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.

Максим Сергеев
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»

Павел Варламов
Павел Варламов

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»

Иллюстрация процедуры лазерной обработки композита. Изображение из статьи (www.mdpi.com).
Иллюстрация процедуры лазерной обработки композита. Изображение из статьи (www.mdpi.com).

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.

Иллюстрация алгоритма. Изображение из статьи (www.mdpi.com)
Иллюстрация алгоритма. Изображение из статьи (www.mdpi.com)

«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

Перейти к содержанию