ИСТИНА

Данный проект направлен на исследование новых оптических эффектов, обусловленных взаимодействием высокоиндексных слабопоглощающих наночастиц и метаповерхностей из них с фемтосекундными импульсами различной формы, а также на разработку моделей наноструктурных элементов для последующего создания качественно новых устройств для фемтосекундной оптики.

In the last decade, the interest in the optical properties of structures of high index semiconductor nanoparticles with low losses (for example, Si, Ge, TiO2) increased incrementally. Their response to a continuous wave (CW) irradiation was studied in detail, and many new optical effects were obtained, arising primarily due to the ability to excite both electrical and magnetic multipole moments in such particles and almost the complete absence of absorption. Based on the detected phenomena, several ultra-thin optical systems (about a few tens of nanometers thick) have been developed. These systems have functionality that is unattainable for the conventional ones. Despite the large number of groups in the world carrying out these researches, the field still is far from exhaustion being regularly replenished with new discoveries. It should be noted that, while the interaction of femtosecond laser pulses with matter is one of the most advanced problems of modern coherent and nonlinear optics, the response of such semiconductor (in the literature the name "dielectric" due to low absorption is adopted) nanoparticles to ultra-short laser pulses has not been practically studied yet. Bearing in mind that, the characteristic transient time-scale for many resonance phenomena in nanophotonics is comparable with the duration of the femtosecond incident pulse, it creates the grounds for the emergence of fundamentally new non-stationary effects. Given the rich mode composition of the fields of dielectric nanostructures, due, as already noted, to the presence of eigenmodes of both types (electric and magnetic), having different resonant frequencies and quality factors, it can be expected that the interaction of ultra-short pulses with them will lead to the emergence of qualitatively new phenomena, which do not exist at stationary scattering. This project is an attempt to fill in the gap. It is aimed at studying new optical effects due to the interaction of high-index low-absorption nanoparticles and meta-surfaces from them with femtosecond pulses of various shapes, as well as at developing models of nanostructured elements for the subsequent creation of qualitatively new devices for femtosecond optics. It seems most interesting to consider the temporal dynamics of states that in the stationary mode are non-scattering (dark modes) and, accordingly, the meta-surfaces of such particles are almost completely transparent. In this regard, nanoparticles and meta-surfaces in the anapole and hybrid-anapole state (the recently discovered state protected in a stationary state from both the environment and the substrate, the femtosecond response of which, in turn, strongly depends on the environment and substrate) and the meta-surfaces in the vicinity of destructive Fano resonances will be investigated theoretically and experimentally. Being similar in the stationary states, these excitations have completely different mode compositions and will allow realizing different time dynamics and effects. The combination of the completely different properties in continuous and pulse regimes will provide an opportunity to develop new optical elements with dual functionality (for example, new ultra-thin dynamic mirrors, light filters, modulators, polarizers, etc.), which presently do not exist.

1 год. Теория 1. Модификация метода квази-нормальных мод (QNMs) и мультипольного разложения для описания взаимодействия фемтосекундных импульсов с наночастицами. 2. Формулировка приемов модуляции фемтосекундных импульсов при помощи высокоиндексных наночастиц (например, Si, Ge, TiO2) в режиме анапольного и/или гибридно-анапольного состояния. Описание модового состава и его эволюции для указанных состояний в зависимости от подложки. 3. Определение динамики диаграммы направленности и ближних полей цепочек наночастиц (например, Si, Ge, TiO2) в анапольном состоянии (гибридном либо обычном) и механизмов взаимодействия собственных мод наночастиц в режиме импульсного излучения. Параметры расположения частиц (постоянные решетки) и подложки (материал и показатель преломления) будут варьироваться. 4. Определение динамики взаимодействия (результирующая форма, задержка и т.д.) фемтосекундных импульсов с метаповерхностью из наночастиц с высоким показателем преломления в состоянии деструктивного Фано-резонанса, что будет соответствовать полной прозрачности относительно непрерывного излучения. 5. Формулировка методов возбуждения, описание типа и динамики поверхностных волн в указанной структуре, которые именно в импульсном режиме взаимодействия могут вносить существенный вклад в отражение и пропускание, так как в них может закачиваться (в начале импульса) и рассеиваться (после окончания импульса) энергия. Эксперимент 6. Фабрикация образцов Фано, анапольных и гибридно-анапольных метаповерхностей на различных подложках с различными периодами. 7. Фабрикация образцов метаповерхности на зеркале для исследования эффектов динамического зеркала (и последующего прототипирования на 3 году проекта) в импульсном режиме облучения. 8. Фабрикация образцов неупорядоченных метаповерхностей на подложке для исследования влияния порядка и его отсутствия на оптические свойства. 9. СЭМ-фотографии образцов. 10. Внесение коррективов в процедуру фабрикации на основе сравнения микрофотографий и ожидаемых параметров. Публикации в высокорейтинговых журналах. Промежуточный отчет по проекту. 2 год. Теория 1. Изучение и классификация динамики оптического отклика метаповерхности (отражение и пропускание) из наночастиц (SI, Ge, TiO2) в гибридном анапольном состоянии и/или в обычном анапольном состоянии (критически отличаются с точки зрения модового состава и должны по-разному влиять на импульс) в поле фемтосекундных импульсов в зависимости от подложки (например, из стекла, сапфира, кремния и т.д., что сильно влияет на возбуждение мод в частицах и, как результат – на их взаимодействие с импульсами). Получение формы отраженных и прошедших импульсов при различных режимах облучения. 2. Предыдущий результат для случая зеркальной подложки. Результат исследования возможности полного поглощения импульса. 3. Результаты расчетов оптического отражения и пропускания гибридной анапольной метаповерхностью фемтосекундных импульсов (на длине волны гибридного анаполя, соответственно, и при фиксированной подложке) в зависимости от периода расположения частиц и их упорядоченности (например, случай хаотического расположения наночастиц). 4. Выработка методов модулирования и тюнинга сигнала при помощи гибридной анапольной метаповерхности за счет варьирования параметров наночастиц, их расположения и типа подложки. При этом в поле непрерывного излучения метаповерхность остается практически полностью прозрачной. 5. Выработка методов возбуждения поверхностных волн в анапольных и гибридно-анапольных метаповерхностях. Как отмечалось выше, они могут вносить существенный вклад во взаимодействие с фемтосекундными импульсами. Эксперимент 6. Оптические спектры образцов метаповерхностей, полученных на первом году реализации проекта в непрерывном облучении для верификации наличия нерассеивающего состояния. 7. Результаты экспериментального исследования взаимодействия гауссовых фемтосекундных импульсов с имеющимися образцами метаповерхностей для структур с различными периодами, степенью упорядоченности и различными подложками, включая зеркальную (форма, вид, фаза отраженных и прошедших импульсов и т.д.). 8. Предыдущий результат в случае других, отличающихся от гауссовых форм падающего импульса. Публикации в высокорейтинговых журналах. Промежуточный отчет по проекту. 3 год. Теория 1. Модель анапольных и гибридно-анапольных состояний с учетом термооптических эффектов. Эволюция состояния наночастиц при нагреве. 2. Динамика оптического отклика (отражения и пропускания) гибридно-анапольной метаповерхности при наличии нагрева и соответствующей термооптической нелинейности. 3. Критические параметры интенсивности падающего излучения и нагрева, при которых сохраняются обнаруженные на предыдущем этапе нетривиальные свойства структур. 4. Теоретические модели динамического зеркала, динамического светофильтра и поляризатора. 5. Модель модулятора фемтосекундного сигнала, прозрачного в непрерывном режиме облучения. 6. Теоретические модели плоских сверхтонких оптических элементов, поддерживающих разную функциональность для непрерывного и импульсного излучения, на основе гибридно-анапольных метаповерхностей. Эксперимент 7. Экспериментальные прототипы на основе разработанных теоретических моделей новых оптических устройств. 8. Результаты спектроскопических измерений прототипов в непрерывном и импульсном режимах. Публикации в высокорейтинговых журналах. Итоговый отчет по проекту.

Руководителю проекта, М.И. Трибельскому принадлежат пионерские работы по нестационарным резонансным эффектам при рассеянии света нанобъектами [S.E. Svyakhovskiy, V.V. Ternovski, and M.I. Tribelsky Optics Express, 27, 23894–23904 (2019); M.I. Tribelsky and A.E. Miroshnichenko Phys. Rev. A., 100, 053824 (2019); M.I. Tribelsky and A.E. Miroshnichenko, arXiv:2004.10569v1], которые легли в основу настоящего проекта. Следует отметить и недавно написанный им для журнала УФН обширный обзор последних работ по резонансному рассеянию света субволновыми металлическими частицами [arXiv:2009.08538]. Ответственный исполнитель С. Е. Свяховский обладает опытом изготовления и исследования различных устройств нанофотоники. Им был разработан оригинальный метод получения фотонных кристаллов с числом периодов до 2500 и высоким оптическим контрастом [Svyakhovskiy S.E., Maydykovsky A.I., Murzina T. V. J. Appl. Phys., 112(1):013106, 2012.]; были открыты и исследованы многие оптические эффекты, ранее предсказанные теоретически, но требовавшие экспериментальных образцов значительной оптической толщины: дифракционное деление фемтосекундных импульсов [S.E. Svyakhovskiy, et al. Phys. Rev. A 86(1):013843–4, 2012], генерация второй оптической гармоники в геометрии Лауэ [D.A. Kopylov, S.E. Svyakhovskiy, L.V. Dergacheva,et al. Phys. Rev. A 93, 5, 053840, 2016] и др. Участниками проекта разработаны соответствующие численные и аналитические методы расчета оптических параметров наноструктур в системах научного моделирования. Написана программа для расчета оптических свойств нанообъектов в структурированных лучах. Освоен метод определения амплитуд мультипольных моментов, возбужденных в нанообъекте (до 5-го порядка, включая тороидальные моменты до 3-го порядка), что необходимо для решения обратных оптических задач, а также разработан метод для расчета коллективных эффектов, имеющих место в метаповерхностях и др.

Комплексное теоретическое и экспериментальное описание нестационарных эффектов при резонансном рассеянии света наночастицами, их кластерами и метаповерхностями из таких частиц при различной симметрии расположения наночастиц на этих поверхностях.