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 22-72-10076

НазваниеПоляризационно-управляемая мультимасштабная плазмо-индуцированная самоорганизация вещества в твердых диэлектриках под действием ультракоротких лазерных импульсов

РуководительБогацкая Анна Викторовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словатвердые диэлектрики, фемто- и пикосекундные лазерные импульсы, радиальная и азимутальная поляризация, взаимодействие высокоинтенсивного излучения с веществом, ионизация в объеме материала, самоорганизация электромагнитного поля, плазмы и вещества, прямая лазерная запись структур, численное моделирование, кинетика плазмы, волновое уравнение

Код ГРНТИ29.19.22, 29.31.27, 29.33.47

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Прямая лазерная запись структур нано- и микрофотоники в объеме прозрачных твердых диэлектриков ультракороткими лазерными импульсами (УКИ) является отработанной и универсальной технологией создания волноводных цепей, преобразователей поляризации, элементов и устройств оптической памяти с функционалами фазового сдвига и орбитального момента [Lei et al. "High speed ultrafast laser anisotropic nanostructuring by energy deposition control via near-field enhancement." Optica 8.11 (2021): 1365-1371; Wang et al. "100‐Layer Error‐Free 5D Optical Data Storage by Ultrafast Laser Nanostructuring in Glass." Laser & Photonics Reviews (2022): 2100563.]. Сложная мультимасштабная иерархическая организация записанных субволновых наноструктур вещества в объеме диэлектриков [Kudryashov et al. "Birefringent microstructures in bulk fluorite produced by ultrafast pulsewidth-dependent laser inscription." Applied Surface Science 568 (2021): 150877] поднимает вопрос о динамической наномасштабной самоорганизации электромагнитных полей, плазмы и вещества в ходе прямой записи структур с помощью УКИ, что представляет собой чрезвычайно сложную, самосогласованную задачу описания взаимодействий электромагнитных полей, плазмы и вещества, превосходящую по сложности даже задачу описания микромасштабной филаментации УКИ. С другой стороны, многие ключевые параметры мультимасштабных явлений нелинейного распространения и поглощения УКИ в диэлектриках с учетом дефокусировки и поглощения энергии электрон-дырочной плазмой, ее суб-пикосекундной динамики и транспорта, переноса энергии в ионную подсистему и структурной трансформации последней (например, повреждения путем автолокализации носителей и самоорганизации френкелевских точечных дефектов) до сих пор неизвестны, что существенно ограничивает предсказательную силу, а также саму возможность решения сложных самосогласованных задач взаимодействия электромагнитных полей, плазмы и вещества. В итоге, дальнейший технический прогресс методов прямой лазерной записи инновационных функциональных нано- и микроструктур в диэлектриках пока идет вслепую, без ясного понимания фундаментальной физической картины взаимосвязей полевых, плазменных и материальных подсистем. В настоящем проекте планируется на первом этапе детальное экспериментальное изучение ключевых параметров распространения УКИ в диэлектриках и вызванной этим электронной, ионной и структурной динамики для последующего теоретического моделирования локальных процессов фотовозбуждения и релаксации плазмы. На втором этапе с помощью импульсов УФ - среднего ИК диапазона с варьируемой поляризацией будут генерироваться и динамически зондироваться динамические самоорганизованные наноструктуры плазмы в объеме диэлектриков, и будет сформулирована и решена самосогласованная задача описания связанных с этим наномасштабных взаимодействий электромагнитных полей и плазмы. На третьем этапе, с помощью поляриметрической микроскопии и конфокальной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света будут исследованы сформированные в объеме диэлектриков самоорганизованные материальные наноструктуры и микроскопические механизмы их формирования. В итоге синергических экспериментальных и теоретических исследований будет сформирована общая картина прямой лазерной записи мультимасштабных периодических нано- и микроструктур в объеме диэлектриков под действием УКИ с варьируемой поляризацией, разработаны поляризационные динамические и статические методы характеризации объемных структур.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидаются важные фундаментальные и прикладные результаты мирового уровня: 1. Для рассмотренных твердых диэлектриков (плавленый кварц, флюорит) с использованием ранее отработанных авторами методов будут исследованы ключевые параметры нелинейного распространения излучения (критическая мощность самофокусировки, пороговая интенсивность филаментации) и нелинейно-оптического поглощения ультракоротких лазерных импульсов УФ - среднего ИК диапазона с варьируемой поляризацией (коэффициенты многофотонного поглощения в дофиламентационном режиме, коэффициент поглощения энергии в плазме), электронной динамики (коэффициенты амбиполярной диффузии электрон-дырочной плазмы, коэффициент Оже-рекомбинации, время электрон-фононной термализации). В совокупности, эти параметры практически полностью характеризуют фотовозбуждение и релаксацию электронной подсистемы диэлектриков для теоретического моделирования самоорганизации плазмы в объеме диэлектриков в режиме прямой записи наноструктур. 2. Будут отработаны экспериментальные методы и получены данные о генерации и динамическом поляризационном зондировании иерархических самоорганизованных плазменных наноструктур в объеме рассмотренных твердых диэлектриков в режиме отражения/пропускания/дифракции с использованием высокоинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов УФ-среднего ИК диапазона с варьируемой поляризацией (линейная, круговая, радиальная, азимутальная) в режиме их самовоздействия, а также зондирования с временной задержкой низкоинтенсивными пробными импульсами УФ-среднего ИК диапазона с варьируемой поляризацией (линейная, круговая, радиальная, азимутальная). Данные время-разрешенного зондирования будут сопоставлены с результатами численного моделирования параметров прошедшего лазерного излучения в дальней зоне. В итоге, будут установлены пространственно-временные распределения плотности самоорганизованной плазмы вблизи фокальной области (области записи). 3. Будут отработаны экспериментальные методы и получены данные о генерации и стационарном поляриметрическом исследовании связанных с полевыми и плазменными структурами самоорганизованных материальных наноструктур в объеме рассмотренных твердых диэлектриков в режиме микроскопии пропускания/дифракции с использованием низкоинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов УФ - среднего ИК диапазона с варьируемой поляризацией (линейная, круговая, радиальная, азимутальная) и методов стационарной поляризационной микроскопии. Данные стационарного поляриметрического анализа будут сопоставлены с результатами численного моделирования параметров прошедшего лазерного излучения в дальней зоне. В итоге, будут установлены пространственно-временные распределения модуляции показателя преломления вблизи фокальной области (области записи). 4. Будет проведен последовательный самосогласованный теоретический анализ всех этапов процесса формирования мультимасштабных иерархических самоорганизованных полевых, плазменных и материальных микро- и нано структур в объеме прозрачных твердых диэлектриков в результате воздействия ультракороткими лазерными импульсами УФ - среднего ИК-диапазона, а именно: - исследован процесс интерференционного формирования продольной стоячей электромагнитной волны перед отражающей фокальной плазмой, фотоионизационного формирования и релаксации соответствующей последовательности плазменных слоев с околокритической концентрацией электронов при воздействии на вещество ультракоротких лазерных импульсов; - исследован процесс формирования стоячей поверхностной электромагнитной волны в плазменных слоях, формирования в них и релаксации последовательности плазменных штрихов перпендикулярно поляризации воздействующего поля; - создан численный алгоритм для самосогласованного анализа динамики сформированной в объеме вещества плазменной анизотропной периодической структуры при распространении ультракороткого лазерного импульса (как воздействующего, так и пробного (зондирующего). На всех этапах будет проведено сравнение данных теоретического моделирования с данными эксперимента с целью контроля и верификации построенных теоретических моделей. 5. Методом динамической и стационарной конфокальной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света с использованием, соответственно, ультракоротких лазерных импульсов и непрерывного лазерного излучения будут исследованы атомистические процессы самоорганизации материальных наноструктур в объеме рассмотренных твердых диэлектриков и установлена их связь с процессами генерации плазменных наноструктур. В ходе проекта его молодые участники получат бесценный опыт взаимодополняющих синергических экспериментальных и теоретических исследований мирового уровня, которые будут отражены в научных публикациях в ведущих рецензируемых журналах.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За отчетный период были получены следующие ключевые результаты: 1. Для плавленого кварца и флюорита был проведен ряд экспериментальных исследований с целью определения коэффициентов многофотонного поглощения для излучения с длинами волн 515 и 1030 нм. Конкретно, были получены данные о нелинейном пропускании жестко сфокусированных в образцы флюорита и плавленого кварца ультракоротких лазерных импульсов с длинами волн 515 и 1030 нм длительностью 0,3 - 3,5 пс и изменяемой в диапазоне от 2 до 460 нДж энергией импульса. Проведен анализ процесса ионизации твердых диэлектриков в рамках теории Келдыша, получены зависимости вероятности ионизации флюорита и плавленого кварца от интенсивности излучения, определены параметры лазерного излучения, при которых будет реализован тот или иной режим ионизации (многофотонная, туннельная). В результате анализа теоретической модели ионизации диэлектриков совместно с обработкой экспериментальных данных по нелинейному пропусканию излучения в образцах были определены сечения 4х и 8ми фотонного поглощения в плавленом кварце (для излучения с длинами волн 515 и 1030 нм соответственно). Результаты исследований по данному пункту плана опубликованы в работе A. Bogatskaya et al. An experimental study of multiphoton ionization in fused silica at ir and visible wavelengths. Photonics, 10:515, 2023. 2. Определены коэффициенты амбиполярной диффузии электрон-дырочной плазмы для флюорита и плавленого кварца на основе анализа 1-импульсных абляционных кратеров, полученных при воздействии на образец жестко сфокусированных лазерных импульсов с длиной волны 515 нм, длительностью 0,3 - 3,5 пс и энергией, варьируемой в диапазоне от 50 до 300 нДж. 3. На основе исследований по боковой визуализации люминесцентных каналов, образующихся при фокусировке ультракоротких лазерных импульсов в объем плавленого кварца и флюорита оценены величины критических мощностей начала филаментации для этих материалов для длин волн 515 и 1030 нм при длительности лазерных импульсов 0,3 пс. Полученные результаты свидетельствует о том, что структуры начинают формироваться при мощностях импульсов не превышающих пороговые значения для самофокусировки и филаментации, т.е. в линейном (геометрическом) режиме фокусировки. 4. Установлен сублинейный рост фазового сдвига в двулучепреломляющих микроструктурах при увеличении энергии/интенсивности лазерного излучения и его немонотонное - с максимумом вблизи 0.9 пс для флюорита и 0.85 пс для плавленого кварца – изменение в зависимости от длительности лазерных импульсов. Это время, вероятно связано с временем термализации электронов и ионов длительностью ~ 1 пс в диэлектриках. Результаты пп. 3 и 4 легли в основу публикации: Kudryashov S. et al. Multi-Parametric Birefringence Control in Ultrashort-Pulse Laser-Inscribed Nanolattices in Fluorite //Nanomaterials. – 2023. – Т. 13. – №. 6. – С. 1133, DOI: https://doi.org/10.3390/nano13061133. IF = 5.719, Q1 5. Было установлено что под действием лазерного излучения в фториде кальция и плавленом кварце происходит перераспределением атомов, приводящее к уплотнению и разуплотнению исходного материала. Такое разуплотнение в области лазерной обработки сопровождается обеднением периферии по этим химическим элементам, что, по-видимому, связано с наномасштабными гидродинамическими явлениями, индуцированными лазерным излучением. 6. Был разработан алгоритм для анализа формирования плазменного слоя в области фокусировки лазерного импульса. Были получены данные о формировании и эволюции «первичного» (фокального) плазменного слоя в плавленом кварце с учетом процессов диффузии и гибели электронов. Показано, что процесс формирования плазменного слоя со сверхкритической концентрацией электронов носит пороговый характер и ограничен областью фокусировки пучка. Отражение лазерного импульса от сформированного плазменного слоя было рассмотрено в рамках уравнения Гельмгольца для плоской волны. Показано, что при отражении от «первичного» плазменного слоя образуется стоячая волна, в пучностях которой идет эффективная ионизация, формирующая плазменную решетку, период которой равен λ/2n (λ – длина волны лазерного излучения, n - показатель преломления материала), что соответствует периоду стоячей волны. Результаты, полученные в результате численного моделирования, согласуются с ранее опубликованными экспериментальными данными группы по характеризации подобных структур (см. например, Kudryashov, S. et al. Hierarchical Multi-Scale Coupled Periodical Photonic and Plasmonic Nanopatterns Inscribed by Femtosecond Laser Pulses in Lithium Niobate. Nanomaterials 2022, 12, 4303). 7. Были исследованы оптические свойства плазменных решеток, формируемых в процессе лазерной записи в твердых диэлектриках (флюорит, плавленый кварц). На основе решения уравнения Гельмгольца в среде с заданным профилем диэлектрической проницаемости получены данные о коэффициентах отражения, прохождения и поглощения излучения в периодических структурах “диэлектрик\плазма” в зависимости от его частоты (частоты зондирующего излучения были выбраны близкими к частотам воздействующего - формирующего плазменную решетку). Приведенный анализ коэффициентов отражения или поглощения пробных электромагнитных импульсов позволяет получить информацию о количестве периодов и эффективной длине формирующейся периодической структуры на этапе лазерной записи в твердых диэлектриках.

 

Публикации

1. Богацкая А.В., Гулина Ю.С., Смирнов Н.А., Гриценко И.В., Кудряшов С.И., Попов А.М. An Experimental Study of Multiphoton Ionization in Fused Silica at IR and Visible Wavelengths Photonics, Vol. 10, № 5, p. 515 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10050515

2. Кудряшов С.И., Рупасов А.Е., Смаев М.П., ​​Данилов П.А., Кузьмин Е.В., Мушкарина И.Н., Горевой А.В. ,Богацкая А.В., Золотько А.С. Multi-Parametric Birefringence Control in Ultrashort-Pulse Laser-Inscribed Nanolattices in Fluorite Nanomaterials, Vol. 13, No 6, p. 1133 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13061133

3. Г.К. Красин, Е.В. Кузьмин, П.А. Данилов, А.Е. Рупасов, С.И. Кудряшов, А.В. Богацкая Поляризационно-управляемые самоорганизующиеся структуры в диэлектриках под действием ультракоротких лазерных импульсов Сборник тезисов IV семинара «Современные нанотехнологии» (Екатеринбург, 24-27 августа 2022 г.) Екатеринбург, Уральский федеральный университет, 2022 - 177 c., IV Семинар "Современные нанотехнологии" Сборник тезисов 24-27 августа 2022, Екатеринбург, стр. 45 (год публикации - 2022)

4. Никифорова П.М., Богацкая А.В., Попов А.М. Анализ оптических свойств периодических микроструктур, формируемых в процессе лазерной записи в твердых диэлектриках Международная конференция «XX научная школа "Нелинейные волны – 2022" (Тезисы докладов), НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНЫ – 2022 XX научная школа (год публикации - 2022)