Лазерный мир

Используя сложную модель математического анализа в реальном времени, исследователи теперь смогут манипулировать процессом создания фотонных и плазмонных компонентов с целью получения точно необходимых оптических свойств.

Исследователи из Университета ИТМО объединили экспериментальные результаты и моделирование, чтобы реализовать, описать и продемонстрировать один из таких методов, позволяющий создавать микромасштабные элементы с оптическими свойствами, которые можно изменять в режиме реального времени. Всё, что требуется, – это регистрация мощности прошедшего лазерного излучения и проведение точного численного моделирования, что делает процедуру недорогой и простой в реализации. Исследователи из Международной лаборатории «Лазерные микро- и нанотехнологии» также решили задачу исследования этих элементов, созданных в композитах. Помимо вышеупомянутой процедуры, они предложили бесконтактный метод определения объёма, концентрации и химического состава наночастиц в любой заданной части изготовленного объекта. Результаты их исследования опубликованы в журнале «Nanomaterials» .

Зачем все это?

В научно-исследовательских лабораториях постоянно разрабатываются новые материалы, которые, как ожидается, будут обладать новыми свойствами, способными произвести революцию в той или иной технологии. Но просто создать эти материалы недостаточно; учёным необходимо также предложить эффективные методы их локальной обработки. Композиты часто изготавливаются путём добавления наночастиц в базовую матрицу; поэтому необходимо найти способ управления расположением, размером и концентрацией этих частиц, исключающий даже мельчайшие отклонения, невидимые человеческому глазу.

«Лазерное воздействие изменяет внутреннюю структуру материалов и позволяет менять их плазмонные свойства. Однако подобные процессы активируют фототермохимические механизмы, затрудняя поиск форматов оптической обработки. Традиционные полуэмпирические методы здесь не работают или не могут быть использованы для объяснения происходящих физико-химических процессов», — говорит Максим Сергеев , научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.

Ученые из Университета ИТМО предложили процедуру, которая позволит управлять плазмонными свойствами композитных оптических материалов в режиме реального времени.

Губчатое стекло

На протяжении тысячелетий человечеству приходилось приспосабливаться к имеющимся в его распоряжении материалам: металлам, дереву, камню, минералам и т. д. Сегодня люди научились адаптировать имеющиеся материалы к своим потребностям, создавая композитные материалы из нескольких компонентов. Эти материалы обладают новыми свойствами и открывают новые возможности. Они весьма перспективны для решения различных задач фотоники, таких как поиск способов создания нелинейных фотопроводящих компонентов, плазмонных элементов, волноводов и даже цветовых палитр в стекле.

«Такие материалы можно использовать в качестве оптических фильтров», — объясняет Павел Варламов , инженер-исследователь факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники. «Белый свет, как известно, состоит из большого количества длин волн, и может потребоваться, например, выделить или исключить определённый диапазон спектра, например, синий или жёлтый. Именно для этого и предназначены оптические фильтры, которые можно использовать в лазерах или рефракторах».

Pavel Varlamov

В зависимости от того, ионы какого металла добавлены в стекло, полученный композит можно использовать для управления различными участками спектра. Например, если добавить в стекло наночастицы серебра и меди, оно будет поглощать излучение в сине-зелёном диапазоне. Однако добавление наночастиц серебра и меди в обычное стекло, например, используемое для изготовления окон или кухонной утвари, — сложный и дорогостоящий процесс, включающий множество химических реакций. Поэтому учёные предпочитают использовать для этих целей специальное нанопористое стекло.

Лазерное изменение

После того, как наночастицы «поместились» в поры, материал подвергается воздействию лазерного излучения, чтобы придать ему новые оптические свойства. Далее всё зависит от того, насколько точно учёным удалось изменить концентрацию и размер наночастиц, поскольку это повлияет на спектральные свойства материала.

«Предложенный нами метод позволяет создавать объёмные микроэлементы с плазмонным резонансным пиком, который можно контролировать в режиме реального времени», — говорит Роман Заколдаев , научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники. «Цель метода — оптимизировать параметры лазерного воздействия с помощью обратной связи».

График, иллюстрирующий процесс лазерного облучения. Источник: mdpi.com

Ученые провели поэтапное исследование изменений структуры композиционных материалов, а именно:

1. Регистрация изменения пропускающей способности образца в зависимости от длительности лазерного облучения;
2. Экспресс-анализ оптических констант наночастиц в процессе облучения;
3. Моделирование спектральных свойств полученных элементов.

Все это позволило контролировать оптические свойства материала в процессе его лазерной обработки.

Моделирование – неотъемлемая часть лазерной обработки деталей

Однако есть проблема: в процессе обработки, направленной на «склеивание» компонентов нового материала, металлические наночастицы меняют свою форму и даже химический состав. В ходе этого процесса материал меняет свой характер взаимодействия с лазерным излучением; по сути, он начинает лучше поглощать излучение в определённом диапазоне спектра. Это создаёт ряд сложностей для процесса обработки.

Чтобы корректировать работу лазера в ходе обработки, учёным необходимо мгновенно проводить сложные расчёты уже произошедших изменений и изменений, которые необходимо будет внести в настройки лазера. Для этого им необходима гибкая физико-математическая модель, которая легла в основу алгоритма, предназначенного для управления процессом обработки данных материалов.

Исследователи из Университета ИТМО предложили физико-математическую модель для описания оптических характеристик фотонных материалов. В частности, она была применена для моделирования оптических свойств наночастиц, внедренных в прозрачные твердотельные матрицы в процессе их фототермохимического синтеза.

График, иллюстрирующий алгоритм. Источник: mdpi.com

«Нам удалось предложить алгоритм расчёта, который представляет электронную структуру, размер и концентрацию наночастиц в сочетании с оптическими свойствами материала как единой эффективной средой», — говорит Максим Сергеев. «Использование алгоритма совместно с моделью диффузионно-контролируемого роста частиц позволило нам отслеживать оптические изменения при лазерной обработке в режиме реального времени».

Работоспособность модели была многократно подтверждена при сравнении её результатов с экспериментальными данными, полученными при обработке образцов стекла различными наночастицами. Она позволяет исследователям получать материалы с точно такими оптическими свойствами, которые изначально были заложены в расчёты.

Предложенный метод позволит сделать создание уникальных оптических плазмонных компонентов дешевым и простым в обращении, открывая новые возможности для их внедрения в промышленное производство.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-10208).

Reference: Maksim M. Sergeev, Roman A. Zakoldaev, Tatiana E. Itina, Pavel V. Varlamov, Galina K. Kostyuk. Real-Time Analysis of Laser-Induced Plasmon Tuning in Nanoporous Glass Composite. Nanomaterials 2020, 10, 1131; doi: 10.3390/nano10061131

источник: https://news.itmo.ru/en/science/news/9570/