Лазерный мир

Богацкая Анна Викторовна / карточка проекта, поддержанного российским научным фондом, номер 22-72-10076, Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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.

Полное содержание на https://rscf.ru/project/22-72-10076/