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.
Ученым удалось не просто превратить инфракрасный свет в фиолетовый, но получить глубокий ультрафиолет. Такое излучение сильно локализовано, обладает очень короткой длиной волны и распространяется в виде фемтосекундных импульсов.
«Мы впервые создали метаповерхность, которая стабильно излучает сверхкороткие импульсы большой интенсивности в ультрафиолетовом диапазоне, — отмечает Антон Цыпкин, ассистент кафедры фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО. — Такое излучение может использоваться в биологии и медицине, поскольку фемтосекундные импульсы способны более точечно воздействовать на биологические объекты».
С помощью глубокого ультрафиолета можно, к примеру, запечатлеть молекулу во время химического превращения, а изучив ход реакции по таким изображениям, понять, как управлять ею.
«Одна фемтосекунда по сравнению с одной секундой — это почти как одна секунда по сравнению со временем жизни Вселенной. Это даже быстрее, чем дрожат атомы в молекулах, поэтому такие короткие импульсы способны рассказать многое о структуре вещества в движении», — говорит первый автор статьи Сергей Макаров, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Новая технология может найти приложение и в оптических коммуникациях.
«Используя сверхкороткие лазерные импульсы для передачи информации, мы сможем значительно уплотнить ее поток и увеличить его скорость, что, в свою очередь, повысит быстродействие систем передачи и обработки данных. К тому же такие метаповерхности можно внедрить в оптический чип и с их помощью переключать частоту излучения. Это позволит разделять потоки данных и параллельно производить большие объемы вычислений», — комментирует Антон Цыпкин.
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.
Тонкие структуры, такие как метаповерхности, не дают импульсам расплываться, но пока имеют более низкую эффективность. При этом и метаповерхности, и кристаллы обычно сложны и дороги в изготовлении. Однако в новой работе ученым удалось значительно упростить и удешевить производство метаповерхностей, сохранив их эффективность на уровне дорогостоящих аналогов.
Статья: Makarov S.V., Tsypkin A.N., Voytova T.A., Milichko V.A., Mukhin I.S., Yulin A.V., Putilin S.E., Baranov M.A., Krasnok A.E., Morozov I.A., Belov P.A., (2016), Self-adjusted all-dielectric metasurfaces for deep ultraviolet femtosecond pulse generation, Nanoscale.
