АННОТИРОВАННЫЙ ОТЧЕТ ПО ПРОЕКТУ
Соглашение №14.А18.21.1286 от 24 сентября 2012 г.
(с учетом дополнительного соглашения №1 от 18 марта 2013 г.).
Тема: «Взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов с конденсированными средами, процессы плазмообразования и филаментации, как основа новых лазерных технологий сверхточной обработки и анализа материалов»
Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет»
Ключевые слова: филамент, суперконтинуум, фемтосекундные импульсы, лидар, абляция, микромодификация, наномодификация, оптический пробой, наночастицы
- Цель проекта - развитие фундаментальных и прикладных исследований мирового уровня в области изучения процессов плазмообразования и филаментации при взаимодействии ультракоротких лазерных импульсов с конденсированными средами, разработку новых лазерных технологий сверхточной обработки материалов, подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров.
1.1. Формулировка задачи / проблемы, на решение которой направлен реализованный проект. Проблема взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с веществом, приводящая к плазмообразованию, филаментации и генерации суперконтиннума. Оценка возможностей указанных эффектов в задачах обработки и анализа материалов.
1.2. Формулировка цели реализованного проекта, места и роли результатов проекта в решении задачи / проблемы, сформулированной в п. 1.1. Целью проекта являлось получение новых данных при проведении экспериментальных работ в области взаимодействия лазерного излучения фемтосекундной длительности с веществом, в том числе для создания новых лазерных технологий сверхточной обработки и анализа материалов. В результате получены новые данные, которые позволили решить поставленные в проекте основные задачи.
- Основные результаты проекта
2.1. Краткое описание основных полученных результатов (основные теоретические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности, характеристики созданной научной продукции)/ Указание основных характеристик созданной научной продукции (при наличии научной продукции).
В проекте показано, что при наклонном падении лазерного излучения на мишень область пробоя воздуха и эрозионный факел разделены во времени и пространстве: плотность электронов выше в области пробоя воздуха, концентрация атомов алюминия — в эрозионном факеле. Определен механизм движения лазерной плазмы, проведена оценка времени формирования эрозионного факела с учетом механизма пленочного кипения. Полученные результаты показывают перспективность использования наклонного падения излучения для задач лазерной искровой спектроскопии, т.к. область с высокой концентрацией вещества мишени отделена от области пробоя воздуха с высокой температурой и степень ионизации, что позволяет повысить контраст эмиссионных линий. Данный результат является новым и представляет практическую значимость.
Проведены оценки возможностей фемтосекундной лазерно-искровой спектроскопии с регистрацией спектров с временным разрешением при определении следовых концентраций химических элементов в воде. Лазерная плазма генерировалась на поверхности водных растворов одиночным импульсом титан-сапфирового лазера (длительность импульса 40 фс, частота повторения до 1 кГц). Получены 3σ-пределы обнаружения Al, Ba, Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Zn в воде 0.19, 0.08, 0.01, 0.78, 3.4, 0.006, 1, 0.0009, 2.5 мг/л соответственно. Экспериментально определенные оптимальные задержки регистрации спектров лазерной плазмы находятся в диапазоне 55—210 нс в зависимости от определяемого элемента. Быстрое затухание плазмы и ее постоянная высокая стабильность позволили использовать частоту повторения лазерных импульсов до 1 кГц, что привело к увеличению числа накопленных измерений без увеличения времени регистрации и значительно сократило время анализа. Экспериментально получены 3σ-пределы обнаружения Zn, Cu, Fe, Ca, Al, Ba, Na, K и Mg в водных растворах. В предлагаемом методе найденные пределы обнаружения Al, Cu, Fe, K и Zn в воде в 6.4—200 раз ниже пределов обнаружения метода лазерно-искровой спектроскопии с возбуждением плазмы лазерными импульсами наносекундной длительности. Таким образом, получены новые результаты, позволившие путем использования импульсов ультракороткой длительности в совокупности с оптимальными временем и задержками регистрации значительно увеличить чувствительность метода лазерной искровой спектроскопии.
Экспериментально определено влияние диаметра пучка фемтосекундного титан-сапфирового лазера (800 нм, 40 фс, 0.8 мДж) на интенсивность спектральных линий при оптическом пробое на поверхности водного раствора CaCl2. Показано, что увеличение диаметра лазерного пучка с 7 до 14 мм на фокусирующей линзе при одинаковой энергии импульсов приводит к трехкратному увеличению интенсивности линии CaII (393,3 нм) и двадцатикратному для линии Hα (656 nm). Данный эффект является значимым и может быть использован в качестве способа увеличения интенсивностей эмиссионных линий химических элементов в фемтосекундной лазерной искровой спектроскопии жидких сред и, следовательно, к улучшению пределов обнаружения данного метода.
Методом лазерной абляции на поверхности кремния получены минимальные размер кратера ~830 нм, что близко к дифракционному пределу для центральной длины волны лазерного излучения 800 нм с полушириной 35 нм, при этом в данном кратере можно выделить центральную область с видимой модификацией диаметром порядка 250 нм, что, вероятно, связано с многофотонными процессами и самофокусировкой в области максимума интенсивности в профиле лазерного пучка. Результат является новым.
Экспериментально продемонстрирована возможность использования гибридных силикатных нанокопозитных материалов на основе полисахаридов и гиперразветвленных полиглицидолов для эффективного преобразования импульсного излучения титан-сапфирового лазера фемтосекундной длительности на длине волны 800 нм в суперконтинуум в диапазоне 400 — 1000 нм. Установлено, что добавление малых концентраций наночастиц Au и CdS в исследуемые материалы существенно влияет на эффективность преобразования энергии лазерного излучения в спектр суперконтинуума.
Экспериментально показана принципиальная возможность использования ударных волн получаемых при оптическом пробое атмосферы лазерными импульсами с длиной волны 532 нм и плотностью мощности ~1010 Вт/см2 для очистки поверхности от нанопримесей и наночастиц.
Таким образом, в результате проекта получены новые данные, которые в значительной степени улучшили результативность лазерных методов экспресс анализа и технологий сверхточной обработки и материалов. Результаты проекта опубликованы в двух статьях в зарубежных журналах, индексируемых Web Of Science и двух статьях в Российском журнале, входящим в список ВАК, что подтверждает их актуальность и новизну.
2.2. Описание новизны научных результатов. Полученные результаты НИР являются новыми, опубликованы в ведущих зарубежных журналах и российских научных журналах имеющих переводные версии.
2.3.Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового уровня. Полученные результаты НИР соответствуют мировому уровню научных исследований.
- Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Описание областей применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут или уже используются полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция). Новые лазерные технологии, основанные на микромодификации и лазерной абляции материалов. Принципиально новые устройства для нанофотоники и лазерной физики. Новые лазерные методы экспресс анализа материалов.
3.2. Перспективы практического применения и коммерциализации результатов проекта – не предусмотрены Соглашением.
3.2.1. Описание направлений практического внедрения полученных результатов или перспектив их использования - не предусмотрено Соглашением.
3.2.2. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; на разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы - не предусмотрено Соглашением.
3.2.3. Описание ожидаемых социально-экономических и др. эффектов от использования товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов (повышение производительности труда, снижение материало- и энергоёмкости производства, уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, снижение риска смертности, повышение качества жизни и т.п.) - не предусмотрено Соглашением.
3.2.4. Описание существующих или возможных форм коммерциализации полученных результатов: организация производства продукции и/или оказание услуг, в том числе с образованием нового юридического лица или без него; заключение лицензионных договоров, заключение договоров уступки прав на РИД. - Коммерциализация проектом не предусмотрена.
3.2.5. Описание видов новой и усовершенствованной продукции (услуги), которые могут быть созданы или уже созданы на основе полученных результатов интеллектуальной деятельности (РИД); указание предполагаемых или фактических рынков сбыта. – Не предусмотрено Соглашением.
- Перспективы развития исследований
Краткая информация о перспективах развития выполненного в ходе выполнения проекта исследования.
1) Информация о том, насколько участие в ФЦП способствовало формированию новых исследовательских партнерств. Участвует ли научный коллектив в проектах по 7-й рамочной Программе Евросоюза (с указанием названия проектов и перечня партнеров по ним). 1) Выполнение проекта способствовало формированию новых исследовательских партнерств. В декабре 2012 года с целью налаживания сотрудничества ДВФУ посетил профессор YU Jin Laboratoire de Spectrométrie Ionique et Moléculaire Université Claude Bernard Lyon 1. Коллектив в настоящее время не участвует в проектах по 7-й рамочной программе.
2) Краткая информация о проектах научного коллектива по аналогичной тематике. Научный коллектив по аналогичной тематике участвовал в следующих проектах: № 2.1.1/1443 «Управление плазменным фронтом при оптическом пробое в конденсированных средах и газах» (АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)), государственный контракт №П567 «Исследование процессов взаимодействия лазерного излучения с нелинейными оптическими средами и разработка физических принципов построения новых диагностических и поверхностно-модифицирующих систем» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.
3) Информация о том, сотрудничество с какими странами и исследовательскими центрами может способствовать наибольшей отдаче для развития в России технологий в области исследования, а также для выхода российской продукции на региональные и глобальные рынки. Сотрудничество с университетом Лион 1 http://www-lasim.univ-lyon1.fr/spip.php?article144&lang=fr, может способствовать наибольшей отдаче для развития в России технологий в области исследования, а также для выхода российской продукции на региональные и глобальные рынки.
- Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта (этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий
Закреплены следующие специалисты:
1. Прощенко Дмитрий Юрьевич 27.04.1988 года рождения принят на работу на должность лаборанта Исполнителя.
2. Лисица Владимир Владимирович 10.01.1990 года рождения, зачислен в очную аспирантуру Исполнителя;
3. Быстров Федор Геннадьевич 17.08.1993 года рождения, студент ДВФУ, принят на работу на должность лаборанта Исполнителя.
4. Бабий Михаил Юрьевич 05.07.1988 года рождения, аспирант ДВФУ, принят на работу на должность техника Исполнителя.
5. Колесников Александр Витальевич 29.04.1989 года рождения, аспирант ДВФУ, принят на работу на должность инженера Исполнителя.
6. Бирюкова Юлия Сергеевна 01.12.1990 года рождения, зачислена в очную магистратуру, принята на работу на должность лаборанта Исполнителя.
Руководитель проекта,
к.ф.-м.н. Голик С.С.