Фемтосекундна лазерна модификация на различни материали Акроним: FLAMAT

Финансираща организация: Фонд „Научни изследвания“ в рамките на Национална научна програма „ПЕТЪР БЕРОН. НАУКА И ИНОВАЦИИ С ЕВРОПА – 2023“

Базова организация: Институт по физика на твърдото тяло „Акад. Георги Наджаков“ – БАН

Тип изследвания Фундаментални

Начало на проекта: 01 февруари 2024 г.

Край на проекта: 01 февруари 2026 г.

Продължителност: 24 месеца

Обща информация

Фемтосекундното лазерно модифициране е процес, при който се индуцира постоянна (необратима) промяна в характеристиките на повърхността на даден материал в микро- и нано-мащаб, включително топография на повърхността, кристална структура, химичен състав и полимеризация, за да се подобри неговата функционалност.

Основна цел

Основната цел на проекта е да се изследва ефектът на модификация с фемтосекунден лазерен източник върху физико-химичните свойства и функционалността на оптични компоненти с потенциално приложение в лазерната и оптичната индустрии. Фокусът на изследванията е върху различни оптични покрития, като ZrO2, TiO2, Al2O3, SiO2 и др., и различни стъкла и кристали, използвани за подложки при отлагането на тънки покрития, като топен кварц, боросиликат, BK7 и др.

За постигането на целта ще бъдат извършени задълбочени фундаментални изследвания на механизмите и ефектите от фемтосекунднo лазерно-индуцирани повърхностни модификации конкретно върху оптичните линейни и нелинейни свойства, химическата структура, морфологията и повърхностната топография на тези материали. Това включва и въздействието на параметрите на лазерната обработка, като дължина на вълната, продължителност на импулса, честота на повторение, плътност на потока на енергията и т.н. върху модификацията на материала.

Оригиналността и иновативността на проекта са изразени в изследването на зависимостта на свойствата на модифицирания материал от дължината на вълната на лазерния източник, покриваща UV-VIS-IR спектралния диапазон, изследване на влиянието върху нелинейните оптични свойства на материалите и подобряване на функционалността на оптичните подложки, предназначени за отлагане на тънки слоеве.

Планирани дейности

• Подготовка на експериментални образци чрез вакуумно отлагане на единични и многослойни диелектрични покрития с различен показател на пречупване (TiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, SiO₂ и др.) върху оптични подложки.
• Конфигуриране и оптимизация на фемтосекундна лазерна система с възможност за работа в UV–VIS–IR спектралния диапазон.
• Систематично изследване на влиянието на лазерните параметри (дължина на вълната, продължителност на импулса, флуенс, брой импулси, поляризация) върху модификацията на материалите.
• Характеризация на линейните оптични свойства чрез спектрофотометрия и елипсометрия.
• Експериментално определяне на нелинейните оптични параметри (n₂ и β) чрез модифициран z-scan метод.
• Анализ на морфологията и топографията на повърхностите чрез оптична микроскопия, AFM и SEM.
• Изследване на химичната и структурната организация чрез FTIR, Raman и XRD анализи.
• Анализ и интерпретация на резултатите с цел изясняване на механизмите на лазерно-индуцирана модификация.

Очаквани резултати

• Получаване на нови фундаментални знания за механизмите на взаимодействие между фемтосекундно лазерно излъчване и различни оптични материали в ултравиолетовата, видимата и инфрачервената спектрална област.
• Изясняване на влиянието на лазерните параметри (дължина на вълната, продължителност на импулса, флуенс, брой импулси, честота на повторение и поляризация) върху физико-химичните свойства на оптични покрития и подложки.
• Оценка на промените в линейните и нелинейните оптични характеристики на модифицираните материали, включително показател на пречупване, поглъщане и нелинейни оптични параметри.
• Анализ на структурните, морфологичните и химичните изменения, индуцирани от фемтосекундната лазерна обработка, чрез мулти-аналитичен подход.
• Натрупване на систематизирани експериментални данни, необходими за оптимизация на процесите на лазерна повърхностна модификация на оптични материали.
• Създаване на научна основа за бъдещи изследвания и разработки, насочени към подобряване на качеството и функционалността на оптични покрития и подложки, използвани в лазерната и оптичната индустрия.

Потенциални приложения и обществена значимост

• Оптичната и лазерната индустрия, при разработване и оптимизация на функционални оптични покрития за високoенергийни и ултрабързи лазерни системи;
• Нелинейната фотоника, при материали за оптично ограничаване, управление на лазерни снопове и ултрабързи оптични процеси;
• Фундаментални и приложни изследвания, свързани с повишаване надеждността и дълготрайността на оптични компоненти.

Работни пакети

Работен пакет 1: Административно управление на проекта
Работният пакет е насочен към организацията, управлението и координацията на всички проектни дейности. Включва планиране на изследователската програма, осигуряване на необходимите ресурси, подготовка на междинни и финални научни и финансови отчети, както и координация между участниците в проекта.

Работен пакет 2: Изследователска част 1: Оптични покрития
Фокусът е върху подготовката на тънкослойни оптични покрития и тяхната фемтосекундна лазерна модификация. В рамките на пакета се извършва оптимизация на лазерните параметри и първоначално експериментално тестване на процесите на модификация при различни материали.

Работен пакет 3: Изследователска част 2: Оптични подложки
Работният пакет е насочен към изследване на фемтосекундната лазерна модификация на стъкла и кристали, използвани като подложки за тънки покрития (fused silica, боросиликатно стъкло, BK7 и др.). Целта е да се оцени потенциалът за подобряване на тяхната функционалност и взаимодействие с отлагани покрития.

Работен пакет 4: Аналитична оценка и характеристика
Този пакет обхваща цялостната характеристика на материалите преди и след лазерната обработка. Включва измерване на линейни и нелинейни оптични свойства, структурен и химичен анализ, както и морфологична и топографска оценка с цел изясняване на механизмите на модификация.

Работен пакет 5: Разпространение и популяризиране на резултатите
Работният пакет е посветен на научната комуникация и разпространение на резултатите чрез публикации в международни списания, участие в научни конференции, публично достъпни научни данни и интернет видимост на проекта.

Публикации

Sub-Ablative Femtosecond Laser Modification of the Nonlinear Optical Response of Amorphous TiO2 Thin Films. Coatings, 16(2), 220. 

Atanassova, V., Yankov, G., Shumanov, K., Karatodorov, S., Miloushev, I., Tenev, T., Iordanova, E., Strijkova, V., Katrova, V., & Zahariev, I. (2026).

https://doi.org/10.3390/coatings16020220

Финален отчет >>

Научне ръководител: доц. д-р Екатерина Йорданова

Главен изследовател: гл. ас. д-р Виктория Тодорова Атанасова