Лаборатория нелинейной и экстремальной нанофотоники

Научные результаты:

• Исследованы эффекты генерации третьей оптической гармоники в изготовленных образцах одиночных наночастиц непрямозонных полупроводников методами нелинейно-оптических измерений в случае гауссовых и цилиндрических векторных пучков лазерного излучения накачки.
• Показано, что усиление нелинейно-оптического сигнала наблюдается в магнитном квадрупольном резонансе одиночной частицы при ее возбуждении азимутально-поляризованным векторным пучком излучения накачки и в электрическом квадрупольном резонансе в случае радиально-поляризованного векторного пучка.
• Получены изображения в обратной Фурье-плоскости методом поляриметрии параметров Стокса для выявления структуры распределения поляризации и интенсивности излучения генерации третьей оптической гармоники в одиночном субволновом нанообъекте.
• Показано численно и экспериментально, что тримеры наночастиц кремния, в которых возможно возбуждение магнитных дипольных резонансов типа Ми, обладают различной симметрией нелинейно-оптического отклика в зависимости от расстояния между частицами внутри кластера, а также длины волны излучения накачки. Данный эффект не проявляется в отклике отдельных резонансных наночастиц и возникает в результате ближнепольной оптической связи между наночастицами кремния в тримере. Генерация третьей гармоники от субволновых кремниевых нанодисков усиливается в 25 раз по отношению к объемному кремнию, когда его фундаментальная магнито-дипольная мода резонансно возбуждается фемтосекундными лазерными импульсами. Демонстрируется, что сигнал третьей гармоники сильно зависит от расстояния между нанодиском и волноводом с детектируемым максимальным коэффициентом модуляции до 4,5. Было обнаружено, что наличие волновода повышает генерацию третьей гармоники от нанодиска, что объясняется перераспределением локальных полей и уменьшением излучательных потерь системы, что приводит к большему значению нелинейной поляризации третьего порядка.
• Разработана методика создания волноводных структур с планарными элементами заведения – выведения света (на основе метода двухфотонной лазерной литографии). Разработана и создана установка, реализующая метод микроскопии рассеянного излучения с полным набором возможностей анализа излучения как в прямом пространстве, так и в пространстве волновых векторов.
• Проведено исследование возбуждения и распространения поверхностных электромагнитных волн в созданных волноводных структурах методом микроскопии рассеянного излучения. Получены данные о количестве волноводных мод и значениях их эффективных показателей преломления в зависимости от геометрических параметров волноводов.
• Продемонстрированы устройства фотоники на основе поверхностных электромагнитных волн – разветвители на два и три канала, а также интерферометры Маха-Цендера.
• Установлено в магнитофотонных кристаллах численно и экспериментально, что возбуждение блоховской поверхностной волны может контролироваться при помощи внешнего магнитного поля благодаря эффекту Фарадея. Численно полученное максимальное значение фарадеевского вращения при возбуждении ПЭВ в структуре достигает 12 градусов.
• Показано усиление интенсивностного МО сигнала в образцах, поддерживающих возбуждение магнитного и электрического дипольных резонансов Ми в видимой и ближней ИК частях спектра. Величина эффекта составила 0,5% при возбуждении уединенного МД резонанса и 20% при гибридизации МД и ЕД резонансов в магнитофотонных метаповерхностях.
• В одномерных магнитоплазмонных кристаллах экспериментально показано, что оптический и магнитооптический отклики в сильной степени определяются профилем поверхности. Синусоидальный пространственный профиль дает в 3 раза больший сигнал ЭМОЭК.
• Экспериментально показана возможность управления величиной и спектральным ЭМОЭК в двумерных нанорешетках золото-ЖИГ за счет азимутального вращения образца. Величина достигала значений 4,5*10^-4 при возбуждении как резонанса волноводной моды, так и локального плазмона. Отработан захват золотых частиц размером порядка 50 нм, кремниевых частиц диаметром 100–200 нм и наноалмазов размером порядка 200 нм.
• Определены спектральные положения резонансов рассеяния и не совпадающие с ними спектральные положения максимума ближнего поля в зазоре между кремниевыми нанодисками различного радиуса. Показано, что при увеличении радиуса положение резонансов смещается в красную область спектра, и путем выбора оптимального радиуса максимальное усиление может быть реализовано на требуемой длине волны излучения.
• Определены значения оптической силы, действующей на частицы в зазоре между кремниевыми нанодисками для различного радиуса дисков, и определены оптимальные значения радиуса дисков для каждой величины зазора между ними при фиксированной высоте дисков, значение которой определяется толщиной пленки, используемой для производства. Расчеты потенциальной энергии частицы показали, что стабильный оптический захват 100-нм полистироловых наночастиц может быть реализован при освещении структуры излучением с мощностью 10 кВт/см^2.
• Изготовлены димеры кремниевых нанодисков для осуществления захвата диэлектрических наночастиц в усиленном ближнем оптическом поле. Образцы охарактеризованы методами электронной микроскопии и спектроскопии рассеяния в темном поле. Показано, что димеры в пределах каждого из изготовленных массивов достаточно однородны, что позволяет использовать любой из них для проведения экспериментов.
• Проведены расчеты спектров рассеяния на димерах кремниевых сфер в воде и сил оптического взаимодействия между кремниевыми частицами при освещении их плоской электромагнитной волной. Показано, что силы взаимодействия между частицами осциллируют с периодом около длины волны излучения в среде и могут соответствовать как притяжению, так и отталкиванию. Величина сил взаимодействия на малых расстояниях существенно увеличивается при использовании излучения с резонансной длиной волны.
• Показано, что форма частиц, изготавливаемых таким образом, близка к сферической, однако среди них встречаются агрегаты, не подходящие для создания на их основе метамолекул, что обусловливает необходимость дальнейших работ в направлении сортировки кремниевых частиц и/или усовершенствования методики изготовления водных суспензий кремниевых наночастиц.
• Определено, что в растворе с концентрацией мономеров более 70% процессы захвата частиц и манипулирования ими неустойчивы из-за высокой вязкости раствора, значительная часть частиц выпадает в осадок. В растворе с концентрацией мономеров менее 30% не реализуется механически устойчивая полимеризация резиста.
• Определены оптимальные параметры экспонирования для концентраций мономера в диапазоне 30–70% путем визуализации процесса полимеризации непосредственно во время экспонирования, а также измерения тестовых микроструктур с помощью атомно-силовой микроскопии. Пороговое значение мощности излучения для 50% раствора составило 2,5 мВт.
• Продемонстрирована возможность улучшения разрешения метода двухфотонной лазерной литографии на примере хиральных микроструктур, состоящих из вокселей с разным расстоянием между ними (в созданных растворах фоторезистов, содержащих полистироловые частицы с диаметром от 1 до 10 мкм).
• Проведена печать таких структур повоксельным методом и их характеризация методами сканирующей атомно-силовой и электронной микроскопии. Обнаружено, что экспонирование через микрочастицу позволяет улучшить разрешение метода более чем в 2 раза. Средний поперечный размер вокселя составил 300–400 нм при прямом экспонировании и 150 нм при экспонировании через микрочастицу. Пороговая мощность экспонирования через микрочастицу снизилась в полтора раза и составила 1,6 мВт. В случае захвата плазмон-активных наночастиц минимальный размер вокселя сохраняется на уровне 300 нм, при этом наночастицы встраиваются в полимеризованную сетку и не могут быть повторно использованы.
• Продемонстрирована возможность точного позиционирования Ми-резонансных кремниевых наночастиц методом оптического лазерного пинцета, совмещенного с методикой двухфотонной лазерной полимеризации.
• Изготовлен образец, в котором частицы с диаметром 230–250 нм прикреплялись к подложке в виде квадратных ячеек со стороной ячейки 5 мкм. Полученные результаты демонстрируют возможность позиционирования одиночных наночастиц с точностью лучше 1 мкм.
• Численно продемонстрировано отклонение оптического излучения, падающего под нормалью на полупроводниковую метаповерхность, состоящую из наноантенн разного поперечного размера. Дифракционная эффективность достигает 40%.
• Численно подобраны оптимальные параметры для нанорезонаторов, формирующих полупроводниковую метаповерхность, для эффективного возбуждения спектрально перекрытых электрических и магнитных дипольных резонансов в них.
• Рассчитаны фазовые сдвиги в проходящей через структуру электромагнитной волне, которых удается достичь при приложении к элементам полупроводниковой метаповерхности электрического напряжения.
• Численно продемонстрировано отклонение оптического излучения, падающего под нормалью на полупроводниковую метаповерхность, состоящую из геометрически идентичных наноантенн, к которым приложен градиент электрического напряжения. Показана возможность перестройки угла отклонения при изменении градиента приложенного напряжения. Дифракционная эффективность достигает 35%.

Внедрение результатов исследования:

• Созданы образцы прямых и изогнутых волноводов на поверхности одномерных фотонных кристаллов и проведена их характеризация методами оптической и атомно-силовой микроскопии.

• Разработана и собрана установка оптического пинцета, где для формирования градиентной лазерной ловушки используется излучение фемтосекундного лазера.

• Реализованы схемы визуализации захвата данных частиц методами оптической микроскопии, в том числе в темном поле и микроскопией с поляризационным контрастом.

• Методом лазерной абляции получена суспензия кремниевых частиц в широком диапазоне размеров от 20 до 600 нм.

• Созданы водные растворы фоторезиста SR 9035 в диапазоне концентраций мономера (10–90%) с разбавленными в них частицами оксида кремния и полистирола (диаметр 1–10 мкм), Ми-резонансными частицами кремния с диаметром 230–250 нм, а также золотыми наночастицами с диаметром 40 нм. Характерные концентрации диэлектрических частиц в фоторезисте составили 5000 частиц на 1 мкл, что соответствует примерно 10 частицам в поле зрения объектива, и металлических частиц – более 50000 на 1 мкл.

• Разработаны чертежи одномерных и двумерных наноструктур.

Образование и переподготовка кадров:

• Принято 5 аспирантов.

• Защиты: 2 кандидатские диссертации, 8 выпускных квалификационных работ магистра, 6 выпускных квалификационных работ бакалавров.

Сотрудничество:

• Сандийские национальные лаборатории (США), Институт хранения данных (Сингапур), Технологический университет Сиднея (Австралия): совместные исследования, опубликован ряд статей в журналах

• Тоёхасийский технологический университет (Япония), Австралийский национальный университет (Австралия), Лёвенский католический университет (Бельгия), Институт общей физики имени А. М. Прохорова, Балтийский федеральный университет имени И. Канта: совместные исследования, студенческие обмены, опубликован ряд статей в журналах