Моделирование оптических поляризационных процессов на лазерно-модифицированном титане с пленкой поливинилового спирта

  • Анна Владимировна Цибульникова Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8578-0701
  • Артемий Александрович Ханкаев Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-0661-5228
  • Дмитрий Александрович Артамонов Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация
  • Илья Геннадьевич Самусев Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5026-7510
  • Василий Анатольевич Слежкин Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, Калининград 236022, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-2801-7029
  • Иван Игоревич Лятун Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-4988-8077
  • Валерий Вениаминович Брюханов Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-4689-7207
Ключевые слова: плазмонный резонанс, лазерное структуирование, круговая поляризация, метаповерхность, пленка ПВС

Аннотация

      Исследованы оптические спектры поверхностных плазмон-поляритонов на лазерно-модифицированном титане с осажденной микронной полимерной пленкой поливинилового спирта (ПВС).
       Метаповерхность титана создавалась лазерным фемтосекундным воздействием l = 1.035 мк и длительностью t = 280 фс с линейной и круговой поляризацией излучения. Пакеты лазерных импульсов точечно наносились на поверхность шагом через 100 мк через ti = 25–750 мс. При линейной поляризации излучения на скрайбированной поверхности титана возникали дорожки сканов «ripple» («рябь») структур с плотностью штрихов до N ~1200 мм–1. Установлено, что при круговой поляризации воздействующего излучения на титан, возникали абляционные точечные каверны с лепестковыми кольцевыми «ripple» нано-микроструктурами вдоль линии распространения импульсов луча.
         Проведено математическое моделирование действительной Re (e) и мнимой Im (e) диэлектрических проницаемостей и установлено практически полное совпадение спектральных параметров в спектрах отражения поляризованного излучения. При анализе спектров так же было установлено наличие максимума поглощения в ИК-области, обусловленного присутствием пленки ПВС.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Анна Владимировна Цибульникова, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация

к. ф.-м. н.,
старший научный сотрудник НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника»,
Балтийский федеральный университет имени
Иммануила Канта (Калининград, Российская Федерация)

Артемий Александрович Ханкаев, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация

аспирант,
техник НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Балтийский федеральный
университет имени Иммануила Канта (Калининград, Российская Федерация)

Дмитрий Александрович Артамонов, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация

аспирант,
техник НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Балтийский федеральный
университет имени Иммануила Канта (Калининград, Российская Федерация)

Илья Геннадьевич Самусев, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация

кандидат физико-математических наук, заместитель проректора по
научной работе – начальник управления научно-исследовательских работ, директор НОЦ «Фунда-ментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника», Балтийский федеральный университет имени
Иммануила Канта (Калининград, Российская Федерация)

Василий Анатольевич Слежкин, Калининградский государственный технический университет, Советский пр., 1, Калининград 236022, Российская Федерация

к. х. н, доцент,
Калининградский государственный технический
университет (Калининград, Российская Федерация)

Иван Игоревич Лятун, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация

к. ф.-м. н., научный сотрудник, Лаборатория рентгеновской когерентной
оптики, Балтийский федеральный университет
имени Иммануила Канта (Калининград, Российская Федерация)

Валерий Вениаминович Брюханов, Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, ул. Александра Невского, 14, Калининград 236016, Российская Федерация

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НОЦ «Фундаментальная и прикладная
фотоника. Нанофотоника», Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (Калининград, Российская Федерация)

Литература

Y., Shen X. Femtosecond laser-induced large area of periodic structures on chalcogenide glass via twice laser direct-writing scanning process. Optics & Laser Technology. 2020;124: 105977. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105977

Messaddeq S. H., Vallée R., Soucy P., Bernier M., El-Amraoui M., Messaddeq Y. Self-organized periodic structures on Ge-S based chalcogenide glass induced by femtosecond laser irradiation. Optics Express. 2012;20(28): 29882–29889. https://doi.org/10.1364/OE.20.029882

Lim H. U., Kang J., Guo C., Hwang T. Y. Femtosecond laser-induced dual periodic structures on Ni. Frontiers in Optics. 2017. Washington, D.C.: OSA; 2017. https://doi.org/10.1364/FIO.2017.JTu3A.41

Simões J. G. A. B., Riva R., Miyakawa W. Highspeed laser-induced periodic surface structures (LIPSS) generation on stainless steel surface using a nanosecond pulsed laser. Surface and Coatings Technology. 2018;344: 423–32. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.03.052

Bonse J, Kirner S V., Krüger J. Laser-induced periodic surface structures (LIPSS). In: Handbook of laser micro- and nano-engineering. Springer Nature; 2020. pp. 1–59. https://doi.org/10.1007/978-3-319-69537-2_17-2

Lorenz P., Zagoranskiy I., Ehrhardt M., Zimmer K. P. Laser-induced large area sub-µm and nanostructuring of dielectric surfaces and thin metal layer. In: Proc. SPIE 10906, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XIII, 109060T, 4 March 2019. https://doi.org/10.1117/12.2510206

Silvennoinen M., Hasoň S., Silvennoinen R. Optical resonance on LIPSS sensed by polarized light. In: Proc. SPIE 9066, Eleventh International Conference on Correlation Optics, 90660X, 17 December 2013. https://doi.org/10.1117/12.2047104

Rathmann L., Beste L. H., Radel T. Laser based process chain to use LIPSS on forming tools. Surface and Coatings Technology. 2021;426: 127761. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127761

Romano J. M., Garcia-Girón A., Penchev P., Dimov S. S. Durability and wear resistance of LIPSS. In: Proc. Volume 11674, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XV; 116740N. 2021. p. 19. https://doi.org/10.1117/12.2584010

Karkantonis T., Gaddam A., See T. L., Joshi S. S., Dimov S. Femtosecond laser-induced sub-micron and multi-scale topographies for durable lubricant impregnated surfaces for food packaging applications. Surface and Coatings Technology 2020;399: 126166. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126166

Gazizova M. Y., Smirnov N. A., Kudryashov S. I., … Prokopenko N. A. Correlation of the tribological properties of LIPSS on TiN surface with 3D parameters of roughness. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1014(1): 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1014/1/012014

Exir H., Weck A. Mechanism of superhydrophilic to superhydrophobic transition of femtosecond laser-induced periodic surface structures on titanium. Surface and Coatings Technology 2019;378: 124931. https://doi.org/10.1016/j.surf-coat.2019.124931

Orazi L., Pelaccia R., Mishchenko O., Reggiani B., Pogorielov M. Fast LIPSS based texturing process of dental implants with complex geometries.CIRP Annals. 2020;69(1): 233–236. https://doi. org/10.1016/j.cirp.2020.04.065

Orazi L., Pogorielov M., Deineka V., … Reggiani B. Osteoblast cell response to LIPSS-modified Ti-implants. Key Engineering Materials. 2019;813: 322–327. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.813.322

Khorkov K. S., Kochuev D. A., Dzus M. A., Prokoshev V. G. Wettability surface control on stainless steel by LIPSS formation. Journal of Physics: Conference Series. 2021; 1822(1): 012010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1822/1/012010

Zyubin A., Kon I., Tcibulnikova A., … Demin M. Numerical FDTD-based simulations and Raman experiments of femtosecond LIPSS. Optics Express. 2021;29(3): 4547–4558. https://doi.org/10.1364/oe.413460

Vorobyev A. Y., Guo C. Femtosecond laser nanostructuring of metals. Optics Express. 2006;14(6): 2164. https://doi.org/10.1364/OE.14.002164

Zhang W., Cue N., Yoo K. M. Emission linewidth of laser action in random gain media. Optics Letters. 1995;20(9): 961. https://doi.org/10.1364/OL.20.000961

Drachev V. P., Chettiar U. K., Kildishev A. V., Yuan H.-K., Cai W., Shalaev V. M. The Ag dielectric function in plasmonic metamaterials. Optics Express. 2008;16; 1186–1195. https://doi.org/10.1364/OE.16.001186

De Sio L., Placido T., Comparelli R., … Bunninge T. J. Next-generation thermo-plasmonic technologies and plasmonic nanoparticles in optoelectronics. Progress in Quantum Electronics. 2015;41: 23–70. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2015.03.001

Chauhan M., Kumar Singh V. Review on recent experimental SPR/LSPR based fiber optic analyte sensors. Optical Fiber Technology. 2021; 64. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102580

Misra S., Zhang D., Qi Z., … Wang H. Morphology control of self-assembled three-phase Au-BaTiO3- ZnO hybrid metamaterial for tunable optical properties. Crystal Growth and Design. 2020;20(9): 6101–8. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.0c00801

Jia X., Wang X. Optical fishnet metamaterial with negative, zero, positive refractive index and nearly perfect absorption behavior at different frequencies. Optik. 2019;182: 464–468. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.01.066

Kim J., Han K., Hahn J. W. Selective dual-band metamaterial perfect absrber for infrared stealth technology. Scientific Reports. 2017;7(1): 6740. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06749-0

Pralle M. U., Moelders N., McNeal M. P., Puscasu I., Greenwald A. C., Daly J. T., Johnson E. A. Photonic crystal enhanced narrow-band infrared emitters. Applied Physics Letters. 2002;81(25): 4685–4687. https://doi.org/10.1063/1.1526919

Sikdar D., Pendry J. B., Kornyshev A. A. Nanoparticle meta-grid for enhanced light extraction from light- mitting devices. Light: Science and Applications. 2020;9(1): 1–11. http://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-00357-w

Naik G. V., Kim J., Boltasseva A. Oxides andnitrides as alternative plasmonic materials in the optical range. Optical Materials Express. 2011;1(6): 1090. https://doi.org/10.1364/OME.1.001090

Sakurai A., Bo Z., Zhang Z. Prediction of the resonance condition of metamaterial emitters and absorbers using LC circuit model. In: International Heat Transfer Conference 15, August, 10-15, 2014, Kyoto, Japan. 2014. pp. 7067–7076. https://doi.org/10.1615/IHTC15.rad.009012

Wei D., Hu C., Chen M., … Xie C. Optical modulator based on the coupling effect of different surface plasmon modes excited on the metasurface. Optical Materials Expres.s 2020;10(1): 105–118. https://doi.org/10.1364/ome.382116

Tao H., Bingham C. M., Strikwerda A. C., … Averitt R. D. Highly flexible wide angle of incidence terahertz metamaterial absorber: Design, fabrication, and characterization. Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2008;78: 241103. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.241103

Alves F., Kearney B., Grbovic D., Karunasiri G. Narrowband terahertz emitters using metamaterial films. Optics Express. 2012;20(19): 21025–21032. https://doi.org/10.1364/OE.20.021025

Lazzini G., Romoli L., Tantussi F., Fuso F. Nanostructure patterns on stainless-steel upon ultrafast laser ablation with circular polarization. Optics and Laser Technology. 2018;107: 435–442. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.06.023

Khorasaninejad M., Chen W. T., Devlin R. C., Oh J., Zhu A. Y., Capasso F. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subw aveleng thre solutionimaging. Science . 2016;352(6290): 1190–1194. https://doi.org/10.1126/science.aaf6644

Öktem B., Pavlov I., Ilday S., Kalaycıoğlu H., Rybak A., Yavaş S., Erdoğan M., Ömer F. Nonlinear laser lithography for indefinitely large-area nanostructuring with femtosecond pulses. Nature Photonics. 2013;7(11): 897–901. https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.272

Dostovalov A. V., Korolkov V. P., Babin S. A. Formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Ti films by a femtosecond IR Gaussian beam: regimes, limiting factors, and optical properties. Applied Physics B: Lasers and Optics. 2017;123: 30. https://doi.org/10.1007/s00340-016-6600-z

Emmony D. C., Howson R. P., Willis L. J. Laser mirror damage in germanium at 10.6 μm. AppliedPhysics Letters. 1973;23(11): 598–600. https://doi.org/10.1063/1.1654761

Sipe J. E., Young J. F., Preston J. S., van Driel H. M. Laser-induced periodic surface structure. I. Theory. Physical Review B. 1983;27(2): 1141–1154. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.27.1141

Maier S. A. Plasmonics: fundamentals and applications. New York: Springer; 2007. https://doi.org/10.1007/0-387-37825-1

/ Klimov V. V. Nanoplasmonics*. Moscow: Physmathlit Publ.; 2009. 115 p. (In Russ.)

Inouye H., Tanaka K., Tanahashi I., Hirao K. Ultrafast dynamics of nonequilibrium electrons in a gold nanoparticle system. Physical Review B. 1998;57:11334–11340. https://doi.org/10.1103/Phys-RevB.57.11334

Grua P., Morreeuw P., Bercegol H., Jonusauskas G., Vallée F. Electron kinetics and emission for metal nanoparticles exposed to intense laser pulses. Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2003;68(12): 035424. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.035424

Agranovich V. M., Mills D. L. Modern problems in condensed matter sciences. Amsterdam: North-Holland Publishing Company; 1982. pp. 3–717. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-86165-8.50001-3

Brodskii A. M., M. I. Urbakh. Optics of rough surfaces of metals. Sov. Phys. JETP. 1985;62(2): 391–399. Available at: http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/e_062_02_0391.pdf

Anisimov S. I., Luk’yanchuk B. S. Selected problems of laser ablation theory. Physics-Uspekhi 2002;45(3): 293–324. https://doi.org/10.1070/PU2002v045n03ABEH000966

Gerasimenko Yu. V., Logacheva V. A., Khoviv A. M. Synthesis and properties of titanium dioxide thin films. Condensed Matter and Interphases. 2010;12(2): 113–118. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15176043

Hou Y. Q., Zhuang D. M., Zhang G., Zhao M., Wu M. S. Influence of annealing temperature on the properties of titanium oxide thin film. Applied Surface Science. 2003;218(1–4): 98–106. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00569-5

Makarov E. S., Kuznetsov M. L. The crystal structure and chemical character of lower oxides of titanium ТiO0–0.48. Journal of Structural Chemistry. 1960;1: 156–162. https://doi.org/10.1007/BF00738933

Chibisov A. N., Bizyuk A. O. Electronic structure of titanium dioxide nanoparticles*. Vestnik Amurskogo gosudarstvennogo universiteta. 2008;(43): 22–23. (In Russ.). Available at: https://www.elibrary.ru/item.

asp?id=19007690

Surface enhanced raman scattering. R. Chang, T. Furtak (eds.). New York and London: Springer; 1982. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-9257-0

Gräf S., Müller F. A. Polarisation-dependent generation of fs-laser induced periodic surface structures. Applied Surface Science. 2015;331: 150–155. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.01.056

Kang M., Chen J., Wang X. L., Wang H. T. Twisted vector field from an inhomogeneous and anisotropic metamaterial. Journal of the Optical Society of America B. 2012;29(4). 572–576. https://doi.org/10.1364/JOSAB.29.000572

Bäuerle D. Laser processing and chemistry. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; 1996. 279 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-03253-4

Ford G. W., Weber W. H. Electromagnetic interactions of molecules with metal surfaces. Physics Reports. 1984;113(4): 195–287. https://doi.org/10.1016/0370-1573(84)90098-X

Rosenberg H. M. The solid state : an introduction to the physics of solids for students of physics, materials science, and engineering. Oxford University Press; 1992. 315 p.

Опубликован
2022-11-01
Как цитировать
Цибульникова, А. В., Ханкаев, А. А., Артамонов, Д. А., Самусев, И. Г., Слежкин, В. А., Лятун, И. И., & Брюханов, В. В. (2022). Моделирование оптических поляризационных процессов на лазерно-модифицированном титане с пленкой поливинилового спирта. Конденсированные среды и межфазные границы, 24(4), 545-558. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/10559
Раздел
Оригинальные статьи