Многоцелевой фемтосекундный лазерный комплекс и принципы контролируемого по нелинейно-оптической обратной связи локализованного воздействия на прозрачные и комбинированные среды

Фемтосекундные лазерные источники зарекомендовали себя как высокоэффективный инструмент для передовой обработки материалов на микро и нано уровне. По сравнению с традиционными методами лазерной обработки, использующими более длинные импульсные или непрерывные лазеры, фемтосекундная лазерная микрообработка предлагает несколько ключевых преимуществ благодаря ультракороткой длительности импульса и высокой пиковой интенсивности (до 10^14 Вт/см^2 в объёме и 10^14 - 10^16Вт/см^2 на поверхности). Преимущества включают подавление образования зоны термического воздействия вокруг облучаемой области, высокое пространственное разрешение, в некоторых случаях лучше дифракционного предела, и универсальность в отношении материалов, которые могут быть обработаны. В частности, универсальность опирается на нелинейный характер взаимодействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с прозрачными материалами, характеризующийся многофотонным поглощением и туннельной ионизацией. Таким образом, фемтосекундный лазер может обрабатывать как непрозрачные, так и прозрачные материалы, такие как металлы, керамику, мягкие материалы (например, полимеры и биоткани) и даже хрупкие материалы (например, стекла), и в настоящее время широко используется в таких областях, как прецизионная обработка поверхности на микро- и наноуровне, скрайбирование/резка, сверление, структурирование поверхности и текстурирование, наноабляция и объёмное микро/наноструктурирование. Использование жёсткой фокусировки (NA>0.3) лазерного излучения для прямой оптической записи внутри прозрачного материала позволяет с помощью интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов осуществить трехмерную (3D) объёмную микро- и нанообработку благодаря эффективному ограничению нелинейных взаимодействий в фокальном объеме, что позволяет достигнуть в стереолитографии на основе двухфотонной полимеризации 100 нм пространственного разрешения. Кроме того, на границе раздела между двумя близко расположенными прозрачными слоями (например, двумя смежными стеклянными пластинами или различными слоями биологических тканей) нелинейное взаимодействие высокоинтенсивного лазерного излучения позволяет достичь локального плавления и склеивания различных слоёв с субмикронной точностью. Такая трёхмерная (объёмная) микро- и нанообработка является своеобразной особенностью, которая может быть достигнута только с использованием ультракоротких лазерных импульсов. 3D микро- и нанопрототипирование c помощью фемтосекундных лазерных источников представляет собой прорыв с потенциальными достижениями для широкого спектра применений - от оптоэлектроники, фотоники и микроэлектромеханических (МЭМС) систем до химических, биологических и медицинских систем. Однако, существующие на данный момент фемтосекундные лазерные технологии не обладают интеллектуальным управлением и обратной связью, которая позволяла бы не только усовершенствовать – а повысить качество и точность, - существующих подходов в микро и нанообработке, но также создать новые фемтотехнологии, основанные на адаптивном управлении процессом прототипирования. Настоящий проект направлен на разработку принципов создания многофункционального фемтосекундного лазерного комплекса нового поколения для развития фемтотехнологий и решения мультидисциплинарных задач в области локализованного воздействия на прозрачную, комбинированную селективно-поглощающую среду с нелинейно-оптическим мониторингом в режиме реального времени. Изготовление трёхмерных объектов, размеры которых сравнимы с размером живой клетки, и содержащим даже более тонкую структуру, предполагает разработку полностью автоматизированных процессов, интегрированных в единую систему, для управления параметрами воздействующего лазерного излучения и манипуляцией лазерным пучком или объектом на микро- и наномасштабе. Возникновение нового класса задач, связанных с микровзаимодействием сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения на твердотельные материалы требует и создания новых диагностических методов характеризации процесса микрообработки материалов в реальном времени (режим online). Это особенно важно для развития новых медицинских технологий, регенеративной медицины, микрохирургии, тканевой инженерии, создания микро- и наноструктур для микрофлюидных, МЭМС и других областей электроники. В рамках данного проекта планируется разработать методики и инструментарий для управляемой трёхмерной (объёмной) и двумерной (поверхностной) микрообработки в прозрачной, комбинированной селективно-поглощающей (с внедренными центрами поглощения, например, фотоинициаторами или наночастицами ионов металлов) среде. В первую очередь мы нацелены на применение разрабатываемых методик лазерного воздействия для 1) создания сложных трёхмерных структур, в том числе с импрегнированными в них наночастицами, что будет востребовано в тканевой инженерии и оптоэлектронике/микрофлюидике; 2) микро- и наноструктурирования поверхности, в том числе и биологических тканей, что найдёт своё применение в микрохирургии.