Взаимодействие лазерного излучения с веществом
 +7 (495) 939-20-03
 kofms@phys.msu.ru

Спецкурсы

Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Введите что-нибудь для фильтрации.

Лектор

Борис Семенович Лукьянчук

кафедра нанофотоники

Профессор

Аннотация

Цель курса — дать практические знания в области нанооптики, фотоники и плазмоники, ознакомить студентов с фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения. Развитие лазерных технологий привело к формированию специального раздела, связанного с взаимодействием лазерного излучения с веществом. Первые работы в этой области были посвящены исследованиям теплового действия лазерного излучения применительно к задаче лазерной обработки материалов. В дальнейшем номенклатура явлений взаимодействия с веществом сильно расширилась — в особенности при анализе эффектов лазерного взаимодействия света с наноантеннами и метаматериалами. Обнаружение магнитного света и явлений направленного рассеяния позволило создавать эффективные наноантенны. В фотонике возникли такие области как тороидная электродинамика и оптические анапольные состояния. Исследование резонансов Фано в плазмонных и диэлектрических наноструктурах привело к созданию новых типов химических и биологических сенсоров, к разработке новых типов переключателей, электронных дисплеев и компактных проекторов. Наконец, разработка оптических нейронных сетей рассматривается как перспективное направление в плане создания различных систем искусственного интеллекта. Задачей курса является расширение кругозора студентов, и ознакомление с прорывными и популярными направлениями современной фотоники. В курсе дается необходимый теоретический аппарат для расчета эффектов взаимодействия лазерного взаимодействия с твердыми телами, жидкостями и пароплазменными средами, а также приводятся примеры применений в различных лазерных технологиях.

Программа курса

  1. Уравнения Максвелла. Диэлектрическая проницаемость, модель Друде. Плоская электромагнитная волна. Показатель преломления, комплексный показатель преломления, коэффициент поглощения. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Коэффициент отражения. Формулы Френеля. Прохождение излучения через пластину. Пленка на подложке. Поглощение произвольной слоистой системы. Сверхрешетка. Формулы Френеля для наклонного падения излучения. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение. Эванесцентная волна. Нарушенное полное внутреннее отражение.
  2. Тепловое действие лазерного излучения. Уравнение теплопроводности. Оптимальный нагрев. Нелинейные эффекты, обусловленные температурными зависимостями параметров. Преобразование Кранка. Эффекты обострения. Плавление. Задача Стефана. Модель Френкеля. Лазерная абляция. Стационарная волна испарения. Метод моментов. Нагрев короткими импульсами. Двухтемпературная модель. Тепловое расширение. Лазерная очистка поверхности.
  3. Лазерный нагрев жидкости. Уравнения гидродинамики. Гидродинамические неустойчивости. Неустойчивость Кельвина — Гельмгольца. Неустойчивости Рэлея — Тейлора. Эффект Марангони. Термокапиллярная неустойчивость. Неустойчивость плоского фронта испарения. Гидродинамическая модель лазерной абляции. Кавитация при схлопывании пузырька (модель Рэлея). Спонтанные периодические структуры на поверхностях твердых тел. Кулоновский взрыв. Нагрев электролитов. Лазерное стимулирование электрохимических реакций.
  4. Явления в парогазовом облаке. Формирование Кнудсеновского слоя при лазерной абляции. Разлет парогазового облака. Эффект переворота при импульсном лазерном напылении. Ударная волна в газе. Теория сильного взрыва. Точечный взрыв в неоднородной атмосфере. Генерация нанокластеров при лазерной абляции. Лазерный нагрев плазмы. Ионизация. Оптические свойства плазмы. Оптический пробой газа. Лазерно-индуцированная волна медленного горения. Лазерно-индуцированные детонационные волны. Режим супердетонации. Лазерное инициирование термоядерных реакций.
  5. Плазмоника. Плазмоны на плоской границе раздела «металл — диэлектрик». Локализованные плазмоны в сферических частицах. Наноотверстия в металлических пленках. Экстраординарное прохождение света через малые отверстия в металлических пленках. Аномальное рассеяние и поглощение на плазмонных частицах. Флюоресценция атомов и молекул вблизи плазмонных частиц. Гиперлинзы.
  6. Нелинейная оптика. Безынерционные нелинейности. Генерация гармоник. Самофокусировка света. Неустойчивость Беспалова — Таланова. Модуляционная неустойчивость Захарова — Островского. Оптическая частотная гребенка. Распространение излучения в среде с химической инерционной нелинейностью. Термодиффузионная неустойчивость. Оптическое фазовое сопряжение. Даун конверсия и квантовая оптика. Парадокс Эйнштейна, Подольского и Розена. Квантовое перепутывание.
  7. Лазерное стимулирование гетерогенных реакций. Термохимическая неустойчивость при лазерном нагреве металлов в воздухе. Лазерное горение. Лазерное стимулирование восстановительных реакций. Лазерное химическое осаждение материалов из газовой фазы. Бистабильность при лазерном нагреве среды с обратимой химической реакцией. Лазерное управление химическим реактором идеального перемешивания. Термодиффузионные неустойчивости и диссипативные структуры при лазерном нагреве газовых смесей.
  8. Лазерная генерация вакансий. Модель Френкеля для лазерного плавления. Неравновесные вакансии. Неустойчивости однородного распределения вакансий. Фазовый переход вакансия — пора.
  9. Взаимодействие лазерного излучения с полимерами. Фотофизическая абляция органических полимеров.
  10. Теория Ми. Фано резонансы. Анапольная мода. Оптическая обработка информации. Оптические нейронные сети.
  11. Резонансная лазерная химия. Теория активированного комплекса. Теория RRKM. Элементарные селективные фотопроцессы. Бесстолкновительная диссоциация молекул. Лазерное разделение изотопов. Генерация сверхсильных магнитных полей с помощью Фано резонансов высокого порядка.
  12. Лазерная наноскопия. Лазерный наноджет. Магнитный наноджет. Суперосцилляции. Сверхразрешение.

Литература

  • С.И. Анисимов, Я.А. Имас, Г.С. Романов, Ю.В. Ходыко, Действие излучения большой мощности на металлы. (1970).
  • Е. Яковлев, Г. Червяков, М. Либенсон, Вейко В. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. (2022).
  • N. V. Karlov, N. А. Kirichenko, B. S. Luk’yanchuk, Laser Thermochemistry. Fundamentals and Applications, (Cambridge, UK, 2000).
  • B. S. Luk’yanchuk, Laser Cleaning, (Singapore, 2002).
  • B. S. Luk`yanchuk, M. H. Hong, A. Dereux, Plasmonics, Applied Physics A, vol. 89, Issue 2, pp. 221-578 (2007).
  • B. Luk'yanchuk, N. I. Zheludev, S. A. Maier, N. J. Halas, P. Nordlander, H. Giessen H, The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nature Materials 9, 707-715 (2010).
  • A.I. Kuznetsov, A.E. Miroshnichenko, M.L. Brongersma, Y.S. Kivshar, B. Luk’yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures, Science 354, aag2472 (2016).

Другие спецкурсы программы