Forskningslaboratorier utvecklar ständigt nya material som förväntas uppvisa nya egenskaper som kommer att revolutionera den eller den tekniken. Men det räcker inte att bara skapa dessa material; forskare måste också hitta effektiva metoder för att bearbeta och finjustera dem. Dessutom, kompositer tillverkas ofta genom tillsats av nanopartiklar till en basmatris, det är därför det är nödvändigt att hitta ett sätt att manipulera platsen, storlek, och koncentrationshastigheten för dessa partiklar som skulle utesluta även de minsta avvikelser som är osynliga för det mänskliga ögat.

Forskare från ITMO University har förbättrat tekniken för lokal bearbetning av kompositer baserade på nanoporöst glas med tillsats av silver och koppar. Nu, det är möjligt att med hög noggrannhet förutsäga de optiska egenskaperna hos en plasmonisk komponent under behandlingen. Denna forskning publicerades i Nanomaterial .

I årtusenden, mänskligheten var tvungen att anpassa sig till det material den hade till sitt förfogande:metaller, trä, sten, mineraler, etc. idag, människor har lärt sig att anpassa det material de har till sina egna behov, skapa kompositmaterial av flera komponenter. Dessa material har nya egenskaper och öppnar nya möjligheter. De har stor potential för användning i optiska enheter som lasrar, lidars, sensorer, linser, vågledare, och andra enheter som behandlar ljussignaler. Särskilt, forskare har stora förhoppningar om glas förstärkt med metallnanopartiklar.

"Sådana material kan användas som optiska filter, "förklarar Pavel Varlamov, forskningsingenjör vid fakulteten för laserfotonik och optoelektronik. "Vitt ljus, som vi vet, består av ett stort antal våglängder och du kan behöva, till exempel, markera eller utesluta ett visst spektrumband, som blå eller gul. Det är vad optiska filter är till för, och de kan användas i lasrar, refraktorer, linser, eller vågledare. "

Beroende på vilken metalljon som tillsätts i glas, den resulterande kompositen kan användas för att manipulera olika delar av spektrumet. Till exempel, om du skulle lägga nanopartiklar av silver och koppar i glas, det skulle absorbera strålning i det blågröna bandet. Men att lägga till silver och koppar nanopartiklar i vanligt glas, som den typ som används för att göra fönster eller köksutrustning, skulle vara en komplex och dyr process med många kemiska reaktioner. Det är därför forskare föredrar att använda speciellt nanoporöst glas för dessa ändamål.

När nanopartiklar har "monterats" i porerna, materialet ändras med laserstrålning för att förbättra det med nya optiska egenskaper som gör det möjligt, till exempel, att noggrant styra ljusspektrumet genom att sända eller absorbera ljusstrålar från ett specifikt band.

Men det finns ett problem:under behandlingen avsett att "limma ihop" komponenterna i ett nytt material, metallnanopartiklar ändrar form och till och med deras kemiska sammansättning. Under hela processen, material förändrar hur det interagerar med laserstrålning; väsentligen, det börjar bättre absorbera strålning inom ett specifikt band i spektrumet. Detta innebär flera utmaningar för behandlingsprocessen. En laser kan inte helt enkelt ställas in på specifika värden och sedan användas för att behandla materialet från början till slut; det måste kontinuerligt anpassas till de förändringar som sker inom materialet.

"Metoden vi har föreslagit gör det möjligt att skapa omfattande mikroskaliga element med en plasmonisk resonantopp som kan kontrolleras i realtid, "säger Roman Zakoldaev, en forskare vid fakulteten för laserfotonik och optoelektronik. "Metoden syftar till att optimera parametrarna för laserförändring via feedback."

För att justera laserns prestanda under hela behandlingen, forskare måste omedelbart genomföra komplexa beräkningar av förändringar som redan har inträffat och de förändringar som skulle behöva göras i laserns inställningar. För det, de behöver en flexibel fysikalisk-matematisk modell; en sådan modell har blivit grunden för en algoritm utformad för att hantera bearbetningen av dessa material.

Forskarna från ITMO University har föreslagit en matematisk modell som tar hänsyn till strålningens styrka och de förändringar den orsakar i materialet. Detta gör att forskarna kan producera material med de exakta optiska egenskaperna som ursprungligen räknades in i beräkningar.

"Vi kunde föreslå en beräkningsalgoritm som presenterar den elektroniska strukturen, storlek, och koncentration av nanopartiklar med materialets optiska egenskaper som en effektiv miljö (?), "säger Maksim Sergeev." Att använda algoritmen tillsammans med en modell för diffusionskontrollerad tillväxt av partiklar har gjort det möjligt för oss att spåra de optiska förändringarna i laserbehandling i realtid. "

Den föreslagna metoden skulle göra skapandet av unika optiska plasmoniska komponenter billigt och lätt att hantera, öppna nya möjligheter för deras integration i industriell produktion.