Лазерный мир

Петербуржские ученые разработали материал, превращающий инфракрасный свет в сверхкороткие импульсы ультрафиолета. Для этого исследователи обработали кремниевую пленку при помощи лазера так, что ее рельеф подстроился под длину волны излучения, тем самым придав материалу резонансные свойства.

В итоге исследователи получили дешевую и простую в производстве метаповерхность, эффективность которой сопоставима с мировыми аналогами. Новая технология поможет создать компактные УФ-генераторы для биофотоники и медицины, а также устройства для сверхплотной обработки данных в оптических коммуникациях. Исследование опубликовано в журнале Nanoscale.

Self-adjusted all-dielectric metasurfaces for deep ultraviolet femtosecond pulse generation
S. V. Makarov,*a A. N. Tsypkin,a T. A. Voytova,a V. A. Milichko,a I. S. Mukhin,ab A. V. Yulin,a S. E. Putilin,a M. A. Baranov,a A. E. Krasnok,a I. A. Morozovb and P. A. Belova

AbstractCited
The advantage of metasurfaces and nanostructures with a high nonlinear response is that they do not require phase matching, and the generated pulses are short in the time domain without additional pulse compression. However, the fabrication of large-scale planar structures by lithography-based methods is expensive, time consuming, and requires complicated preliminary simulations to obtain the most optimized geometry. Here, we propose a novel strategy for the self-assembled fabrication of large-scale resonant metasurfaces, where incident femtosecond laser pulses adjust the initial silicon films via specific surface deformation to be as resonant as possible for a given wavelength. The self-adjusting approach eliminates the necessity of multistep lithography and designing, because interference between the incident and the scattered parts of each laser pulse “imprints” resonant field distribution within the film. The self-adjusted metasurfaces demonstrate a high damage threshold (≈1012 W cm−2) and efficient frequency conversion from near-IR to deep UV. The conversion efficiency is up to 30-fold higher compared with nonresonant smooth Si films. The resulting metasurfaces allow for the generation of UV femtosecond laser pulses at a wavelength of 270 nm with a high peak and average power (≈105 W and ≈1.5 μW, respectively). The results pave the way to the creation of ultrathin nonlinear metadevices working at high laser intensities for efficient deep UV generation at the nanoscale.

http://pubs.rsc.org/-/content/articlelanding/2016/nr/c6nr04860a/#!divAbstract

Биологическая среда может отражать, поглощать, рассеивать и переиспускать световые волны. Каждый из этих процессов несет информацию о микро- и макроструктуре среды, движении и форме ее компонентов. В таком контексте глубокий ультрафиолет является перспективным инструментом в биологии и медицине. Область его применения включает лазерную диагностику быстропротекающих процессов в клетке и управление ими, лазерную терапию и хирургию на молекулярном уровне.

Исследователи из Университета ИТМО и Санкт-Петербургского Академического университета разработали новый метод изготовления наностуктур, которые способны превращать инфракрасный свет в глубокий ультрафиолет. Структура представляет собой пленку, покрытую упорядоченным массивом нановыступов, — метаповерхность. Способ ее получения заключается в том, что ученые облучают кремниевую пленку толщиной в 100 нанометров сверхкороткими, или фемтосекундными, лазерными импульсами, которые и формируют ее рельеф. Лазер выплавляет на поверхности пленки такие нановыступы, которые резонируют только на его длине волны, что впоследствии позволяет превращать больше излучения в ультрафиолет. Иначе говоря, лазер настраивает метаповерхность материала под себя. Затем, когда рельеф сформирован, ученые снижают мощность, и пленка начинает конвертировать свет, не деформируясь.

Важно, что метаповерхность, получаемая таким способом, представляет собой цельную структуру, а не собрана из изолированных наночастиц, как это делалось раньше. Она лучше проводит тепло и не так подвержена перегреву, что отражается на сроке работы.
В фотонике всегда приходится искать компромисс, говорят ученые. Стандартные нелинейные кристаллы, которые используются для генерации УФ, имеют большие размеры, но преобразуют до 20% излучения. Такая эффективность выше, чем у метаповерхности, но в толще кристалла лазерные импульсы удлиняются.

«Это происходит из-за того, что фемтосекундный лазерный импульс содержит множество длин волн, которые отличаются друг от друга не более чем на несколько десятков нанометров. Этой разницы уже достаточно, чтобы через некоторое время одни волны начали немного опережать другие. Чтобы снова сделать импульсы ультракороткими, требуются дополнительные дорогостоящие устройства», — объясняет Сергей Макаров.

Источник: http://news.ifmo.ru/ru/science/photonics/news/6256/