Программы, проекты

Разработка технологии получения нового поколения комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов с изменяемыми оптическими характеристиками на основе тонкопленочных наноматериалов и наноструктурированных стекол


Резюме проекта, полученные результаты: Загрузить / Загрузить

Номер Соглашения о предоставлении субсидии контракта: № 14.578.21.0063

Приоритетное направление: Индустрия наносистем

Критическая технология: Технологии наноустройств и микросистемной техники

Период выполнения: 10.10.2014-30.12.2016

Плановое финансирование проекта:

Бюджетные средства: 35 млн. руб.

Внебюджетные средства: 15.1 млн. руб.

Получатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ «БелГУ»).

Руководитель работ по проекту: доцент кафедры теоретической и математической физики НИУ «БелГУ» А.С. Кубанкин

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью «Марафон».

Организация-соисполнитель: ООО «Интегрированные коммуникации».

Ключевые слова: голограммный оптический элемент, дифракционный оптический элемент, дифракционная решётка, наноструктурирование.

Основные результаты 1 этапа:

1. На основе метода Фурье-мод разработана математическая модель комбинированных ГОЭ-ДОЭ, формирующих заданные волновые фронты света и обеспечивающих заданное изменение спектрального пропускания при изменении углов падения входных пучков света (спектрально-угловой селективности).

2. Обоснован метод решения уравнений электромагнитной теории применительно к комбинированным ГОЭ-ДОЭ с учетом технологических погрешностей процесса их изготовления и выбранных типов тонкопленочных наноматериалов.

3. Выполнено численное моделирование параметров и характеристик образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ методом Фурье-мод, проведено исследование сходимости в зависимости от числа Фурье-гармоник и числа аппроксимирующих слоев с целью обеспечения заданных значений интенсивностей дифракционных порядков.

4. Разработан метод синтеза комбинированных ГОЭ-ДОЭ, сочетающих функции преобразователя волновых фронтов света и плазмонного фильтра с изменяемой спектрально-угловой селективностью.

5. Осуществлён выбор типов наноматериалов и их технологических особенностей для оптимизации параметров и характеристик спектральных фильтров, методов получения комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками и поверхностным фазово-оптическим рельефом стеклянных подложек (методы электронно-лучевой литографии, лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления).

6. Разработано специализированное программное обеспечение для синтеза плазмонных фильтров со спектрально-угловой селекцией с учетом параметров выбранных тонкопленочных наноматериалов.

7. Разработаны тестовые задачи для моделирования работы комбинированных ГОЭ-ДОЭ, иллюстрирующих наличие влияния погрешностей изготовления отдельных операций в цепочке технологического процесса, на качество формируемых ими волновых фронтов света и спектральных характеристик.

8. Разработаны математические модели для расчёта характеристик излучения в областях вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, генерирующегося при взаимодействии нерелятивистских и релятивистских электронов с периодическими средами.

9. Проведено исследование возможностей использования ГОЭ-ДОЭ в областях вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена на основе предполагаемых характеристик изготавливаемых ГОЭ-ДОЭ:

  • выполнен анализ существующих математических моделей в рассматриваемой области;
  • определена оптимальная геометрия дальнейших экспериментов;
  • выполнен анализ характеристик существующих источников вакуумного ультрафиолета, мягкого рентгена и быстрых электронов;
  • выполнен анализ характеристик детекторов вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена;
  • выполнен анализ необходимых характеристик вакуумной системы, гониометров, трансляторов, юстировочных механизмов;
  • разработаны методики измерения сигнала вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена в рамках предполагаемой установки.

10. Проведены пуско-наладочные работы существующих экспериментальных установок для создания ГОЭ-ДОЭ, выполнена оптимизация установок для выполнения запланированных задач.

11. Разработаны и испытаны узлы экспериментальной установки для исследования характеристик излучения, возникающего при взаимодействии вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, а также быстрых электронов с ГОЭ-ДОЭ:

  • вакуумная система с блокировками аварийных ситуаций;
  • стабилизированный источник вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена с программой управления.

Основные результаты 2 этапа:

1. Разработана методика получения комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками на основе методов электронно-лучевой литографии и метода ионного плазмо-химического травления поверхностного фазово-оптического рельефа стеклянных подложек. В качестве основы разрабатываемых элементов были выбраны стеклянные подложки с нанесённым слоем хрома и фоторезиста, что является стандартным подходом при изготовлении дифракционных поверхностных структур. В процессе разработки методики были обнаружены недостатки использовавшихся методов и разработаны подходы для устранения данных недостатков. В качестве основы использовались следующие технологии:

  • электронно-лучевая литография, позволяющая формировать поверхностные структуры с пространственным разрешением менее 10 нм, что в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания;
  • ионно-плазмохимическое травление, позволяющее формировать поверхностный рельеф непосредственно на стекле через маску хрома;
  • магнетронное напыление, позволяющее сформировать плёнку серебра на структурированной поверхности стекла, выполняющую функцию плазмонного фильтра.

2. На основе разработанной методики были изготовлены экспериментальные образцы комбинированных ГОЭ-ДОЭ с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом на одной стороне и плазмонными решетками с наноструктурированным рельефом с другой стороны единой стеклянной подложки в количестве 5 шт. Изготовленные образцы будут использованы на следующем этапе при исследовании спектрально-угловых характеристик.

3. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования характеристик излучения, возникающего при взаимодействии вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, а также быстрых электронов с ГОЭ-ДОЭ. Проведена пуско-наладка созданной экспериментальной установки (определены и подобраны режимы работы магнитооптики, калибровки гониометров и детекторов, диагностики системы контроля пучка электрона, диагностики и калибровки источников вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения). Все измеренные характеристики установки были в рамках требований технического задания проекта.

4. Разработанная система удалённого управления разработанной экспериментальной установкой для исследования характеристик излучения позволяет контролировать все элементы установки, которые нуждаются в автоматическом управлении или которые недосягаемы для ручного управления во время работы.

5. Проведено патентное исследование в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. В результате патентного исследования была выявлена патентоспособность разрабатываемых технологий по изготовлению ГОЭ-ДОЭ. Большая часть исследованных патентных документов по рассматриваемой тематике датирована 2000-2014 годами, что подтверждает актуальность задачи. По итогам выполненных работ сформирована и отправлена на экспертизу в Роспатент патентная заявка «Способ формирования контрастного изображения рентгеновского излучения» (регистрационный номер 2015118438).

6. По результатам работ подготовлено два доклада на XLV Международную Тулиновскую конференцию по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (ФВЗЧК-2015). Конференция проходила с 26 по 28 мая 2015 г. в Москве в Московском Государственном Университете.

  1. Вохмянина К.А., Левина В.С., Кищин И.А., Кубанкин А.С., Нажмудинов Р.М., Олейник А.Н., Сотников А.В., Похил Г.П. Экспериментальное исследование возможности бесконтактного взаимодействия пучков электронов со структурированными поверхностями // Сборник тезисов XLV Международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, С.12.
  2. Кищин И.А., Аль-Омари М., Кубанкин А.С., Нажмудинов Р.М., Сергиенко В.И. Источник вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена на основе взаимодействия пучка быстрых электронов с плоской мишенью в скользящей геометрии // Сборник тезисов XLV Международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, С.53.

Доклад на VII Международную научно-практическую конференцию «Физико технические проблемы в науке, промышленности и медицине» (http://portal.tpu.ru/science/konf/atom ). Конференция проходила с 3 по 6 июня 2015г. в Томске в Томском политехническом институте.

  1. А.С. Кубанкин, К.А. Вохмянина, В.С. Левина, Г.П. Похил. Ориентационные эффекты при скользящем взаимодействии быстрых электронов с диэлектрическими поверхностями.

7. Разработан программный пакет для расчёта фильтров вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, позволяющий выполнить предварительные расчёты для экспериментальных исследований следующего этапа.

Цели, поставленные на втором этапе проекта, полностью достигнуты и находятся в рамках требований технического задания. Результаты исследования и выполненные разработки могут быть использованы при создании миниатюрных оптических устройств или оптических систем, где использование традиционных элементов оптики затруднено.

Основные результаты 3 этапа

1. Разработана программа и методики экспериментальных исследований экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ с изменяемыми оптическими характеристиками.

2. Разработана эскизная конструкторская документация и изготовлена технологическая оснастка для получения ГОЭ-ДОЭ методами электронно-лучевой или лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления.

3. Разработана и создана двухкоординатная система диагностики положения и профиля пучка быстрых электронов в сечении электронопровода.

4.1. Выполнены исследования изготовленных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ в оптической области спектра. Измерены дифракционные характеристики ГОЭ-ДОЭ в зависимости от углов взаимодействия излучения с ГОЭ-ДОЭ, зафиксированы спектральная сдвижка дифрагированного сигнала и изменение полосы пропускания сигнала в соответствии с требованиями п.4.3.1. технического задания.

4.2. В серии экспериментов по измерению спектральных и ориентационных характеристик фотонного отклика, реализующегося при взаимодействии пучков излучений вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена с ГОЭ-ДОЭ показана возможность монохроматизации излучения в данных областях исследуемыми образцами.

4.3. В серии экспериментов по измерению спектральных и ориентационных характеристик фотонного отклика, реализующегося при взаимодействии пучков быстрых электронов с ГОЭ-ДОЭ удалось зафиксировать излучение Смитта-Парселла в оптической области и областях вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена.

4.4. Обработка экспериментальных результатов по исследованию дифракционных характеристик ГОЭ-ДОЭ позволила определить основные области работы ГОЭ-ДОЭ в зависимости от угла взаимодействия излучения с ГОЭ-ДОЭ.

4.5. Выполненное сопоставление эффективности использования комбинированных ГОЭ-ДОЭ в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена в качестве монохроматоров по отношению к традиционным дифракционным решёткам и многослойным рентгеновским зеркалам показало, что исследуемые образцы занимают среднее положение по характеристикам в качестве монохроматоров вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена между обычными дифракционными решётками и многослойными зеркалами, что может иметь определённые преимущества при решении задач в области вакуумного ультрафиолета, где энергия фотонов близка к плазменным частотам плазмонного слоя ГОЭ-ДОЭ.

4.6. Проведенная оценка эффективности использования комбинированных ГОЭ-ДОЭ в качестве мишеней для генерации излучения в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена пучками быстрых электронов показала возможность использования ГОЭ-ДОЭ для эффективной генерации излучения, но для этого необходимо использовать заряженные частицы высокой энергии с Лоренц-фактором отличным от единицы.

4.7. Измеренные характеристики рельефа экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ находятся в согласии с п.4.3.1. технического задания.

5. На основе полученных результатов работы опубликовано две статьи в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science).

Основные результаты 4 этапа

1. Проведено математическое статистическое моделирование основных операций технологического процесса изготовления комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками и поверхностным фазово-оптическим рельефом в соответствии с разработанными тестовыми задачами, иллюстрирующее наличие влияния погрешностей изготовления по цепочке операций технологического процесса.

2. Выполнено сопоставление результатов теоретико-аналитических исследований и математического статистического моделирования с результатами испытаний экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ и проведена корректировка технологической документации на выполняемые операции.

3. Проведены обработка и интерпретация результатов математического статистического моделирования с определением технологических допусков по отдельным операциям технологического процесса.

4. Изготовлены экспериментальные образцы комбинированных ГОЭ-ДОЭ с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом на одной стороне и плазмонными решетками с наноструктурированным рельефом с другой стороны единой стеклянной под-ложки с учётом результатов работ по оптимизации параметров разрабатываемых ГОЭ ДОЭ, проделанных в пунктах 1,2,3. Проведены соответствующие испытания.

5. По результатам выполненных работ проведена подготовка заявки на патент.

6. Результаты работ были представлены на международных конференциях:

  1. XLVI Международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (ФВЗЧК-2016, http://danp.sinp.msu.ru/tulin_conf.htm ). Конференция проходила с 31 мая по 2 июня 2016 г. в Москве, в Московском Государственном Университете;
  2. XXIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2016» (https://lomonosov-msu.ru/rus/event/3500/). Конференция проходила с 11 по 15 апреля 2016 г. в Москве, Московском Государственном Университете.

7. Проведена корректировка эскизной конструкторской документации технологической оснастки для получения ГОЭ-ДОЭ методами электронно-лучевой или лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления с учетом результатов экспериментальных исследований и моделирования.

8. Разработана программа расчёта характеристик излучения, генерирующегося при взаимодействии быстрых электронов с поверхностным рельефом ГОЭ-ДОЭ.

9. Осуществлено материально-техническое обеспечение выполнения работ.

Основные результаты 5 этапа

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 10 октября 2014 г. № 14.578.21.0063 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №5 в период с 01 июля по 31 декабря 2016 г. выполнялись следующие работы в соответствии с Планом-графиком выполнения обязательств:

1. Разработаны рекомендаций по практическому применению полученных результатов, в том числе в реальном секторе экономики.

2. Разработан проект ТЗ на выполнение ОТР по теме: “Разработка промышленной технологии и создание опытных образцов комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов для лазерных и оптико-электронных систем с минимизированными массо-габаритными параметрами”, включая разработку технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики

3. Выбран материала покрытия, нанесение и исследование защитных тонкоплёночных покрытий на изготовленные ГОЭ-ДОЭ с целью оценки возможностей дополнительной защиты и улучшения дифракционных характеристик изготовленных ГОЭ-ДОЭ.

4. Проведена оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.

5. Проведена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ.

6. Разработаны рекомендаций по возможностям улучшения характеристик изготовленных ГОЭ-ДОЭ.

7. Подготовлены публикации результатов работы в научных журналах (не менее трёх статей), индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science).

8. Результаты работ представлены в ходе работы международной конференции.

9. Выполнено исследование возможности увеличения эффективности генерации излучения в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена в режиме скользящего бесконтактного взаимодействия пучка заряженных частиц с ГОЭ-ДОЭ.

10. Осуществлено материально-техническое обеспечение выполнения работ по п. 5.3 плана-графика.

Все работы выполнены в полном объёме.