Ученым Университета ИТМО в результате совмещения экспериментальных результатов и моделирования удалось реализовать, описать и продемонстрировать такой способ, который позволяет создать микро-размерные элементы с контролируемым в реальном времени оптическими свойствами. Требуется лишь регистрация прошедшей мощности лазерного излучения в сочетании с тщательным численным моделированием, что делает процедуру недорогой и легко реализуемой.

Ученые из международной научной лаборатории лазерных микро- и нанотехнологий и систем также решили вопрос исследования таких элементов, созданных внутри композита. В дополнение к этой процедуре они предложили бесконтактный метод определения размера, концентрации и химического состава наночастиц в любой части созданного элемента. Работа опубликована в журнале Nanomaterials.

Для чего это нужно?

В научных лабораториях постоянно разрабатывают новые композиционные оптические материалы, которые сулят индустрии совершенно новые свойства, способные «перевернуть» ту или иную технологию. Однако придумать такие материалы мало ― необходимо предложить эффективный способ локальной обработки. Зачастую композиты получаются в результате добавления наночастиц в основную матрицу, поэтому необходимо разработать способ контроля положения, размера, концентрации этих частиц без мельчайших, незаметных глазу, отклонений.

«Лазерное воздействие изменяет внутреннюю структуру материала и позволяет подстраивать плазмонные свойства. Однако подобное воздействие активирует фото-термо-химические механизмы, что усложняет поиск оптимальных режимов обработки. Тогда общепринятые полуэмпирические методы не подходят и не позволяют объяснить вовлеченные физические и химические процессы», ― рассказывает научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Максим Сергеев.

Ученые Университета ИТМО предложили процедуру, которая позволит в режиме реального времени контролировать плазмонные свойства композиционных оптических материалов.

Стекло как губка

На протяжении тысячелетий люди вынуждены были подстраиваться под имеющиеся в их распоряжении материалы ― металлы, дерево, камень, минералы и т.д. Сегодня люди научились, наоборот, приспосабливать имеющиеся у них ресурсы под свои требования, создавая так называемые композитные материалы, состоящие из нескольких компонентов, совершенно непохожих по своим свойствам и дающих при соединении новые возможности. Высокий потенциал открывает их использование при решении задач фотоники ― изготовление нелинейных светопроводящих компонент, плазмонных элементов, волноводов и даже цветовой палитры в стекле.

«Такие материалы могут использоваться как оптические фильтры, ― рассказывает инженер-исследователь факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Павел Варламов. ― Белый свет, как известно, состоит из большого числа длин волн, и вам, например, надо выделить или, наоборот, отсечь какой-то спектральный диапазон, например, синий или желтый свет. Именно для этого нужны оптические фильтры, их можно использовать в лазерах и отражателях»

В зависимости от того, ионы какого металла добавляются в стекло, получающийся композит может быть использован для управления разными частями спектра. Так, если в стекло добавить наночастицы серебра и меди, то материал начинает поглощать излучение в сине-зеленой области света. Однако добавлять наночастицы серебра и меди в обычное стекло, которое используют для создания окон или различной посуды, это процесс очень сложный и дорогой, предполагающий многочисленные химические реакции. Поэтому ученые используют для таких целей специальное нанопористое стекло.

Роль лазерного воздействия

После того, как наночастицы «укладывают» в поры, заготовку обрабатывают лазерным излучением, чтобы придать новые оптические свойства материалу. Теперь все зависит от того, насколько точно удастся изменить концентрацию и размер наночастиц ― от этого будут зависеть спектральные характеристики обработанной области.

«Предложенный способ позволяет создать объемные микро-размерные элементы с контролируемым в реальном времени пиком плазмонного резонанса, ― рассказывает научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Роман Заколдаев. ― Способ направлен на оптимизацию параметров лазерной обработки за счет наличия обратной связи»

Ученые провели поэтапное исследование модификации структуры внутри композиционного материала, а именно:

• зарегистрировали изменения пропускания образца от длительности воздействия лазерным излучением;

• провели экспресс-анализ оптических констант наночастиц во время облучения;

• смоделировали спектральные характеристики созданных элементов.

Все это позволило осуществить контроль за оптическими свойствами материала во время лазерной обработки.

Моделирование ― неотъемлемый этап лазерной обработки композитов

Однако есть проблема ― дело в том, что в ходе обработки, призванной «склеить» компоненты нового материала, наночастицы металла меняют форму и даже химический состав. По мере этого процесса материал меняет характер взаимодействия с лазерным излучением ― он начинает лучше поглощать излучение определенного участка спектра. Это вносит некоторые сложности в процесс обработки.

Чтобы адекватно корректировать работу лазера в ходе обработки, ученым необходимо мгновенно производить сложные расчеты изменений, которые уже произошли, и того, как надо перенастроить лазер. Для этого необходима гибкая физико-математическая модель, которая и легла в основу алгоритма управления обработкой таких материалов.

Ученые Университета ИТМО предложили такую физико-математическую модель для описания оптических характеристик используемых материалов фотоники. В частности, проводилось моделирование оптических свойств наночастиц, заключенных в прозрачные твердотельные матрицы, при их фото-термо-химическом синтезе.

«Нам удалось предложить алгоритм вычислений, который связал электронную структуру, размер и концентрацию наночастиц с оптическими свойствами материала в виде эффективной среды, ― поясняет Максим Сергеев. ― Использование алгоритма совместно с моделью диффузионно-управляемого роста частиц позволила отслеживать оптические изменения в процессе лазерной обработки в режиме реального времени.

Функциональность модели неоднократно подтверждалась при сравнении ее результатов с экспериментальными данными, полученными при обработке стекол с различными наночастицами. Это позволяет на выходе получать материал именно с теми оптическими характеристиками, которые были изначально заложены в расчеты.

Предложенная процедура позволяет сделать процесс создания таких уникальных оптических плазмонных элементов недорогим и легким в реализации, что открывает большие перспективы по их внедрению в производство.

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

Статья: 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, 2020/10.3390/nano10061131