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

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 22-72-10076

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

Руководитель Богацкая 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

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 слова твердые 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках теоретических работ были получены следующие ключевые результаты: 1. Разработан численный алгоритм для анализа рассеяния сфокусированного лазерного импульса на плазменных микрообъектах различной формы. В рамках алгоритма была верифицирована модель самоорганизации плазмы, в основе которой лежит интерференция падающей и рассеянной волн, которая приводит к немонотонной ионизации материала и формированию квазипериодических плазменных структур. Результаты согласуются с экспериментальными данными (SEM-изображениями) модифицированных областей в плавленом кварце. 2. Обнаружен эффект насыщения ионизации в области фокуса, который приводит к насыщению поглощения энергии и концентрации электронов (~2.5·10²⁰ см⁻³ для длины волны 1030 нм и 8×10^20 см-3 для 515 нм) из-за дефокусировки излучения электронами плазмы. Профили нагрева образца, полученные к концу воздействия лазерного импульса, продемонстрировали, что максимальный нагрев материала не превышает 300 К, что исключает плавление как механизм дефектообразования. Спектры фотолюминесценции модифицированных образов свидетельствуют о том, что основным механизмом модификации является разрыв молекулярных связей и образование атомов немостикового кислорода (NBOHC), а также кислородных вакансий. 3. Учет кубической нелинейности показателя преломления n2 для λ = 1030 нм и 515 нм обнаружил незначительное увеличение концентрации электронов и доли поглощаемой энергии, а также увеличение радиуса пучка при высоких интенсивностях, но не изменил качественную картину самоорганизации плазмы. 4. Сравнение динамики самоорганизации плазмы для длин волн 1030 и 515 нм продемонстрировано, что для λ = 515 нм формирующиеся профили плазмы характеризуются меньшей регулярностью из-за меньшего порядка многофотонной ионизации (4-фотонная для 515 нм и 8-фотонная для 1030 нм). Концентрации электронов в случае 515 нм оказывается выше (8·10²⁰ см⁻³), что объясняет более эффективное накопление дефектов. В рамках экспериментальных работ были получены следующие ключевые результаты: 1. Нелинейные свойства материалов Выявлено, что в исследуемых образцах основным механизмом ослабления интенсивности УКИ с длиной волны 1030 нм является четырехфотонное поглощение с коэффициентами β4= 2500 см5/ТВт3 для ПИ и β4= 30 см5/ТВт3 для ПММА, а для длины волны 515 нм трехфотонное поглощение с коэффициентом β3 = 195 см3/ТВт2 для ПММА. Оценены величины нелинейного показателя преломления: на длине волны 1030нм n2 = 7,7×10-16см2/ТВ для полиимида и n2 = 7,54×10-16см2/ТВ для ПММА, на длине волны 515 нм n2 = 9,55×10-16см2/ТВ для ПММА. На основе оцененных значений нелинейного показателя преломления были рассчитаны соответствующие критические мощности самофокусировки: для ПММА Pcr =1,34 МВт для λ = 1030 нм и Pcr =2,79 МВт для λ = 515 нм; для полиимида Pcr =1,15 МВт для λ = 1030 нм. 2. Дифракционные исследования - Линейно поляризованные УКИ в ПММА создают более регулярные наноструктуры с порогом филаментации в 1.5 раза ниже, чем циркулярно поляризованные. ПИ подвержен плавлению, что затрудняет анализ. 3. Лазерная модификация полимеров - ПИ: Полиимидная пленка (толщина 300 мкм) демонстрирует собственное двулучепреломление, величина фазового сдвига δ составляет порядка 180° (λ=633 нм). При воздействии УКИ δ уменьшается со 180° до 100° при росте энергии импульса до 500 нДж вследствие разрушения упорядоченных структур. Наблюдается усиление фотолюминесценции из-за разрыва связей. - ПММА: Выявлено образование микротреков с "пузырьковыми" структурами (E > 650 нДж) в одноимпульсном режиме. 4. Поляризационные эффекты - Пороги модификации для азимутальной/радиальной поляризации выше, чем для линейной/циркулярной. Структуры менее сложны, но удлиняются с ростом энергии. По результатам исследований за отчетный период опубликованы следующие статьи: 1) A. V. Bogatskaya, E. A. Volkova, and A. M. Popov. Interference mechanism of plasma self-organization in transparent dielectrics under the intense femtosecond laser pulse exposure. Europhysics Letters, 147(3):35001, 2024. 2) A. V. Bogatskaya, E. A. Volkova, and A. M. Popov. The role of interference effects in volumetric self-organization of plasma in transparent dielectrics under the tightly focused laser radiation exposure. Applied Physics A: Materials Science and Processing, 131:79, 2025 3) A. V. Bogatskaya, E. A. Volkova, and A. M. Popov. The role of self-focusing during the laser microstructuring in the volume of fused silica. In In Proceedings of the 13th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, pages 120–125, 2025.

Публикации

1. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ САМООРГАНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЖЕСТКОСФОКУСИРОВАННОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА В ОБЪЕМЕ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ XXI научной школы НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНЫ – 2024 (год публикации - 2024)

2. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. Interference mechanism of plasma self-organization in transparent dielectrics under the intense femtosecond laser pulse exposure Europhysics Letters, Vol. 147, p. 35001 (2024) (год публикации - 2024)
10.1209/0295-5075/ad69bd

3. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М Laser wave scattering from plasma as a way of bulk material self-organization under the intense femtosecond laser pulse exposure PROCEEDINGS of VIII INTERNATIONAL CONFERENCE "FRONTIERS OF NONLINEAR PHYSICS" (FNP-2024) (год публикации - 2024)

4. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. Self-organization of plasma nanostructures during the tightly focused femtosecond laser pulse exposure in the volume of transparent dielectrics PROCEEDINGS of VIII INTERNATIONAL CONFERENCE FRONTIERS OF NONLINEAR PHYSICS (FNP-2024) (год публикации - 2024)

5. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. Interaction of highly focused intense laser radiation with transparent dielectrics: subwavelength nanogratings formation Physics of Plasmas, Physics of Plasmas, Vol. 31., P. 073901 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0207385

6. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. Peculiarities of plasma self-organization during the laser micromachining in the volume of transparent dielectrics Book of Abstracts of VIII International Conference on Ultrafast Optical Science "UltrafastLight-2024" (год публикации - 2024)

7. Рупасов А.Е., Кудряшов С.И., Богацкая А.В. Optical elements based on birefringent microtracks Book of Abstracts of VIII International Conference on Ultrafast Optical Science "UltrafastLight-2024" (год публикации - 2024)

8. Рупасов А. Е., Кудряшов С. И., Богацкая А. В. Оптические элементы на основе двулучепреломляющих микротреков XXI Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям (ХОЛОЭКСПО 2024) (год публикации - 2024)

9. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. The role of interference effects in volumetric self-organization of plasma in transparent dielectrics under the tightly focused laser radiation exposure Applied Physics A, Volume 131, article number 79, (2025) (год публикации - 2025)
10.1007/s00339-024-08192-1

10. Богацкая А.В., Волкова Е.А., Попов А.М. The Role of Self-Focusing During the Laser Microstructuring in the Volume of Fused Silica Proceedings of the 13th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology - PHOTOPTICS, SciTePress, pages 120-125 (год публикации - 2025)
10.5220/0013248900003902

11. Никифорова П.М., Богацкая А.В., Попов А.М. CONTROLLED LASER MICROSTRUCTURING IN THE VOLUME OF TRANSPARENT SOLID DIELECTRICS Book of abstracts of 21th International Workshop Complex Systems of Charged Particles and Their Interactions with Electromagnetic Radiation, p. 68 (год публикации - 2025)

12. Рупасов А.Е., Красин Г.К., Гулина Ю.С., Матяев И.Д., Кудряшов С.И. Распределение центров окраски NBOHC в двулучепреломляющих микротреках, индуцированных лазерным излучением в объёме плавленого кварца Оптика и Спектроскопия (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
-