В ИТМО разработали способ создания элементов плазмоники — Naked Science
09.07.2020
Университет ИТМО

В ИТМО разработали способ создания элементов плазмоники

4.6

Ученые постоянно придумывают новые материалы, которые сулят индустрии совершенно новые свойства, способные перевернуть ту или иную технологию. Но придумать такие материалы мало – необходимо найти эффективный способ их обработки. Более того, зачастую композиты получаются благодаря добавлению микро- или даже наночастиц в основную структуру, поэтому необходимо разработать способ контроля за тем, чтобы все частицы легли на свое место без мельчайших, незаметных глазу, отклонений. В Университете ИТМО усовершенствовали технологию локальной обработки таких композитов на основе пористого стекла с добавлением серебра и меди. Теперь можно в процессе обработки с очень высокой точностью предсказать оптические свойства получившегося плазмонного элемента.

В ИТМО разработали способ создания элементов плазмоники / ©scx2.b-cdn.net

Работа опубликована в журнале Nanomaterials. На протяжении тысячелетий люди вынуждены были подстраивать свою деятельность под имеющиеся в их распоряжении материалы – металлы, дерево, камень, минералы и так далее. Сегодня люди научились 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 в оптических приборах, таких как лазеры, лидары, датчики, линзы, волноводы – везде, где надо обрабатывать световой сигнал. В частности большие надежды возлагаются на стекло с добавлением наночастиц металлов.

«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 цвет – синий, желтый, красный. Именно для этого нужны оптические фильтры, их можно использовать в лазерах, отражателях, линзах, волноводах».

Иллюстрация процедуры лазерной обработки композита / ©www.mdpi.com

В зависимости от того, ионы какого металла добавляются в стекло, получившийся 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, процесс очень сложный и дорогой. Поэтому ученые используют для таких целей специальное пористое стекло.

После того как наночастицы металлов «укладывают» в поры, заготовку обрабатывают лазером, чтобы придать уникальные свойства материалу, который, например, позволяет точно управлять световым спектром, проводя или поглощая световые лучи строго определенного спектра.

Иллюстрация алгоритма / ©www.mdpi.com

Однако существует проблема – дело в том, что в ходе обработки, призванной «склеить» компоненты нового материала, наночастицы металла меняют форму и даже химический состав, вступая в реакцию с окружающим их стеклом. Это влияет на процесс обработки, делая его результат сложным в контроле. Нельзя просто заранее выставить лазер на определенные показатели и обрабатывать материал с начала до конца – необходимо все время подлаживаться под изменения, которые уже произошли в материале.

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

Максим Сергеев (слева), Роман Заколдаев (по центру) и Владимир Рымкевич (справа) / ©Пресс-служба Университета ИТМО

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 математическая модель, которая могла бы лечь в основу алгоритма управления обработкой.

Ученые Университета ИТМО предложили такую математическую модель, которая учитывает данные о мощности излучения и изменениях, которые оно породило в материале. Это позволяет на выходе получать материал именно с теми оптическими характеристиками, которые были изначально заложены в расчеты.

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

Эта модель позволяет сделать процесс создания таких уникальных оптических метаматериалов недорогим и легким в реализации, что открывает большие перспективы по внедрению таких материалов в производство.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Университет ИТМО (Санкт-Петербург) — национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication.
Вчера, 13:03
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

Вчера, 21:19
Мария Азарова

Руководитель полетов Национального космического агентства США Зебулон Сковилл рассказал, чем обернулся для МКС инцидент с двигателями «Науки».

Вчера, 09:16
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

26 июля
Илья Ведмеденко

Египтяне провели учения, на которых французский истребитель Rafale одолел российский Су-35. Оба самолета принадлежат к четвертому поколению.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: