быть оправдан и эффективная проницаемость метаматериала становится отрицательной. Теоретический подход подтверждается микроволновыми экспериментами на структуре, состоящей из трубок, заполненных подогреваемой водой. Этот анализ дает глубокое понимание свойств периодических структур, а также предоставляет полезный инструмент для проектирования различных классов электромагнитных материалов с изменяемыми параметрами.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Нами разработана новая платформа фотонных устройств на основе диэлектрических наноантенн в оптическом диапазоне, и исследовано применение фемтосекундных лазерных технологий для создания сверхбыстрых оптических наноустройств на их основе. Впервые продемонстрирован принцип работы сверхбыстрого оптического модулятора на основе одиночной кремниевой наночастицы, созданной и управляемой фемтосекундными лазерными импульсами. Предложен концептуально новый принцип модуляции за счет перестройки диаграммы направленности рассеянного модулируемого лазерного импульса. Это принципиально отличается от предложенных ранее аналогов, работающих на основе модуляции коэффициента поглощения материала модулятора. Быстродействие продемонстрированного оптического ключа составило порядка нескольких пикосекунд, а глубина модуляции сигнала составила 20%. Это соответствует скорости модуляции оптического сигнала на уровне 100-1000 ГГц, что на несколько порядков быстрее современных электронных аналогов в то время как общий размер предлагаемого устройства составляет менее 200 нм. Впервые показана возможность прецизионной лазерной перестройки диаграммы направленности рассеяния одиночной «гибридной» (металло-диэлектрической) наноантенны, состоящей из кремниевой и золотой наночастиц, во всем видимом диапазоне. Основополагающим принципом для данной новой технологии является селективная термоиндуцированная деформация металлической части наноантенны в то время как полупроводниковая остается неизменной. В данном случае происходит быстрая (несколько наносекунд) полная перестройка диаграммы направленности наноантенны и смещение положения ее резонансов во всем видимом диапазоне. Это открывает возможность сверхплотной оптической записи цветовой информации со скоростями присущими самым передовым лазерным технологиям. Нами успешно разработан ряд методов высокопроизводительной фабрикации различных диэлектрических и гибридных структур для задач нанофотоники, что позволяет говорить не только о высоком фундаментальном, но и о прикладном значении выполненных работ. Мы экспериментально доказали, что лазерное изготовление наночастиц из кристаллического кремния (с малыми потерями), поддерживающих магнитный резонанс Ми, может быть выполнено из аморфной (с высокими потерями) а-Si:H пленки, что делает ненужным использование первоначально кристаллического материала или дополнительного отжига. Кроме того, мы показали, что магнитная дипольная мода кремниевых наночастиц имеет намного более сильное влияние на рамановское рассеяние по сравнению с электрической модой. В частности, мы наблюдали 140-кратное усиление рамановского сигнала от отдельных кремниевых наносфер на магнитном резонансе из-за большего модового числа магнитной моды Ми-типа по сравнению с электрической модой. Наши результаты показывают важность магнитного оптического отклика субволновых диэлектрических наночастиц для явлений взаимодействия света с веществом и могут применяться в конструировании рамановских лазерных генераторов, биоимиджинге и средств доставки лекарств.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Мы предложили очень компактную конструкцию для лазерного резонатора на основе идеальных отражателей с полностью диэлектрической метаповерхностью. Мы продемонстрировали, что идеальный отражатель с полной диэлектрической поверхностью повышает коэффициент качества и снижает пороговую мощность. Мы предложили новую стратегию для самосборки крупномасштабных резонансных метаповерхностей, где падающие фемтосекундные лазерные импульсы корректируют исходные пленки кремния с помощью удельной поверхностной деформации как можно более резонансной для данной длины волны. Саморегулирующийся подход исключает необходимость многоступенчатой литографии и проектирования, поскольку интерференция между падающей и рассеянной частями каждого лазерного импульса «отпечатывает» резонансное распределение поля внутри пленки. Самонастраивающиеся метаповерхности демонстрируют высокий порог повреждения (≈1012 Вт см-2) и эффективное преобразование частоты от ближнего ИК до глубокого УФ. Эффективность конверсии в 30 раз выше по сравнению с нерезонантными гладкими пленками Si. Полученные метаповерхности позволяют генерировать УФ-фемтосекундные лазерные импульсы на длине волны 270 нм с высоким пиком и средней мощностью (≈105 Вт и ≈1,5 мкВт соответственно). Результаты прокладывают путь к созданию сверхтонких нелинейных метадавз, работающих при высоких интенсивностях лазера для эффективной глубокой УФ-генерации в наномасштабе. Мы предложили и продемонстрировали новый тип гибридных олигомеров, состоящий из асимметричных наночастиц металл-диэлектрик (Au / Si) с резким резонансом Фано в видимом диапазоне, который имеет преимущественно магнитное происхождение. Мы продемонстрировали как численно, так и экспериментально, что такие гибридные олигомеры наночастиц позволяют тонко настраивать резонанс Фано посредством индуцированного fs-лазером плавления наночастиц Au в нанометровом масштабе. Мы показали, что резонансную длину резонанса Фано можно изменить очень точно (в пределах 15 нм) с помощью релаксации fs-лазера, сопровождающейся реконфигурацией ее профиля. Мы предложили новый тип сильно перестраиваемых полностью диэлектрических наноантенн Яги-Уды, состоящий из цепи наночастиц Si, возбуждаемых электрическим дипольным источником, которые позволяют настраивать их излучающие свойства посредством электронно-дырочного плазменного фотовозбуждения. Мы теоретически и численно продемонстрировали настройку моделей мощности излучения и эффекта Перселла путем дополнительной накачки нескольких пограничных наночастиц с относительно малыми пиковыми интенсивностями fs-лазера.