Новые многоуровневые лазерные явления и передовые лазерные технологии в фотонике и биомедицине

Современные волоконные лазерные системы ультракоротких (фемто- и пико-секундных) импульсов (УКИ) с высокой стабильностью и частотой повторения (до 1 ГГц), но при этом низкой (1-100 мкДж) энергией каждого импульса в совокупности с передовыми устройствами мультиплексирования и/или профилирования лазерных пучков, высокоскоростными системами их сканирования (до 1 км/с), и цифровыми технологиями управления позволили создать инструмент высокопроизводительной и прецизионной поточечной лазерной 3D-печати мета-свойств различных материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков) на микро- и нано-уровне. В лазерных технологиях это достижение имело эффект, подобный изобретению печатного станка в средние века – в плане производительности (скорости, тиражирования) и качества печати.В рамках выполнения проекта планируется сделать следующий шаг в их практическом применении, на основе результатов фундаментальных исследований пространственно-иерархических физических процессов 3D-формирования мета-свойств материалов на микро- и нано-уровне и разработку соответствующих технологий. Использование высокопроизводительной лазерной 3D-печати УКИ с гибким управлением длиной волны, длительностью, энергией и поляризацией импульсов позволило записывать в объемных изотропных прозрачных диэлектриках микро-оптические устройства высокоплотной «вечной» 5-мерной оптической памяти, поляризующие элементы, волновые фазовые пластинки, цветовые микрофильтры на базе трехмерных многоуровневых структур с наноструктурированным анизотропным мета-атомом (битом лазерной записи), несущим фазовый сдвиг и орбитальный момент, и сложных интерференционно-поляризационных взаимодействий света внутри них. Хотя микро-оптические элементы в объемных и тонкопленочных диэлектриках уступают плазмонным и диэлектрическим метаповерхностям в компактности (при более высоких механических характеристиках), для них нет конкурентов при (нелинейно)оптических преобразованиях лазерных пучков высокой мощности или интенсивности. Аналогичные преимущества данная технология 3D-обработки имеет для развивающегося сейчас в мире лазерного ЧПУ-микрофрезерования поверхности материалов со сложным профилем (например, лопатки турбин), демонстрируя многократно более высокую производительность по сравнению с механическими средствами обработки. Наконец, уникальные характеристики лазерной обработки УКИ проявляются в области биомедицины и пищевой промышленности, где УКИ среднего ИК-диапазона позволяют селективно на молекулярном уровне разрушать органеллы генетической памяти патогенных бактерий или молекулярные механизмы адсорбции вирусов, не затрагивая сам микроорганизм. Таким образом, в рамках данного проекта развития предполагается провести фундаментальные исследования механизмов реализации лазерной 3D-печати УКИ в разных средах, включая биологические и разработку их практических применений.