Гигантские оптические и нелинейно-оптические эффекты в плазмонных фотоннокристаллических структурахНИР

Giant optical and nonlinear optical phenomena in a plasmonic photonic band gap structures

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Гигантские оптические и нелинейно-оптические эффекты в плазмонных фотоннокристаллических структурах
Результаты этапа: Основные ожидаемые научные результаты 1. Будут созданы двумерные массивы наночастиц на твердотельных подложках, а также пористые матрицы с синтезированными в порах наночастицами золота или серебра. Для получения трехмерных пористых структур будет использована технология электрохимического травления кремния, а также термический отжиг таких структур – для получения пористых структур на основе пористого кварца. Будут изготовлены структуры с варьируемыми пористостью, плотностью расположения и размерами пор, отработана методика заполнения пор наночастицами, оптимизированы режимы отжига и синтеза наночастиц с требуемой поверхностной плотностью. 2. Будут впервые изготовлены металлодиэлектрические одномерные и двумерные фотонные кристаллы на основе пористого кремния или кварца с осажденными на внутреннюю поверхность пор плазмонными наночастицами. Особое внимание будет уделено синтезу структур с совмещением спектрального положения плазмонного резонанса наночастиц и резонаторной фотоннокристаллической моды. 3. Будет исследовано усиление комбинационного рассеяния света в 2D и 3D металлодиэлектрических структурах на основе однородных пленок, а также фотонных кристаллов пористого кремния и кварца. Будут выявлены оптимальные параметры структур для достижения гигантского усиления КР в трехмерных пористых металлодиэлектрических материалах. 4. Квадратичные и кубичные нелинейно-оптические свойства 2D и 3D металлодиэлектрических структур будут исследованы методами спектроскопии второй оптической гармоники, а также методами Z-сканирования (нелинейной рефракции и поглощения). Будут определены оптимальные параметры структуры композитов, обеспечивающие максимальное усиление гигантских оптических эффектов вблизи резонанса локальных поверхностных плазмонов в массивах наночастиц в диэлектрической матрице. 5. Будет исследован механизм генерации второй оптической гармоники в металлодиэлектрических плазмонных средах: изучена степень когерентности излучения гармоники, направленность, параметры Стокса. Из индикатрис рассеяния ВГ будут определены длины когерентности нелинейных источников. 6. Будут определены максимальные коэффициенты нелинейной рефракции и нелинейного поглощения в трехмерных металлодиэлектрических композитах на основе (прозрачного!) пористого диоксида кремния. 7. Будет развита модель генерации ВГ в пространственно-неоднородных металлодиэлектрических средах в зависимости от поверхностной или объемной плотности наночастиц металла, с учетом роли подложки в формировании спектра и пространственного распределения локальных оптических полей. Будет развито феноменологическое описание нелинейно-оптического отклика композитных металлодиэлектрических фотонных кристаллов на основе пористных сред, на внутренней поверхности которых расположены наночастицы металлов. В течение первого года выполнения проекта будут получены следующие результаты 1. Будут изготовлены серии двумерных структур наночастиц металла на кремниевых и кварцевых подложках с вариацией плотности и размера наночастиц серебра и золота. Наночастицы серебра и золота будут получены методом восстановлении ионов Ag+ и Au3+ соединением борогидрида натрия в присутствии стабилизаторов. Закрепление частиц на поверхности подложек будет осуществлено за счет модификации поверхности кремния или диоксида кремния функциональными группами NH2- или SH. Будут изготовлены серии образцов с вариацией плотности частиц, их размера (от 5 -200 нм), толщины оксида кремния (контролируется временем отжига). 2. Будет развит метод синтеза наночастиц металла в порах однородных пластин пористого кремния или кварца. Варьируемыми параметрами будут средний диаметр пор, глубина пор, размер синтезируемых частиц и их плотность. Синтез таких структур будет сопровождаться их диагностикой с использованием электронной сканирующей микроскопии высокого разрешения. 3. Будет проведена структурная характеризация наночастиц серебра и золота на поверхности кремния и кварца, определены средний размер и дисперсия размеров наночастиц, их поверхностная плотность, наличие конгломератов. 4. В двумерных массивах наночастиц металла будет исследована генерация оптической второй гармоники – измерены спектры интенсивности ВГ, измерены индикатрисы рассеяния ВГ, определены корреляционные длины, характеризующие масштабы локализации нелинейных источников. Поскольку резонанс локальных поверхностных плазмонов в серебряных наночастицах на поверхности кварца ожидается в области 350-450 нм, то спектроскопия ВГ с использованием в качестве накачки перестраиваемого лазера на титанате сапфира (диапазон перестройки 700-860 нм) позволит его диагностировать на длине волны ВГ. 5. Будут проведены тестовые измерения спектроскопии рамановского рассеяния в изготовленных двумерных и трехмерных металлодиэлектрических структурах, проведена оценка факторов усиления комбинационного рассеяния. Измерения усиления комбинационного рассеяния будет проводиться с использованием красителей типа Родамин 6G. В качестве источника излучения накачки будет использоваться непрерывный твердотельный лазер на длине волны генерации 532 нм. Будут определены оптимальные параметры для предлагаемой технологии создания планарных плазмонных структур с оптимизацией на максимальную эффективность изучаемых эффектов.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Гигантские оптические и нелинейно-оптические эффекты в плазмонных фотоннокристаллических структурах
Результаты этапа: 1) Будут выполнены сравнительные исследования генерации второй гармоники и комбинационного рассеяния света в композитных структурах на основе пористого кварца с наночастицами серебра, изготовленными разными методами и внедренными в пористую структуру. Будут варьироваться методы заполнения пор, концентрация частиц в порах, размер пор в структуре. На основе результатов этих исследований будет выбран оптимальный метод синтеза и внедрения в структуру пористых матриц кварца частиц благородных металлов. 2) Будут изготовлены структуры на основе однородных пластин пористого кварца с периодической модуляцией плотности частиц благородных металлов в одном из направлений. Для изготовления структур будут использованы прекурсоры серебра (hfac)COD или Ag (FOD), восстанавливаются при облучении лазером на длине волны в районе 400нм. Периодическая структура областей восстановления будет создаваться путем создания стоячей световой фотовосстанавливающей волны внутри пористой матрицы. Будет использован один из методов введения прекурсоров в пористую матрицу: пропитка растворами, флюидная сверхкритическая импрегнация, или вакуумная инфузия. 3) Методом конечных разностей во временной области (FDTD) будет выполнен расчет конфигурации фотонных кристаллов на основе пористого кварца с частицами благородных металлов для эффективного вывода излучения из структур на комбинационных оптических частотах, спектрально близких к плазмонному поглощению. 4) Планируется экспериментально создать структуры с эффективным выводом наружу излучения на комбинационных частотах за счет структурирования объёмной пористой подложки на слои двух типов: генерирующие сигнал и светопроводящие, с высокой и низкой концентрацией частиц металла, соответственно. Для этого будет решена задача создания слоистой структуры с неоднородным распределением наночастиц и способы вывода оптического сигнала КР из подобной композитной структуры. Планируется использовать методику формирования структур на основе пористого кремния с разной пористостью, а также применять такие структуры в геометрии Лауэ.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Гигантские оптические и нелинейно-оптические эффекты в плазмонных фотоннокристаллических структурах
Результаты этапа: Проект направлен на изучение гигантских оптических эффектов в новых композитных структурах на основе объемных массивов плазмонных наночастиц в диэлектрических матрицах. Особенностью создаваемых структур является наличие квазиупорядоченности на микромасштабах в сочетании с эффектами резонансного возбуждения локальных поверхностных плазмонов в наночастицах металла. В результате выполнения проекта были проведены работы по развитию технологии заполнения пористой матрицы из кварца плазмонными наночастицами серебра. Оптимальной для этого была признана методика пропитки пористой матрицы наночастицами в полимерной оболочке, обеспечивающими агрегативную устойчивость в растворе. Однако было установлено, что наличие дополнительной полимерной оболочки на наночастицах существенно снижает усиление рамановского рассеяния, в связи с чем была разработана новая методика создания рамановски активных сред путем восстановления металлического серебра в инертной атмосфере из нитрата серебра при нагревании до температуры 350грС, в качестве удерживающей основы для наночастиц предложено использовать бумагу на основе алюмосиликатного волокна с предварительной пропитки водным раствором нитрата серебра с концентрацией 0.03М. Коэффициент усиления составил 10е7 для красителя родамин 6G при не резонансном возбуждении на длине волны 661нм. Проведена спектроскопия нелинейного поглощения и интенсивности насыщения поглощения композитных сред с частицами серебра со средним размером 10нм. Получены значения по порядку величины близкие для подобных структур с ионно-имплантированными частицами в стекле. Предложенная технология позволяет достигать больших концентраций наночастиц и толщин композитных сред. Значение коэффициента нелинейного поглощения и интенсивности насыщения в спектральном максимуме плазмонного поглощения составило 4*10^-6 см/Вт и 4*10^7Вт/см^2, соответственно. Были проведены тестовые измерения усиления рамановского рассеяния модельных веществ на плоских подложках, синтезированных на основе углеродных наностенок с последующим напылением золота. Определены минимально детектируемые концентрации 10 нМ для родамина 6G, 10 мкМ для триптофана, тирозина, кератина. Была разработана схема корректировки пучка лазерного диода для оптимального согласования мод резонатора титан-сапфирового лазера и накачки. Это позволило собрать титан-сапфировый лазер, работающий в непрерывном и фемтосекундном режимах генерации излучения с накачкой от единичного синего лазерного диода большой мощности. Выходная мощность составила 170 мВт при длительности импульса 15фс, и частоте повторения импульсов 87МГц. По нашим данным, в России это было сделано впервые

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".