Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
Проект: Фотоиндуцированные взаимодействия атомов с твердыми поверхностями и их применение для микро-структурирования металлических пленок с помощью сингулярных световых пучков
Научный руководитель: Вартанян Тигран Арменакович
Участники проекта: Институт физических исследований Национальной академии наук Республики Армения, Аштарак, Армения; Университет ИТМО, С.-Петербург, Россия
Заказчик: Российский фонд фундаментальных исследований, 15-52-05030
Результаты проекта:
Впервые проведен эксперимент по получению микроструктурированной металлической пленки при одновременном напылении металла и освещении поверхности подложки пространственно структурированным лазерным излучением, препятствующим адсорбции в наиболее ярко освещенных областях. Благодаря использованию недифрагирующих бесселевых пучков в отпаянной кювете получены кольцеобразные осадки металлического натрия и металлического рубидия на поверхности сапфировой подложки. Пространственный период структуры натрия составил 15 мкм в полном соответствии со структурой темных колец бесселевого пучка. Установлено, что металлические кольца состоят из отдельных гранул, обладающих интенсивными полосами плазмонного поглощения. Выполнены эксперименты по возбуждению фотодесорбции атомов индия и алюминия. Установлено, что интенсивность 0,5 кВт/см2 на длине волны 377 нм недостаточна для получения структурированных осадков индия и алюминия. Теоретически рассмотрены оптические процессы в приграничных областях разреженных атомарных паров, обусловленные столкновениями возбужденных атомов с поверхностью твердого тела. Выяснена связь между макроскопическими добавочными граничными условиями и микроскопическим описанием неупругого рассеяния атомов на поверхности в условиях сильной пространственной дисперсии, обусловленной движением атомов. Рассчитаны заселенности ряда возбужденных уровней атома рубидия при каскадном двухчастотном возбуждении в наноячейке толщиной 500 нм с учетом тушения возбужденных атомов на стенках кюветы. Из сопоставления теоретических и экспериментальных значений интенсивности флуоресценции определена средняя величина вероятности неадиабатического перехода из состояния 5D5/2 в состояние 6P3/2 при ударе стенку, составившая 0,06. Получены спектры фотодесорбции атомов рубидия с поверхности сапфира. Измерены времяпролетные спектры атомов рубидия десорбированных с поверхности сапфира под действием излучения в диапазоне от 420 до 518 нм. По результатам измерений оценена средняя кинетическая энергия десорбированных атомов, составившая 0,25 эВ и на этом основании сделан вывод о том, большая часть энергии кванта десорбирующего излучения передается в колебания решетки, а также расходуется на преодоление адсорбционного потенциала. Совместно с армянским партнером выполнены эксперименты по линейной бездоплеровской спектроскопии паров рубидия в магнитном поле. Выполнение данного эксперимента существенным образом опирается на использование уникальной наноячейки, в которой движение атомов рубидия ограничено стенками кюветы, образующими зазор, равный половине длины волны резонансного перехода в атоме рубидия, а именно, 390 нм. Преимущества данной конфигурации были подробно обоснованы в нашей теоретической работе, а реализация стала возможной благодаря уникальной технологии создания высокотемпературных наноячеек армянского партнера. На основании расчетов селективного отражения, модифицированного столкновениями возбужденных атомов с поверхностью оптического окна кюветы, исследовано гигантское возрастание вероятностей атомных переходов D2 линии Cs в сильных магнитных полях при селективном отражении.
Выполнен расчет нелинейного взаимодействия резонансного лазерного излучения с атомарными парами щелочных металлов в сверхтонкой ячейке, в которой основные процессы также обусловлены частыми столкновениями возбужденных атомов с поверхностью ограничивающих пары окон кюветы.
Установлено, что при выбранных условиях осаждения и одновременного облучения металлический осадок образуется только в неосвещенных областях. Изображение металлического осадка в оптическом микроскопе приведено на рисунке 1.
Рисунок 1. Изображение осадка металлического натрия в оптическом микроскопе.
По спектрам экстинкции полученных металлических пленок установлено, что пленки состоят из отдельных металлических гранул, обладающих плазмонными резонансами.
Рисунок 2. Спектр экстинкции металлического осадка натрия. Обнаруженные полосы плазмонного поглощения связаны с образованием отдельных металлических наночастиц. Спектр экстинкции сплошной пленки монотонно растет при увеличении длины волны.
Публикации:
1. Вартанян Т.А. Лазерная спектроскопия сверхтонких слоев атомарных паров // Химическая физика. 2015. Т. 34. №8. С. 73–77.
2. Sargsyan A., Hakhumyan G., Tonoyan A., Petrov P.A., Vartanyan T.A. Study of the Rb D2-Line Splitting in a Strong Transverse Magnetic Field with Doppler-Free Spectroscopy in a Nanocell // Optics and Spectroscopy. 2015. V. 119. No. 2. P. 202-207.
3. Sargsyan A., Petrov P.A., Vartanyan T.A., Sarkisyan D. Electromagnetically Induced Transparency in Potassium Vapors: Features and Restrictions // Optics and Spectroscopy. 2016. V. 120. No. 3. P. 339–344.
4. Drampyan R., Leonov N., Vartanyan Т. Application of non-diffracting Bessel beams for shaping of surface metal microstructures // Journal of Modern Optics. 2016. V. 63. Iss. 14. P. 1347-1353.
5. Sargsyan A., Amiryan A., Vartanyan T.A., Sarkisyan D. Studying the Regime of Complete Decoupling of the Bond between the Electron and Nuclear Moments at the D1-Line of the 39K Potassium Isotope Using a Spectroscopic Microcell // Optics and Spectroscopy. 2016. V. 121. No. 6. P. 790–797.
6. Саргсян А., Амирян А., Леруа К., Вартанян Т.А., Петров П. А., Саркисян Д. Гигантское возрастание вероятностей атомных переходов D2 линии Cs в сильных магнитных полях при селективном отражении // Оптический журнал . 2016. Т.83, №11, C. 11-16.
7. Тодоров Г., Полищук В. А., Крастева А., Саргсян А., Карталева С., Вартанян Т.А. Расчет нелинейного взаимодействия лазерного излучения с атомарными парами щелочных металлов в сверхтонкой ячейке // Оптический журнал. Т. 83. №11. C. 17-26.
8. Вартанян Т.А. Современные проблемы оптики атомарных паров // Оптический журнал Т.83. №11.C. 8-10. 2016.
9. G. Todorov, V. Polischuk, , A. Krasteva, S. Cartaleva, A. Sargsyan, T. Vartanyan. Nonlinear resonances sign reversal and longitudinal alignment on the resonant levels of 133Cs thin-layer vapour // Proceedings of SPIE. 2016. V. 10226. P. 102260M-1 - 102260M-6.
10. Drampyan R, Leonov N. Vartanyan T. Laser controlled deposition of metal microstructures via nondiffracting Bessel beam illumination // Proceedings SPIE. 2016. V. 9884, P. 98841J-1 - 98841J-7.
11. T.A. Vartanyan. Spatial dispersion and additional boundary conditions in the photonics of warm atomic vapors // Second Russian-Britain Workshop for Young Scientists “Advanced Polaritonics and Photonics” 12.03.2015 − 15.03.2015 Suzdal/Vladimir, Russia. Invited Talk. Program and Book of Abstracts. P. 19-21.
12. Petrov P.A., Pazgalev A.S., Vartanyan T.A. Non-linear spectroscopy of Rb vapor in a nanocell: The role played by excited atom-wall collisions in blue light generation. //Book of abstracts of International Conference “Laser Physics 2015” Ashtarak, Armenia, from 6 to 9 October, 2015. P. 54-55.
13. T. Vartanyan, A. Sargsyan, V. Polischuk, A. Krasteva, St. Cartaleva, G. Todorov. Influence of spontaneous emission on the linear and nonlinear resonances of alkali atoms confined in an Extremely Thin Cell // 23rd International Conference on Spectral Line Shapes June 19-24, 2016 Toruń, Polandhttp://icsls23.fizyka.umk.pl/
14. T.A. Vartanyan. Spectroscopic characterization of highly excited atoms colliding with solid surfaces // 23rd International Conference on Spectral Line Shapes June 19-24, 2016 Toruń, Poland http://icsls23.fizyka.umk.pl/
15. P.A. Petrov, A.S. Pazgalev, T.A. Vartanyan. Photodesorbtion of Rb atoms from glass and sapphire surfaces // Laser Optics http://www.laseroptics.ru/
16. Tigran Vartanyan, Rafael Drampyan, Nikita Leonov. Physical vapor deposition of metal microstructures under the laser control // International Symposium Fundamentals of Laser Assisted Micro– & Nanotechnologies (FLAMN-16) St. Petersburg, 27.06.2016 – 01.07.2016 http://lpc.ifmo.ru/flamn16/
17. Т.А. Вартанян. Спектроскопия пространственно-ограниченных паров // 25-й Съезд по спектроскопии, 2016, 03-07 октября 2016 Москва, Троицк.