Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В проекте продолжалась разработка основ нового научного направления – углеродной фотоники. Суть его заключается в создании, исследовании свойств и тестировании оптических элементов и устройств на базе уникальных синтетических углеродных материалов: CVD моно, поли и нанокристаллического алмаза, одностенных углеродных нанотрубок и графена. Исследования велись по следующим основным направлениям: Исследовалась абляция поликристаллического алмаза 1 пс и 10 нс лазерными импульсами на длине волны 1030 нм. Основной целью экспериментов являлось повышение производительности и качества абляционной микрообработки поверхности алмаза с помощью предварительного нанесения на поверхность алмаза тонкого слоя титана или графита. В ходе экспериментов анализировалась зависимость глубины кратера от числа импульсов, изменение прозрачности облучаемой области для лазерных импульсов, а также измерялись спектры комбинационного рассеяние (КР) в центре пятна облучения. Данные спектроскопии КР использовались для определения коэффициента пропускания графитизированного слоя, формирующегося на поверхности алмаза в процессе облучения. Установлено, что нанесение на поверхность алмаза поглощающего слоя практически не влияет на скорость его абляции пикосекундными импульсами, а также на минимальную необходимую для абляции плотность энергии (~1 Дж/см^2). Напротив, применительно к наносекундным импульсам оба протестированные поглощающие покрытия снижают пороговую плотность энергии для начала абляции больше, чем на порядок величины – с >40 Дж/см^2 до ~3 Дж/см^2. При этом наносекундные импульсы обеспечивают примерно в 5 раз более высокую производительность (скорость абляции), чем пикосекундные импульсы при том же значении падающей плотности энергии. При микроструктурировании алмаза пикосекундными импульсами только предварительная графитизации поверхности алмаза позволяет рассчитывать на то, что удастся избежать лазерно-индуцированного пробоя внутри образца благодаря ускоренному формированию самоподдерживающегося графитизованного слоя. Однако, учитывая сравнительно высокое пропускание этого слоя (по оценкам, ~34% для λ =1030 нм), плотность энергии в этом случае не должна сильно превышать порог оптического пробоя в объеме алмаза (0.6-0.8 Дж/см^2). В случае же наносекундных импульсов, значительное снижение порога абляции при использовании начального поглощающего покрытия позволяет проводить микроструктурирование поверхности алмаза при плотностях энергии намного ниже порога оптического пробоя алмаза, что гарантирует отсутствие внутренних лазерно-индуцированных повреждений. Продемонстрирована возможность применения низкокогерентной оптической интерферометрии для контроля локальной лазерной обработки поверхности алмаза. Бесконтактное измерение оптической толщины пластин монокристаллического алмаза осуществлялось непосредственно в процессе воздействия на поверхность мощного импульсно-периодического лазерного излучения. Исследована динамика утонения монокристалла в двух принципиально различных режимах лазерного травления поверхности: абляционном (эксимерный KrF лазер, 248 нм, 20 нс) и наноабляционном (Ti-сапфир лазер, 266нм, 100 фс). Проведенные исследования показали возможность применения низкокогерентной интерферометрии для локального бесконтактного измерения оптической толщины монокристаллических пластин алмаза и для прецизионного on-line контроля лазерного травления этих пластин, например, при изготовлении дифракционных оптических элементов и элементов нанофотоники. Показано, что данный метод может быть использован для on-line контроля лазерного структурирования поверхности в обоих режимах лазерного воздействия на алмаз: испарительной абляции и фотостимулированной наноабляции. В режиме реального времени достигнута точность контроля глубины воспроизводимого рельефа не хуже 10 нм, что открывает путь к автоматизации процессов лазерного профилирования, микро и наноструктурирования прозрачных сверхтвердых материалов На предыдущих этапах проекта было разработана технология создания составной преломляющей алмазной линзы, основанная на вырезании в алмазной пластине ряда сквозных отверстий с помощью импульсной лазерной абляции. Исследуя форму созданных линз, мы обнаружили отклонение реза от вертикали (т.е. от перпендикуляра к поверхности исходной пластины), оцененное на уровне ~1.7°, что оказалось основным фактором, снижающим фокусирующую силу алмазной линзы. Для решения поставленной проблемы были проведены многочисленные эксперименты по резке поликристаллической алмазной пластины толщиной 610 мкм 1 пс импульсами с частотой следования 200 кГц на длине волны 1030 нм. В ходе исследований было установлено, что форма реза близка к прямоугольной, но имеет ряд отклонений: 1) небольшое расширение верхней части реза, распространяющееся на глубину до 150 мкм, и 2) сужение нижней части реза (до 200 мкм от нижней поверхности). Первое отклонение от прямоугольной формы, обусловленное воздействием низкоэнергетичных “крыльев” Гауссовского лазерного пучка, было убрано с помощью специального профилирования интенсивности излучения в поперечном сечении луча. Для подавления второго нежелательного эффекта в процедуру лазерной резки были введены два изменения. Во-первых, в процессе облучения производился равномерный во времени сдвиг фокальной плоскости линзы: от верхней поверхности пластины до середины ее глубины. Во-вторых, была изменена процедура сканирования пучка по поверхности пластины, что позволило избежать преждевременного удаления внутренней части отверстия. Исследована внутренняя структура и проводящие свойства лазерно-индуцированных нитей, созданных в объеме алмазного кристалла посредством 5 пс лазерных импульсов при варьировании энергии в импульсе и скорости транслирования лазерного фокуса сквозь кристалл. Измерено электрическое сопротивление сквозных нитей длиной 0.9 мм, которое в зависимости от условий облучения варьировалось в диапазоне 70 кОм – 2.5 Мом. Продольные сечения нитей, полученные благодаря прецизионной механической полировке ближайшей к нитям грани кристалла, были детально изучены с нанометровым разрешением с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и сканирующей микроскопии растекания заряда (СМРЗ). Выявлено, что внутренняя структура проводящих нитей представляет собой смесь алмазной и графитовой фаз, при этом графитовая фаза локализована внутри множественных трещин, формируя трехмерную сеть графитизированных нанопластин, разделенных алмазными промежутками. В свою очередь, графитовые нанопластины кластеризованы в сегменты размером в несколько микрометров, которые квазипериодически расположены вдоль нити. Обнаружена однозначная корреляция между внутренней структурой и проводящими свойствами лазерно-индуцированных нитей: чем чаще расположены сегменты, тем выше интегральная проводимость нитей. Полученные данные позволяют объяснить существенное различие в электропроводности лазерно-графитизированного материала на поверхности и в объеме алмаза. Продолжено изучение механизмов лазерно-индуцированного формирования NV-центров в монокристалле алмаза и их свойств. Проведены эксперименты по обработке поверхности алмаза 100 фс лазерными импульсами в режиме наноабляции при варьировании параметров излучения: длины волны (266 нм, 400 нм и 800 нм), плотности энергии (0.05-1 Дж/см^2) и дозы облучения (до 20 млн. импульсов). Варьирование длины волны облучения позволило обнаружить четкую корреляцию между поверхностным травлением алмаза и образованием NV комплексов. Процесс наноабляции всегда сопровождался генерацией NV. Если углерод не удалялся с поверхности (как в случае 800 нм облучения), NV центры также не возникали. Показано, что количество центров, созданных в обработанной зоне, с помощью различных источников (2-я и 3-я гармоники) определяется только глубиной кратера. Получены зависимости между скоростью генерации NV-центров и плотностью энергии облучения. Обнаружено, что скорость процесса пропорциональна шестой степени плотности энергии, т.е. 3-ей степени плотности индуцированной в кристалле плазмы. Показано, что ширина безфононных линий NV центров в зоне облучения (около 0,3 нм по полувысоте) не менялась по сравнению с необработанным алмазом. Это свидетельствует об отсутствии лазерно-индуцированного повреждения алмазной решетки. Продемонстрировано, что генерация NV-центров имеет двухстадийный характер: на первом этапе кинетика процесса является линейной, на втором - логарифмической. Указанные наблюдения позволили предложить двухэтапный механизм лазерно-индуцированного формирования NV-центров. На первом этапе лазерное воздействие активирует ковалентные связи в кристалле и в адсорбированных кислородосодержащих молекулах. В результате происходит окисление поверхности, вследствие чего углеродные атомы покидают ее в виде окислов. При этом на поверхности образуются дефекты типа "вакансия", которые затем предположительно диффундируют вглубь кристалла и, реагируя там с замещающим азотом, формируют устойчивые азотно-вакансионные комплексы. Проведены исследования люминесценции образцов легированного алмаза, при возбуждении в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В качестве источника излучения в рентгеновском диапазоне с длиной волны 0,14 и 0,15 нм использовалась трубка с медным анодом. В качестве источника возбуждения в ультрафиолетовой области применялся эксимерный KrF лазер, с длиной волны 248 нм. Люминесценция наблюдалась на алмазных HPHT пластинах, c синтезированным методом плазменно-химического осаждения из газовой фазы тонким алмазным слоем (около 10 мкм), легированным азотом. В результате исследований показано, что под воздействием рентгеновского и ультрафиолетового излучения наблюдается сильная А-полоса люминесценции в исходной HPHT алмазной пластине на длине волны 480 нм. В пластине, с легированным слоем, наблюдается полоса в красной области, отвечающая азотным вакансиям. При этом, при возбуждении рентгеновским излучением, интенсивность пика А-полосы оказывается в 150 раз сильнее сигнала с тонкого легированного слоя. Следующим этапом являлось исследование люминесценции образца, подвергнутого облучению в электронном пучке и последующим отжигом. Полученные данные показали значительное падение интенсивности рентгенолюминесценции подложки с длиной волны 480 нм и усиление люминесценции легированного слоя. Длина волны излучения легированного слоя составляла 610 нм, что соответствует люминесценции азотных вакансий в алмазе. Исследования люминесценции, возбужденной ультрафиолетовым излучением, показывают аналогичные результаты. Интенсивность пика А-полосы становится в 30 раз менее интенсивной, чем полосы, соответствующей сигналу с легированного слоя. Полученные данные показывают перспективность применения данного подхода для создания визуализаторов рентгеновского и ультрафиолетового излучения на основе легированных алмазных пленок. Необходимо отметить, что разработка и испытания алмазного люминесцентного детектора рентгеновского излучения были запланированы на 2018 год, но успешно выполнены досрочно. Разработан и проведен анализ двух способов микропрофилирования кремниевой подложки (темплата) для синтеза CVD алмаз алмазных поверхностных структур методом реплики. В качестве поверхностной структуры был выбран дифракционный оптический элемент (ДОЭ) – делитель пучка 1:3 для длины волны λ=10,6 мкм, который демонстрирует высокую эффективность, как в случае бинарной аппроксимации, так и непрерывной, и представляет практический интерес для использования в оптических схемах с СО_2 лазером. В первом случае на темплате формировался ступенчатый (бинарный) рельеф методом стандартной фотолитографии и химического травления кремния, а во втором – непрерывный волнообразный рельеф с помощью лазерного излучения. В экспериментах использовался дисковый Yb:YAG-лазер с длиной волны 1030 нм и длительностью импульса 1 пс. С помощью трансляционного стола образец перемещался с заданной скоростью относительно лазерного пятна. В результате проведенных экспериментов были определены оптимальные параметры облучения, которые обеспечивали необходимый перепад рельефа за счет варьирования скорости сканирования. Рост алмазной плёнки на поверхности темплатов проходил непрерывно в течение 366 ч в СВЧ-плазмохимическом реакторе. После синтеза алмазных плёнок толщиной 550-860 мкм ростовые стороны были подвергнуты шлифовке и полировке, в результате чего шероховатость была снижена со 150 мкм до 5 нм. Анализ нуклеационной стороны с помощью растровой электронной микроскопии и интерференционного профилометра показал, что высота и период структур, полученные в результате лазерной абляции, с высокой точностью соответствуют расчетным значениям и составляют 3 мкм и 100 мкм соответственно. Для П-образного профиля период и высота структур составили 100 мкм и 4,1 мкм, что также близко к результатам расчета. Однако шероховатость на неполированной нуклеационной стороне оказалась гораздо выше ростовой для обоих видов рельефа: 700 нм для волнообразного, 50 нм для ступенчатого. Шероховатость алмаза 700 нм полностью соответствует шероховатости кремниевого темплата, обработанного лазером, и связана с образованием поверхностных лазерно-индуцированных периодических структур. Испытание изготовленных делителей пучка запланировано на следующий год работы по проекту. Предложен и впервые экспериментально реализован полностью углеродный двумерный метаматериал на основе алмазной подложки и лазерно-индуцированных поверхностных графитизированных структур. Методом лазерного рисования был создан субволновой поляризатор излучения в ТГц диапазоне частот, представляющий собой периодические (период 30 мкм) графитизированные полосы (ширина 15 мкм, длина 4000 мкм, толщина ≈200 нм) на алмазной подложке. Измеренные спектры пропускания в диапазоне 31 – 39 см^(-1) для перпендикулярной (p) и параллельной (s) ориентации поляризации излучения относительно проводящих полос продемонстрировали, что в первом случае образец прозрачен, а во втором – нет. Предложен и опробован комбинированный метод управления электронными свойствами графеновых структур за счет реверсивного вытеснения водного адсорбата с интерфейса CVD графен- гидрофильная подложка SiO_2/Si молекулами этилового спирта в сочетании с локальным перераспределением адсорбата на данной границе при многоимпульсном низкоинтенсивном лазерном воздействии. Продемонстрирована возможность снижение работы выхода электрона из графена на 150 мэВ относительно исходного уровня в 5,3эВ за счет частичного замещения/вытеснения молекул водного адсорбата молекулами этанола и локального лазерно-индуцированного перераспределения водно-спиртового адсорбата на границе графен-подложка. Разработано и протестировано на лучевую стойкость антиотражающее покрытие для алмазной оптики позволяющее работать в широком спектральном ИК диапазоне (8-12мкм) с минимальными оптическими потерями. Показано, что элементы из поликристаллического алмаза с таким покрытием способны выдерживать экстремальные лучевые нагрузки: до 3МВт/cм^2 в непрерывном режиме лазерного воздействия CO_2 лазера, и до 50МВт/см^2 при наносекундном (~100нс) воздействии импульсного CO_2 лазера. На данном этапе работы проведено моделирование прохождения жесткого рентгеновского излучения через компоненты на основе поликристаллического алмаза. Установлено, что при строгом расчете распространения жесткого рентгеновского излучения с длиной волны в несколько ангстрем через компоненты микрооптики с размерами в десятки и сотни микрон требуются трехмерные сетки из огромного числа отсчетов (10^15). Это приводит к тому, что на современных персональных компьютерах одна задача решается несколько дней. Поэтому для решения поставленных с одной стороны были предприняты усилия по увеличению производительности имеющейся вычислительной системы. С другой, разрабатываются подходы, приводящие к экономии времени расчетов и позволяющие увеличить число решенных задач. Например, если рассматривать прохождение рентгеновского излучения через последовательность одинаковых микролинз, то оказывается, что рассчитав точно прохождение излучения только через первую линзу, выходное поле можно далее умножать само на себя столько раз, сколько линз в последовательности. Это сокращает время расчета в число раз, равное числу линз в последовательности. Такое усовершенствование позволило получить кривые изменения фокусного расстояния, размеров фокусного пятна, максимальной интенсивности в фокусе и дифракционной эффективности фокусировки. Было получено, что с помощью всего 20 отверстий диаметром 10 мкм в пленке поликристаллического алмаза толщиной 10 мкм можно сфокусировать рентгеновское излучение с длиной волны 1,34 А на расстоянии 1,5 см от отверстий в отрезок шириной 200 нм. При этом максимальная интенсивность в фокусе будет в 40 раз превышать интенсивность падающего излучения. Для изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ), работающих с высокоэнергетическими источниками излучения, например, c лазерами на свободных электронах в ТГц диапазоне длин волн (141 мкм) или CO_2-лазерами в среднем ИК диапазоне (10,6 мкм), в качестве исходного материала целесообразно использовать алмаз, который прозрачен в широком диапазоне длин волн, имеет рекордную теплопроводность и, например, меньшие потери на френелевское отражение по сравнению с кремнием – популярным материалом для оптики мощного терагерцового излучения. Моделирование непрерывного профиля поверхности пятизонных алмазных линз Френеля проводилось для излучения с длиной волны 141 и 10,6 мкм (фокусное расстояние 40 и 127 мм, апертура 15 и 10 мм соответственно). Отметим, что глубина профиля для алмазного терагерцового ДОЭ превышает 100 мкм. Представляется, что лазерная абляция является безальтернативным методом решения проблемы. Соответствующие эксперименты запланированы на следующий год. Предложен и опробован комбинированный метод управления электронными свойствами графеновых структур за счет реверсивного вытеснения водного адсорбата с интерфейса CVD графен- гидрофильная подложка SiO_2/Si молекулами этилового спирта в сочетании с локальным перераспределением адсорбата на данной границе при многоимпульсном низкоинтенсивном лазерном воздействии. Продемонстрирована возможность снижение работы выхода электрона из графена на 150 мэВ относительно исходного уровня в 5,3 эВ за счет частичного замещения/вытеснения молекул водного адсорбата молекулами этанола и локального лазерно-индуцированного перераспределения водно-спиртового адсорбата на границе графен-подложка. Обнаружен гироскопический эффект в полностью волоконном эрбиевом солитонном лазере с двунаправленным распространением экситонов, генерирующем сверхкороткие импульсы за счет гибридной синхронизации мод насыщающимся поглотителем на основе одностенных углеродных нанотрубок и c нелинейным вращением поляризации, осуществляемой посредством включения участка волокна с единственной поляризацией (PZ-fiber). За счет вклада нелинейности Керра (приводящей к эффектам самофазовой модуляции и самоограничения) в сдвиг фаз несущей и огибающей для солитонов, распространяющихся как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки, была осуществлена широкополосная управляемая перестройка точки смещения центра масс гироскопа посредством соответствующей корректировки внутрирезонаторной поляризации или мощности накачки. Угловая скорость изменялась в диапазоне 0,12 град / с до 90 град / с, в то время как чувствительность к вращению достигала 7 кГц / (град / с) для гироскопа с одной катушкой площадью 0,79 м^2, что согласуется с расчетным значением масштаба. Сдвиг точки смещения, отвечающий за возможности разрешения гироскопа был изучен в длинной (в течение 35-минутного непрерывного эксперимента) и короткой (~ 1 мин) временных шкалах. Продемонстрирована возможность лазерного переноса одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), для осуществления которой применялся следующий подход: на металлизированную кварцевую подложку, выступающую в роли мишени, наносился слой водорастворимого полимера – карбоксиметил целлюлозы (КМЦ) с внедренными ОУНТ. Металлизированный слой, в нашем случае Al толщиной от 500 до 650 нм, необходим для поглощения лазерного излучения и нагрева границы металл-полимер до температуры испарения полимера. Перенос материала должен осуществляться за счет испарения тонкого слоя полимера, граничащего с металлом, чтобы исключить разрушение внедренных ОУНТ вследствие их перегрева. Для обеспечения отрыва полимера от поверхности подложки был предложен и реализован двухстадийный режим, при котором сначала обрезался контур переноса при помощи соответствующей маски, а затем осуществлялся непосредственно перенос обрезанных участков плёнки. Анализ поверхности донора и акцептора с помощью оптической микроскопии и спектроскопии КР позволил определить параметры лазерного облучения, при которых нанотрубки в полимерной матрице могут быть успешно перенесены без разрушения.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В проекте продолжалась разработка нового научного направления, находящегося на стыке лазерной физики, оптики и новых материалов – углеродной фотоники. Суть его заключается в создании, исследовании свойств и тестировании оптических элементов и устройств на базе уникальных синтетических углеродных материалов (CVD алмаза, одностенных углеродных нанотрубок и графена). Исследования велись по следующим основным проблемам: - механизмы и закономерности лазерной абляции алмазных материалов; - оптическая функционализация алмаза; - рентгеновская алмазная оптика; - разработка элементов фотоники на основе одностенных углеродных нанотрубок и графена. Исследована возможность повышения качества и скорости абляционной лазерной обработки алмаза с помощью предварительного нанесения сильнопоглощающих покрытий (графит или металл). Проведено сравнение результатов воздействия импульсов длительностью 1 пс и 10 нс (λ= 1,03 мкм). Главный результат заключается в том, что при многократном действии интенсивных ультракоротких импульсов поглощающие слои практически не влияют на формирование и рассеивающие свойства дефектной зоны внутри алмаза под пятном облучения. В то же время при использовании наносекундного излучения поглощающие покрытия позволяют значительно (до единиц процентов) снизить потери на рассеяние. Однако в случае более длинных импульсов шероховатость облученной поверхности возрастает. Продемонстрировано существование термохимического режима лазерной абляции алмаза при высоких (до 250 кГц) частотах повторения пикосекундных лазерных импульсов в процессе формирования глубоких резов (аспектное отношение 10). Показано, что обдув зоны воздействия струей кислорода дает значительно более высокие скорости абляции алмаза по сравнению с нормальным воздухом и обдувом струей аргона. Наблюдаемый эффект связывается с дополнительным энерговыделением при интенсивном окислении графитизированного слоя струей кислорода в канале, нагреваемом совместным действием поглощенного излучения и экзотермической реакции окисления. Продолжены исследования режима лазерной наноабляции. Впервые изучены особенности этого режима при пониженных давлениях воздуха. Обнаружена немонотонная зависимость скорости наноабляции от давления. Оказалось, что при давлении 10^-5 торр наблюдается 20-кратный рост скорости по сравнению с атмосферным воздухом. Наиболее вероятной причиной аномального роста скорости наноабляции является удаление в разреженной атмосфере воды, адсорбированной на гидрофильной поверхности алмаза и препятствующей поступлению кислорода к зоне реакции на облучаемой поверхности. Другая, и достаточно логичная, закономерность при давлениях меньших 10^-5 торр заключается в снижении скорости окисления алмазной поверхности по мере уменьшения парциального давления кислорода. О смене механизмов фотоиндуцированного травления алмазной поверхности свидетельствует также различная функциональная зависимость скорости наноабляции от числа лазерных импульсов. Представлены новые результаты по механизму формирования центров окраски азот-вакансия (NV) в приповерхностном слое алмаза в режиме лазерной наноабляции. Целью данного этапа было получение зависимости скорости образования NV–центров от концентрации фотоиндуцированной плазмы в алмазе. Для измерения концентрации носителей в алмазе применялась фемтосекундная интерферометрия. Сложность применения этого метода заключается в том, что он позволяет измерять концентрацию только на расстоянии 50 мкм от поверхности и глубже, а воздействующее излучение поглощается в более тонком приповерхностном слое. Чтобы решить эту проблему вначале в объеме алмаза определялась величина двухфотонного поглощения света, а затем с ее помощью вычислялась концентрация носителей. Эта величина сопоставлялась со скоростью генерации NV-центров, которая определялась как отношение прироста (от импульса к импульсу) интенсивности фотолюминесцентного сигнала, регистрируемого в конфокальном микроскопе. Установлено, что скорость генерации NV – центров в алмазе в режиме наноабляции пропорциональна третьей степени плотности фотоиндуцированной плазмы. Предложен новый подход к созданию дифракционных оптических элементов (ДОЭ) с использованием интенсивных ультракоротких лазерных импульсов, который позволяет избежать прямую абляционную обработку алмазной пластины, которая как было нами показано ранее сопровождается оптическим пробоем алмаза и сильным рассеянием света. Примененный подход основан на использовании метода реплики, суть которого заключается в следующем. Алмазная CVD пластина осаждается на предварительно профилированную кремниевую подложку (темплат). Пластина в процессе осаждения с нуклеационной стороны (прилегающей к темплату) приобретает форму обратную той, которая создана каким-либо образом на поверхности кремниевой подложки. Далее подложка удаляется химическим травлением, чтобы получить чисто алмазный ДОЭ с заданным профилем. В наших опытах негатив требуемой структуры создавался на поверхности кремниевой подложки методом лазерной абляции. Принципиальным моментом разрабатываемой технологии является нанесение на поверхность темплата перед CVD процессом алмазных наночастиц (центров зародышеобразования) с высокой концентрацией. В результате удалось получить близкие к расчетным и четко повторяющие детали профиля структурированной кремниевой подложки. Шероховатость алмазных структур (не выше 0,5-1 мкм) определялась выбором режима лазерной абляции темплата. Это позволило избежать сколько-нибудь значительных потерь на рассеяние для изготовленных цилиндрически линз Френеля для излучения СО2 –лазера (λ= 10,6 мкм) и тем более терагерцового лазера на свободных электронах (λ= 140 мкм), о чем свидетельствуют спектры пропускания центральных зон линз в ИК и ТГц диапазонах. Измерены также параметры сфокусированного излучения CO2 лазера, которые демонстрируют высокую дифракционную эффективность созданных алмазных ДОЭ (97%). На первом этапе проекта был предложен и экспериментально реализован полностью углеродный двумерный метаматериал на основе алмазной подложки и лазерно-индуцированной поверхностной графитизированной структуры. Непрозрачная структура в виде решетки работала как поляризатор ТГц излучения в диапазоне 31-39 см-1. В результате проведенного анализа результатов опытов, которые позволили определить ряд необходимых параметров, а также разработки теоретической модели удалось описать и предсказать электромагнитные свойства алмаз/графитовых поверхностных микроструктур. Расчетные спектры пропускания находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Полученное в результате численного моделирования значение электропроводности графитизированного слоя позволяет предсказать оптические свойства алмаз/графитовых структур и в других спектральных диапазонах, включая средний ИК. Метод микроструктурирования объема алмаза с помощью острой фокусировки ультракоротких лазерных импульсов открыл возможность создавать внутри диэлектрической алмазной матрицы проводящие графитизированные 3D микроэлементы. Комбинации таких элементов позволяют создавать трехмерные углеродные оптические структуры, которые могут обладать уникальными фотонными свойствами. Наиболее простым элементом, процедура формирования которого нами хорошо отлажена, является прямая нить. Была разработана модель для расчета оптических свойств (спектры отражения, пропускания и поглощения излучения) целого ряда периодических фотонных структур в объеме алмаза. Среди исследованных структур наибольший интерес представляет структура типа «поленница со сдвигом», которая демонстрирует хиральные фотонные свойства. При прохождении сквозь нее излучения с круговой поляризацией, коэффициент пропускания структуры зависит от направления вращения поляризации: при вращении по часовой стрелке пропускание на 30% выше (в узком спектральном диапазоне для заданных размеров структуры). Оптимизация параметров структуры должна повысить хиральную чувствительность такой 3D фотонной структуры, что позволит создать новый класс сенсоров излучения. Важной основой для понимания и моделирования 3D алмаз-графитовых структур играют проводимые в рамках проекта фундаментальные исследования процессов объемной лазерной графитизации алмаза. В частности, был выявлен эффект саморегуляции положения фронта растущей графитизированной нити относительно фокальной плоскости линзы. Получены новые данные по микро и наноструктуре, а также электропроводности графитизированных нитей. Высокий показатель преломления алмаза приводит к значительным потерям на отражение (около 30% от двух граней). Для решения этой проблемы в рамках проекта была разработана технология напыления однослойного антиотражающего покрытия для излучения с λ= 10.6 мкм из PbF2 (показатель преломления 1,55-1,56). Измерения дали значение коэффициента пропускания 98,5-99,0%. Лучевая стойкость покрытий для непрерывного и импульсного излучения СО2 – лазера составила 4 МВт/см2 и 250 МВт/см2, соответственно. Предложен и исследован алмазный визуализатор мощного рентгеновского излучения. Датчик имеет двуслойную структуру и состоит из монокристаллической алмазной подложки, на которую методом CVD нанесена эпитаксиальная алмазная пленка, легированная азотом и кремнием. Визуализация излучения 8,05 и 8,95 кэВ от рентгеновской трубки с хорошим качеством изображения осуществлялась по наиболее сильной линии люминесценции азот-вакансия. Алмазные визуализаторы имеют прекрасные перспективы использования в мощных ускорителях для контроля профиля рентгеновского излучения, а также выполнять функции тонких, широкоапертурных, прочных и термически стабильных окон и других проходных элементов. Еще одной областью применения алмаза в рентгеновской технике должны стать фокусаторы, построенные по принципу ДОЭ и представляющие собой совокупность отверстий различной формы в алмазной пластине. В настоящей работе теоретически показано, что рентгеновское фокусирующее дифракционное устройство (эквивалентное ДОЭ) может быть создано на базе матрицы элементов, каждый из которых представляет собой комбинацию центральной и двух боковых симметрично расположенных полостей в алмазной пластине различной формы и размеров. В части одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) сделаны две работы. Создан и исследован полностью волоконный гольмиевый лазер с двумя нелинейными элементами: поляризатором и пленкой из прозрачной карбоксиметилцеллюлозы, в которую однородно диспергированы ОУНТ. Такая гибридная схема синхронизации мод позволила генерировать импульсы с λ= 2072 или 2082 нм, длительностью не более 1,5 пс, частотой повторения 14,9 МГц и средней мощностью 5 мВт. Усовершенствован метод лазерного переноса ОУНТ с прозрачной пластины-донора на кварцевую пластину акцептор. Реализована двухэтапная схема переноса, которая позволила создавать матрицы из площадок размером 6060 мкм, содержащих ОУНТ. Завершена серия экспериментов по исследованию обнаруженного нами эффекта: модификации графеновых слоев на кремниевых подложках в воздухе. Ранее было показано, что локальное лазерное изменение профиля и электронных свойств графена обусловлены многократным низкоинтенсивным импульсным воздействием и радиальным вытеснением тонкого слоя воды, адсорбированной из воздуха и находящейся в зазоре между графеном и подложкой. На данном этапе продемонстрировано индуцированное излучением изменение оптических свойств графена в тех же условиях (с помощью вакуумной Фурье спектроскопии) и влияние на этот эффект толщины адсорбированного водного слоя. Варьирование толщины слоя осуществлялось как с помощью лазерного облучения, так и путем его вытеснения в парах ацетона. Показано, что присутствие в воздухе водного адсорбата на границе графен-подложка вызывает модуляцию оптического отклика от графена.