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.

Научне ръководител: доц. д-р Екатерина Йорданова

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