RU2534454C1

RU2534454C1 - Method of forming subdiffractive quasiregular single- and two-dimensional nanotexture of material surface and device for its realisation

Info

Publication number: RU2534454C1
Application number: RU2013116605/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Кудряшов; Андрей Алексеевич Ионин; Сергей Владимирович Макаров; Леонид Владимирович Селезнев
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-11-27
Also published as: RU2013116605A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: method is based on the irradiation of a material surface by multiple focused ultrashort pulses (USP) femto- or short picosecond, pulses of a polarised electromagnetic field, instant - during each USP - excitation by them on the surface of superficial electromagnetic waves, interference during each USP of the USP falling on the surface and/or excited by them superficial plasmon-polaritons, on the surface, and local ablative removal of material after each USP from the areas of interference maximums on the surface of the photo-excited material with the formation of a regular single- or two-dimensional relief. The USP parameters - duration, central wavelength and spectrum width, spectral chirp, and the energy density are selected in such a way as to provide a resonance excitation of the superficial plasmon itself for a metal or electron-excited semi-conductor/dielectric from the entire branch of the superficial plasmon-polaritons, or directionally adjust the resonance of the superficial plasmon to the USP spectrum by the photoinduced change of the optic material constants under the USP impact, with the further dynamic support of the resonance excitation of the superficial plasmon during USP. The claimed method is realised by means of a respective device.

EFFECT: invention makes it possible to increase the spatial resolution of the method of subdiffractive single- and two-dimensional nanotexturing of the surface of various materials - metals, semiconductors, dielectrics - under an impact of multiple ultrashort pulses, with an increase of the periodicity of single- and two-dimensional superficial nanotexture.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области формирования субдифракционной квазирегулярной одно- и двумерной нанотекстуры (иначе - наноструктуры) поверхности различных материалов для устройств нанофотоники, плазмоники, трибологии или для создания несмачиваемых покрытий.The invention relates to the field of formation of a subdiffraction quasiregular one- and two-dimensional nanotexture (in other words, nanostructures) of the surface of various materials for nanophotonics, plasmonics, tribology devices or for creating non-wettable coatings.

Известны способы направленного создания квазирегулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов с помощью оптической и электронной литографии, непосредственного распыления ионным или электронным пучком [1]. Общими недостатками данных способов являются необходимость вакуумирования наноструктурируемых образцов, довольно низкая скорость и высокая стоимость фабрикации, в случае литографии - необходимость использования резиста и его последующей химической обработки.Known methods for the directed creation of quasiregular one- and two-dimensional nanotexture of the surface of various materials using optical and electronic lithography, direct sputtering by an ion or electron beam [1]. Common disadvantages of these methods are the need for evacuation of nanostructured samples, rather low speed and high cost of fabrication, in the case of lithography - the need to use a resist and its subsequent chemical processing.

В то же время, существует также способ непосредственного субдифракционного одно- и двумерного наноструктурирования поверхностей самых различных материалов - металлов, полупроводников, диэлектриков - множественными ультракороткими (фемто- и пикосекундными) импульсами электромагнитного поля УФ, оптического и ИК диапазона (УКИ), который не имеет указанных выше недостатков (прототип) [2, 3]. Суть данного способа формирования субдифракционной регулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов заключается в облучении поверхности материалов множественными фокусированными УКИ с произвольной длительностью в диапазоне 30-5000 фс (в большинстве случаев - 30-200 фс), с произвольной центральной длиной волны (определяющейся, как правило, фундаментальной длиной волны коммерческих фемтосекундных и пикосекундных лазерных систем, а также доступностью их высших - как правило, второй и третьей - гармоник) и достаточно произвольной плотностью энергии лазерного излучения на поверхности, лежащей в диапазоне между порогами неоднородной (локальной) и однородной (повсеместной) откольной абляции материалов при указанных условиях облучения. Нанотекстурирование поверхности при этом происходит в результате интерференции падающего на поверхность импульсного лазерного излучения и/или наведенных им на поверхности поверхностных электромагнитных волн (поверхностных плазмон-поляритонов, ПЭВ). В максимумах интерференции УКИ-ПЭВ локально происходит более интенсивное поглощение энергии электромагнитного излучения с дополнительным возбуждением электронной подсистемы материала, термализация энергии электронной подсистемы с переносом части энергии в фононную подсистему, а затем плавление и абляционное удаление материала с формированием периодического нанорельефа поверхности.At the same time, there is also a method of direct subdiffraction one- and two-dimensional nanostructuring of the surfaces of a wide variety of materials - metals, semiconductors, dielectrics - by multiple ultrashort (femto- and picosecond) pulses of the electromagnetic field of UV, optical and infrared (USP), which does not have the above disadvantages (prototype) [2, 3]. The essence of this method of forming a subdiffraction regular one- and two-dimensional nanotexture of the surface of various materials is to irradiate the surface of materials with multiple focused ultrashort pulses with an arbitrary duration in the range of 30-5000 fs (in most cases, 30-200 fs), with an arbitrary central wavelength (determined by as a rule, the fundamental wavelength of commercial femtosecond and picosecond laser systems, as well as the availability of their higher - as a rule, second and third - harmonics) and enough a random energy density of laser radiation on a surface lying in the range between the thresholds of inhomogeneous (local) and homogeneous (universal) spallation ablation of materials under the indicated irradiation conditions. In this case, nanotexturing of the surface occurs as a result of interference of pulsed laser radiation incident on the surface and / or surface electromagnetic waves induced by it on the surface (surface plasmon polaritons, SEWs). At the maximums of the USP-PEV interference, a more intense absorption of electromagnetic radiation energy occurs with additional excitation of the electronic subsystem of the material, thermalization of the energy of the electronic subsystem with the transfer of part of the energy to the phonon subsystem, and then melting and ablative removal of the material with the formation of a periodic nanorelief of the surface.

Соответствующее устройство для субдифракционного одно- и двумерного наноструктурирования поверхностей (Фиг.1) включает в себя интенсивный источник импульсов электромагнитного поля УФ, видимого и/или ИК диапазона фемто- или пикосекундной длительности с возможностью регулирования длительности импульсов (1), систему контроля параметров излучения (2), системы транспортировки (3) и фокусировки излучения (4), а также систему позиционирования (сканирования) (5) мишени (6), которая может располагаться в вакуумной камере, в ячейке с жидкостью или непосредственно в атмосфере воздуха.The corresponding device for subdiffraction one- and two-dimensional nanostructuring of surfaces (Figure 1) includes an intense source of pulses of the electromagnetic field of the UV, visible and / or IR range of the femto or picosecond duration with the ability to control the pulse duration (1), a radiation parameter monitoring system ( 2), the transportation system (3) and radiation focusing (4), as well as the positioning (scanning) system (5) of the target (6), which can be located in a vacuum chamber, in a cell with liquid or backhoes in air.

Основным недостатком данного способа формирования субдифракционной регулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов под действием УКИ и используемого для его реализации устройства является относительно низкое пространственное разрешение (низкая периодичность Λ) одно- и двумерной поверхностной нанотекстуры - в лучшем случае, на уровне Λ≈100-200 нм [2, 3]. Данный недостаток устраняется с помощью предложенного изобретения, включающего новый способ формирования субдифракционной регулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов и реализующего его устройства.The main disadvantage of this method of forming a subdiffraction regular one- and two-dimensional nanotexture of the surface of various materials under the action of ultrashort pulses and the device used for its implementation is the relatively low spatial resolution (low periodicity Λ) of one- and two-dimensional surface nanotexture - at best, at the level of Λ≈100 -200 nm [2, 3]. This disadvantage is eliminated with the help of the proposed invention, which includes a new method for the formation of regular subdiffraction one- and two-dimensional nanotexture of the surface of various materials and the device implementing it.

Задача, решаемая изобретением, заключается в устранении недостатка прототипа, то есть в многократном повышении пространственного разрешения способа субдифракционного одно- и двумерного нанотекстурирования поверхностей различных материалов - металлов, полупроводников, диэлектриков - под действием множественных УКИ, с повышением периодичности одно- и двумерной поверхностной нанотекстуры до Λ≈20-100 нм.The problem solved by the invention is to eliminate the disadvantage of the prototype, that is, to significantly increase the spatial resolution of the method of subdiffraction one- and two-dimensional nanotexturing of surfaces of various materials - metals, semiconductors, dielectrics - under the influence of multiple ultrashort pulses, with an increase in the periodicity of one and two-dimensional surface nanotexture to Λ≈20-100 nm.

Для решения поставленной задачи предложено выбрать особые параметры УКИ фемто- или пикосекундной длительности - его длительность, центральную длину волны, ширину и спектральный чирп (временная последовательность спектральных компонент в течение УКИ) спектра, плотность энергии. Выбор центральной длины волны, ширины спектра и/или длительности УКИ позволяет направленно подстроить спектр этого возбуждающего фемто- или пикосекундного излучения в именно резонанс поверхностного плазмона (ПП) для металла или полупроводника/диэлектрика, электронно-возбужденного в результате воздействия указанного выше излучения, а не просто в произвольную точку ветви поверхностных плазмон-поляритонов на дисперсионных зависимостях энергии ПЭВ hω от их действительного волнового числа k, обратно пропорционального длине волны ПЭВ, например, для фотовозбужденого кремния с плотностями электрон-дырочной плазмы 1×10²¹ см^-3 (пунктирная кривая) и 3×10²¹ см^-3 (сплошная кривая) (Фиг.2). Аналогично, сам ПП-резонанс (область двойного плато, показанного стрелками на Фиг.2), для металла или электронно-возбужденного полупроводника/диэлектрика может быть направленно динамически подстроен под спектр УКИ путем изменения оптических постоянных материала при воздействии излучения того же самого УКИ, в зависимости от его плотности энергии. Поскольку оптические постоянные материала вследствие фотовозбуждения меняются, меняется и спектральное положение ПП-резонанса, поэтому использование просто широкополосного УКИ или, что более оптимально, специально чирпированного широкополосного УКИ с временной последовательностью спектральных компонент, близко повторяющих спектральную динамику положения ПП-резонанса в течение времени воздействия УКИ, позволит поддерживать его резонансное возбуждение на поверхности материала. Длина волны резонансно возбуждаемого ПП может составлять Λ~1 нм и лимитируется затуханием электромагнитного излучения в металле или фотовозбуженном полупроводнике/диэлектрике, которое может быть снижено при использовании УКИ с длительностью порядка 10 фемтосекунд и менее, поскольку длительность воздействия УКИ, возбуждающего ПП, будет меньше характерного времени релаксации момента носителей заряда, резко уменьшая затухание ПП. Для уменьшения длины ПП поверхность материала может быть дополнительно покрыта слоем диэлектрической среды, частично прозрачной для излучения УКИ. Более того, при возбуждении ПП-резонанса падающий на поверхность УКИ наиболее эффективно преобразуется в ПЭВ (а именно - в поверхностный плазмон) с многократно большей амплитудой поля. Таким образом, возбуждение ПП-резонанса позволяет многократно (в десятки раз) уменьшить длину волны возбуждаемых ПЭВ и многократно (на несколько порядков величины) увеличить их амплитуду электромагнитного поля.To solve this problem, it was proposed to select specific parameters of the ultrashort pulse of the femto or picosecond duration - its duration, central wavelength, width and spectral chirp (time sequence of spectral components during ultrashort pulse) of the spectrum, energy density. The choice of the central wavelength, spectrum width and / or ultrashort pulse duration allows one to directionally adjust the spectrum of this exciting femto or picosecond radiation to the surface plasmon (PP) resonance for a metal or semiconductor / dielectric electronically excited as a result of the above radiation, rather than just at an arbitrary point on the branch of surface plasmon polaritons on the dispersion dependences of the SEW energy ω on their real wave number k inversely proportional to the SEW wavelength, example, for photoexcited silicon with electron-hole plasma densities of 1 × 10 ²¹ cm ^-3 (dashed curve) and 3 × 10 ²¹ cm ^-3 (solid curve) (Figure 2). Similarly, the PP resonance itself (the region of the double plateau shown by arrows in FIG. 2) for a metal or electronically excited semiconductor / dielectric can be directionally dynamically tuned to the ultrashort pulse spectrum by changing the optical constants of the material when exposed to the radiation from the same ultrashort pulse, depending on its energy density. Since the optical constants of the material change due to photoexcitation, the spectral position of the PP resonance also changes; therefore, the use of just wideband ultrashort pulses or, more optimally, specially chirped broadband ultrashort pulses with a time sequence of spectral components closely repeating the spectral dynamics of the position of the PP resonance during the exposure time , will maintain its resonant excitation on the surface of the material. The wavelength of a resonantly excited PP can be Λ ~ 1 nm and is limited by the attenuation of electromagnetic radiation in a metal or photoexcited semiconductor / dielectric, which can be reduced when using ultrashort pulses with a duration of the order of 10 femtoseconds or less, since the duration of exposure to ultrashort pulses exciting PP will be less than the characteristic the relaxation time of the moment of charge carriers, drastically reducing the attenuation of the PP. To reduce the length of the PP, the surface of the material can be additionally covered with a layer of a dielectric medium partially transparent for ultrashort radiation. Moreover, upon the excitation of the PP resonance, an ultrashort pulse incident on the surface is most efficiently converted to a SEW (namely, to a surface plasmon) with a much larger field amplitude. Thus, the excitation of the PP resonance allows one to repeatedly (tens of times) reduce the wavelength of the excited SEWs and repeatedly (by several orders of magnitude) increase their amplitude of the electromagnetic field.

В результате воздействия на поверхность материала УКИ с выбранной центральной длиной волны (соответствующей длине волны резонанса ПП), шириной и чирпом его спектра, а также длительностью УКИ и плотностью энергии, на поверхности происходит эффективное возбуждение волн ПП, распространяющихся в обе (противоположные) стороны в направлении поляризации УКИ и интерферирующих как с полем УКИ, так и между собой (в этом случае, с уменьшением периода вдвое). Если при этом спектр УКИ динамически перекрывает резонанс ПП, процесс резонансного возбуждения ПП продолжается и эффективность возбуждения ПП-волн многократно возрастает. Доминирующий процесс интерференции - УКИ с ПП или встречных ПП между собой - определяется амплитудой полей УКИ и ПП (последняя резко возрастает в области резонанса ПП), так чтобы в максимумах динамической картины интерференции плотность энергии электромагнитного излучения превысила характерный порог откольной абляции (удаления) материала. В результате, в максимумах интерференции УКИ-ПП или ПП-ПП локально происходит более интенсивное поглощение энергии электромагнитного излучения с дополнительным возбуждением электронной подсистемы материала, термализация энергии электронной подсистемы с переносом части энергии в фононную подсистему, плавление и абляция материала с формированием периодического нанорельефа поверхности. Двумерная квазипериодическая наноструктура поверхностного рельефа при этом получается при последовательном облучении участка поверхности двумя сериями УКИ с перпендикулярными поляризациями. В результате использования предложенного способа периодичность формируемой одно- и двумерной поверхностной нанотекстуры может быть повышена до 20-100 нм: например, для погруженной в воду поверхности кремния (Фиг.3а, масштабная метка - 100 нм) в условиях генерации в в этом слое воды широкополосного поляризованного излучения суперконтинуума фемтосекундной длительности (спектр приведен сверху на Фиг.5) период структуры составляет Λ≈90 нм, тогда как без его генерации для УКИ ИК диапазона, чей спектр приведен внизу на Фиг.5, период поверхностной структуры кремния, указанной на Фиг.3б (масштабная метка - 1 мкм) стрелкой, приближается к Λ≈0.5 мкм.As a result of the action of ultrashort pulses with a selected central wavelength (corresponding to the resonance wavelength of the PP), the width and chirp of its spectrum, as well as the duration of the ultrashort pulses and the energy density, effective excitation of PP waves propagating on both (opposite) sides to the surface the direction of polarization of the ultrashort pulses and those interfering both with the ultrashort pulses field and with each other (in this case, by halving the period). If the USP spectrum dynamically overlaps the PP resonance, the process of resonant excitation of the PP continues and the efficiency of the excitation of the PP waves increases many times. The dominant interference process - ultrashort pulses with PP or counterpropagating with each other - is determined by the amplitude of the fields of ultrashort pulses and PP (the latter increases sharply in the region of resonance PP), so that at the maxima of the dynamic pattern of interference, the electromagnetic energy density exceeds the characteristic threshold of spallation ablation (removal) of the material. As a result, at the maximums of the UKI-PP or PP-PP interference, a more intense absorption of electromagnetic radiation energy occurs with additional excitation of the electronic subsystem of the material, thermalization of the energy of the electronic subsystem with the transfer of part of the energy to the phonon subsystem, melting and ablation of the material with the formation of a periodic nanorelief of the surface. In this case, a two-dimensional quasiperiodic nanostructure of the surface relief is obtained by sequentially irradiating a surface region with two series of ultrashort pulses with perpendicular polarizations. As a result of using the proposed method, the periodicity of the formed one- and two-dimensional surface nanotexture can be increased to 20-100 nm: for example, for a silicon surface immersed in water (Fig. 3a, scale mark - 100 nm) under conditions of generation of broadband in this water layer the polarized radiation of a femtosecond supercontinuum (the spectrum is shown above in FIG. 5), the structure period is Λ≈90 nm, whereas without its generation for the ultrashort pulse infrared, whose spectrum is shown below in FIG. 5, the period of the surface the silicon pattern indicated in Fig. 3b (scale mark - 1 μm) by the arrow approaches Λ≈0.5 μm.

Предложенный способ субдифракционного одно- и двумерного наноструктурирования поверхностей различных материалов - металлов, полупроводников, диэлектриков - под действием множественных УКИ с резонансным возбуждением поверхностного плазмона реализуется с помощью нового устройства, предлагаемого в четырех вариантах (Фиг.4). В первом варианте, новизна по сравнению с устройством прототипа предполагает выбор в качестве интенсивного источника поляризованного электромагнитного излучения фемто- или пикосекундной длительности (Фиг.1, элемент 1) интенсивного источника широкополосного поляризованного электромагнитного излучения фемто- или пикосекундной длительности (элемент 1' на Фиг.4а, остальные элементы те же, что и на Фиг.1). Второй вариант устройства (Фиг.4б) предполагает, по сравнению с прототипом (Фиг.1), введение до системы фокусировки дополнительного элемента (3') - высокоэффективного преобразователя поляризованного излучения УКИ в широкополосное поляризованное электромагнитное излучение суперконтинуума фемто- или пикосекундной длительности на базе оптического параметрического генератора или генератора суперконтинуума (в качестве последнего используется ячейка с прозрачной для УКИ и суперконтинуума жидкостью или перемещаемая толстая диэлектрическая пластина, прозрачная для УКИ и суперконтинуума), и дополняемого системой контроля длины волны, ширины спектра, спектрального чирпа, длительности и энергии суперконтинуума (элемент 3” на Фиг.4б). Эффективностью преобразования в широкополосное поляризованное электромагнитное изучение суперконтинуума при этом достигает, например, 70% в воде для ГВт-ных сверхкритических пиковых мощностей УКИ с длиной волны 744 нм (Фиг.5, верхний спектр, данный в сравнении с нижним спектром для прошедшего воду излучения УКИ с пиковой мощностью менее 400 МВт, практически соответствующего показанному стрелкой исходному спектру самого УКИ). В третьем варианте, единственное отличие от прототипа на Фиг.1 выражается в том, что широкополосное поляризованное электромагнитное излучение суперконтинуума фемто- или пикосекундной длительности генерируется фокусированным излучением УКИ непосредственно в кювете с мишенью (6'), погруженной в жидкость, прозрачную для излучения УКИ и излучения суперконтинуума (Фиг.4в). Наконец, в четвертый вариант отличается от прототипа на Фиг.1 или первого варианта на Фиг.4а наличием на поверхности мишени (6”) слоя жидкости, прозрачной для излучения УКИ или широкополосного поляризованного электромагнитного излучения фемто- или пикосекундной длительности, которая необходима для уменьшения периода нанотекстуры примерно пропорционально показателю преломления этой жидкости.The proposed method for subdiffraction one- and two-dimensional nanostructuring of surfaces of various materials - metals, semiconductors, dielectrics - under the influence of multiple ultrashort pulses with resonant excitation of a surface plasmon is implemented using a new device proposed in four versions (Figure 4). In the first embodiment, the novelty in comparison with the prototype device involves the choice of an intense source of polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration (FIG. 1, element 1) of an intense source of broadband polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration (element 1 ′ in FIG. 4a, the remaining elements are the same as in FIG. 1). The second version of the device (Fig. 4b) involves, in comparison with the prototype (Fig. 1), the introduction of an additional element (3 '), a highly efficient converter of polarized ultrashort pulse radiation into broadband polarized electromagnetic radiation of a supercontinuum of femto or picosecond duration, based on the optical parametric generator or supercontinuum generator (as the latter, a cell with a liquid transparent to ultrashort pulses and supercontinuum is used or a movable thick dielectric plate, for USP and transparent supercontinuum), and supplemented wavelength control system, the spectral width, the spectral chirp, duration and energy supercontinuum (element 3 "4b). The conversion efficiency to a broadband polarized electromagnetic study of the supercontinuum in this case reaches, for example, 70% in water for GW supercritical peak powers of ultrashort pulses with a wavelength of 744 nm (Figure 5, the upper spectrum given in comparison with the lower spectrum for ultrashort radiation transmitted by water with a peak power of less than 400 MW, which practically corresponds to the initial spectrum of the ultrashort pulse itself shown by the arrow). In the third embodiment, the only difference from the prototype in FIG. 1 is that the broadband polarized electromagnetic radiation of the feminine or picosecond supercontinuum is generated by focused ultrashort radiation directly in the cell with the target (6 ') immersed in a liquid transparent to ultrashort radiation and radiation of the supercontinuum (Figv). Finally, in the fourth embodiment it differs from the prototype in FIG. 1 or the first embodiment in FIG. 4a by the presence on the target surface (6 ”) of a liquid layer transparent to the radiation of ultrashort pulses or broadband polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration, which is necessary to reduce the period Nanotexture is approximately proportional to the refractive index of this liquid.

Решение поставленной задачи демонстрируется следующими примерами. Пластина кремния с полированной поверхностью оптического качества погружается в ячейку с водой на глубину 3-4 мм, куда на поверхность пластины фокусируется излучение УКИ титан-сапфирового лазера с центральной длиной волны 744 нм (энергия фотона 1.7 эВ), длительностью 100-110 фс (соответствующая ширина нечирпированного спектра на полувысоте - 12 нм), и пиковой мощностью 1-10 ГВт, многократно превышающей критическую мощность самофокусировки излучения видимого диапазона в воде (≈1-2 МВт [4]). Вблизи фокуса развивается самофокусировка УКИ и формирование перед пластиной нити нелинейного фокуса, выражающегося, ввиду сверхкритической пиковой мощности УКИ, в множественной филаментации лазерного луча. Каждый из филаментов вследствие, в частности, фазовой самомодуляции УКИ [4] является источником интенсивного широкополосного (белого) поляризованного электромагнитного излучения фемтосекундной длительности (суперконтинуума, верхний спектр на Фиг.5), излучение которых складывается на поверхности пластины. Комбинированное излучение УКИ и суперконтинуума обеспечивает фотовозбуждение материала, вызывая мгновенное изменение его оптических постоянных в области возбуждения на поверхности (оптическая неоднородность [5]) и эффективную дифракцию этого излучения с возбуждением поверхностных плазмон-поляритонных электромагнитных волн (ПЭВ). В зависимости от уровня фотовозбуждения поверхности кремния и энергии возбуждающих фотонов hco, возбуждаемые ПЭВ могут иметь фотонный (поляритонный) характер и характеризоваться длиной волны света в воде (см. начальный линейный участок дисперсионных кривых на Фиг.2), или плазмонный характер (см. показанные стрелками области двойного плато резонанса поверхностного плазмона (ПП) на дисперсионных кривых на Фиг.2) с многократно меньшей длиной волны и многократно более высокой амплитудой электромагнитного поля. Если спектр комбинированного излучения покрывает и ту, и другую область, будут возбуждаться оба типа ПЭВ, причем широкополосным спектром суперконтинуума будет покрываться даже существенный сдвиг ПП-резонанса в течение времени воздействия УКИ (см., например, сдвиг ПП-резонанса на Фиг.2 при увеличении плотности электрон-дырочной плазмы от 1×10²¹ см^-3 до 3×10²¹ см^-3), поддерживая эффективное возбуждение поверхностных плазмонов с многократно большей амплитудой. При нормальном падении возбуждаются интенсивные встречные ПП, которые интерферируют с образованием поверхностной интерференционной картины с вдвое меньшим периодом. Если амплитуда поля УКИ оказывается все же выше, то интерференционная картина определяется сложением полей ПП и УКИ с периодом ПП. В нашем конкретном случае, на поверхности влажного кремния период одномерного нанорельефа типа дифракционной решетки (≈0.1 мкм, Фиг.3а) оказывается в два раза меньше расчетного периода ПП для плотности плазмы 3×10²¹ см^-3 (Фиг.2) благодаря генерации интенсивного широкополосного излучения суперконтинуума и последующему возбуждению интенсивных интерферирующих встречных ПП, тогда как на влажной поверхности при нерезонансном возбуждении ПЭВ (вне ПП-резонанса) фотонами с энергией 1.7 эВ минимальный период нанотекстуры ≈0.5 мкм, показанной стрелкой на Фиг.3б, приближается к периоду поляритонных ПЭВ на влажной поверхности (Фиг.2) благодаря доминирующей интерференции «ИК УКИ/ИК ПЭВ».The solution to this problem is demonstrated by the following examples. A silicon wafer with a polished surface of optical quality is immersed in a cell with water to a depth of 3-4 mm, where the radiation from a USP of a titanium-sapphire laser with a central wavelength of 744 nm (photon energy 1.7 eV) with a duration of 100-110 fs is focused on the wafer surface. the width of the non-chirped spectrum at half maximum (12 nm), and a peak power of 1–10 GW, many times greater than the critical self-focusing power of visible radiation in water (≈1–2 MW [4]). Self-focusing of ultrashort pulses and the formation of a nonlinear focus in front of the plate, which is expressed, due to the supercritical peak power of ultrashort pulses, in multiple filamentation of the laser beam, develops near the focus. Each of the filaments due to, in particular, phase self-modulation of ultrashort pulses [4] is a source of intense broadband (white) polarized electromagnetic radiation of femtosecond duration (supercontinuum, upper spectrum in Fig. 5), the radiation of which is added to the surface of the plate. The combined radiation of ultrashort pulses and a supercontinuum provides photoexcitation of the material, causing an instantaneous change in its optical constants in the field of excitation on the surface (optical inhomogeneity [5]) and effective diffraction of this radiation with excitation of surface plasmon-polariton electromagnetic waves (SEWs). Depending on the level of photoexcitation of the silicon surface and the energy of the exciting hco photons, the excited SEWs can have a photon (polariton) character and can be characterized by the wavelength of light in water (see the initial linear portion of the dispersion curves in Fig. 2), or plasmon character (see shown the arrows of the double plateau resonance region of a surface plasmon (PP) in the dispersion curves in FIG. 2) with a much shorter wavelength and many times higher electromagnetic field amplitude. If the spectrum of combined radiation covers both regions, both types of SEW will be excited, and even a significant shift of the PP resonance will be covered by the broadband spectrum of the supercontinuum during the exposure time of the ultrashort pulse (see, for example, the shift of the PP resonance in Fig. 2 for increasing the electron-hole plasma density from 1 × 10 ²¹ cm ^-3 to 3 × 10 ²¹ cm ^-3 ), supporting the effective excitation of surface plasmons with a much larger amplitude. Under normal incidence, intense counterpropagating PPs are excited, which interfere with the formation of a surface interference pattern with a half-time period. If the amplitude of the USP field is still higher, then the interference pattern is determined by the addition of the PP and USP fields with the period of the PP. In our specific case, on the surface of wet silicon, the period of a one-dimensional nanorelief of the type of diffraction grating (≈0.1 μm, Fig. 3a) turns out to be two times less than the calculated PP period for a plasma density of 3 × 10 ²¹ cm ^-3 (Fig. 2) due to the generation of intense the broadband radiation of the supercontinuum and the subsequent excitation of intense interfering counterpropagating PPs, while on a wet surface with nonresonant excitation of SEW (outside the PP resonance) by photons with an energy of 1.7 eV, the minimum nanotexture period is ≈0.5 μm, shown arrow 3B, is close to the period polariton SEW on a wet surface (2) due to dominant interference "USP IR / IR PEV".

ЛитератураLiterature

[1] N.C.Lindquist, P.Nagpal, K.M.McPeak, D.J.Norris, S.-H. Oh, Engineering metallic nanostructures for plasmonics and nanophotonics, Rep.Prog. Phys. 75, 036501 (2012).[1] N.C. Lindquist, P. Nagpal, K.M. McPeak, D.J. Norris, S.-H. Oh, Engineering metallic nanostructures for plasmonics and nanophotonics, Rep. Prog. Phys. 75, 036501 (2012).

[2] E.B.Голосов, В.И.Емельянов, А.А.Ионин, Ю.Р.Колобов, С.И.Кудряшов, А.Е.Лигачев, Ю.Н.Новоселов, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын. Фемтосекундная лазерная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана, Письма в ЖЭТФ 90, 116-120 (2009).[2] EBGolosov, V.I. Emelyanov, A.A. Ionin, Yu.R. Kolobov, S.I. Kudryashov, A.E. Ligachev, Yu.N. Novoselov, L.V. Seleznev, D. V. Sinitsyn. Femtosecond laser recording of subwavelength one-dimensional quasiperiodic nanostructures on a titanium surface, Letters in JETP 90, 116-120 (2009).

[3] Е.В.Голосов, А.А.Ионин, Ю.Р.Колобов, С.И.Кудряшов, А.Е.Лигачев, Ю.Н.Новоселов, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын. Сверхбыстрая оптика поверхности титана и фемтосекундная лазерная запись одномерных нанорешеток ее рельефа, ЖЭТФ 140, 1(7), 21-35 (2011).[3] E.V. Golosov, A.A. Ionin, Yu.R. Kolobov, S.I. Kudryashov, A.E. Ligachev, Yu.N. Novoselov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn . Ultrafast optics of a titanium surface and femtosecond laser recording of one-dimensional nanogratings of its relief, ZhETP 140, 1 (7), 21-35 (2011).

[4] V.P.Kandidov, O.G.Kosareva, I.S.Golubtsov, W.Liu, A.Becker, N.Akozbek, C.M.Bowden, S.L.Chin, Self-transformation of a powerful femtosecond laser pulse into a white light pulse in bulk optical media (or supercontinuum generation), Appl. Phys. B.77, 149-165 (2003).[4] VPKandidov, OGKosareva, ISGolubtsov, W. Liu, A. Becker, N. Akozbek, CMBowden, SLChin, Self-transformation of a powerful femtosecond laser pulse into a white light pulse in bulk optical media (or supercontinuum generation), Appl. Phys. B.77, 149-165 (2003).

[5] A.A.Ионин, В.И.Емельянов, С.И.Кудряшов, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын. Нелинейный режим возбуждения поверхностной электромагнитной волны на поверхности кремния интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом, Письма в ЖЭТФ 97, 139-144 (2013).[5] A.A. Ionin, V.I. Emelyanov, S.I. Kudryashov, L.V. Seleznev, D.V. Sinitsyn. Nonlinear excitation of a surface electromagnetic wave on a silicon surface by an intense femtosecond laser pulse, JETP 97, 139-144 (2013).

Claims

1. The method of forming a subdiffraction regular one- and two-dimensional nanotexture of the surface of various materials, based on the irradiation of the surface of materials with multiple focused ultrashort - femto or short picosecond pulses of a polarized electromagnetic field (USP), instantaneous during each USP - excitation by them on the surface of the surface electromagnetic waves (surface plasmon polaritons), interference during each ultrashort pulse incident on the surface of ultrashort pulse and / or excited by them on p the surface of surface plasmon polaritons and local ablative removal of material after each ultrashort pulse from the regions of maximums of interference on the surface of photoexcited material with the formation of a regular one- or two-dimensional relief, characterized in that the ultrashort pulse parameters are duration, central wavelength and spectral width, spectral chirp , energy density - are chosen so as to provide for a metal or electronically excited semiconductor / dielectric from the entire branch of surface plasmon polaritons p The resonant excitation is a surface plasmon or surface plasmon resonance directionally adjust itself under the spectrum ultrashort by photoinduced changes in the optical constants of the material by PSM, and then dynamically maintain excitation of the surface plasmon resonance for PSM.

2. Device for the formation of subdiffraction regular and irregular one- and two-dimensional nanotexture of the surface of various materials, consisting of an intense source of ultrashort pulses of a polarized electromagnetic field of femto or picosecond duration, a system for monitoring radiation parameters - energy, wavelength and width of the spectrum, pulse duration, system transporting radiation to the target, radiation focusing system, target positioning system, as well as the target itself, characterized in that stve intensive source of polarized electromagnetic field femtosecond pulses or picosecond used broadband intense source of polarized electromagnetic radiation of a chirped femtosecond or picosecond duration.

3. The device according to claim 2, characterized in that the intense source of pulses of broadband polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration is made in the form of an optical parametric generator or generator of broadband supercontinuum pumped by another intense source of pulses of polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration.

4. The device according to claim 2, characterized in that the intense source of pulses of broadband polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration is made in the form of a broadband supercontinuum generator that occurs directly in the cell with the target immersed in a liquid transparent to this broadband radiation in a thin a layer of this liquid above the target in the area of focusing radiation of another source of polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration.

5. The device according to claim 2 or 3, characterized in that the target is located in a cell with a liquid transparent for broadband polarized electromagnetic radiation of femto or picosecond duration, under a thin layer of this liquid.