Research Results 06

2021

Дифракционные сенсорные элементы для регистрации погрешностей записи компьютерно-синтезированных голограмм

Впервые теоретически и экспериментально исследован метод синтеза дифракционных сенсорных элементов (ДСЭ) для регистрации погрешностей записи компьютерно-синтезируемых голограмм (КСГ). ДСЭ представляют собой специализированные микрорешётки, серия которых вписывается в рабочее поле КСГ в течение процесса сканирующей лазерной записи. Разработаны новые двухкоординатные ДСЭ, анализ дифракционной картины от которых позволяет с чувствительностью на уровне не хуже 10 нм определить локальные погрешности изготовления КСГ по обеим ортогональным координатам. Предложенный метод синтеза и анализа ДСЭ позволяет реализовать в автоматическом режиме количественную оценку распределения погрешностей голограмм, формирующих волновой фронт с отклонением от расчетного не хуже l/20. Новый метод позволяет проводить независимую проверку погрешностей КСГ в любое время после окончания процесса изготовления, что важно для верификации голограмм, используемых в интерферометрическом контроле крупногабаритной оптики.

l06 2021 ris1

Рис. 1. а - геометрия 2D ДСЭ для моделирования; СЭМ-микроизображения 2D ДСЭ, записанных с заданным смещением 1.6 мкм (б) и 2.5 мкм (в); г - пример дифракционной картины при измерении тестового 2D ДСЭ.

l06 2021 ris2

Рис. 2. Расчетные и экспериментальные зависимости величин от смещения по координате X: а - дифракционной эффективности (DE) для амплитудной 2D ДСЭ при ΔY=1.75 мкм в 1-м и 2-м дифракционных порядках (DO), б - нормированной разности дифракционной эффективности 1-го и 2-го порядков ΔDE12=(DE1-DE2)/(DE1+DE2).

  1. Shimansky R.V., Belousov D.A., Korolkov V.P., Kuts R.I. Diffractive Sensor Elements for Registration of Long-Term Instability at Writing of Computer-Generated Holograms //Sensors. – 2021. – Vol. 21. – №. 19. – Paper. 6635. – DOI 10.3390/s21196635.
  2. Shimansky R.V., Belousov D.A., Kuts R.I., Korolkov V.P. Controlling the accuracy of fabricating computer-generated holograms on circular and XY laser writing systems //Optical Design and Engineering VIII. – SPIE, 2021. – Vol. 11871. – Paper. 11871I. – DOI 10.1117/12.2597134.

 

2019

Высокоразрешающая лазерная запись на плёнках циркония

Показано, что тонкие пленки циркония, напыленные на подложки из плавленого кварца и подвергнутые лазерно-индуцированному окислению, являются перспективной средой для создания нанорешеток с контролируемым периодом. При построчном сканировании сфокусированным лазерным пучком диаметром 700 нм пленок циркония толщиной 80–110 нм, зарегистрировано формирование решеток из дорожек с шириной 70–100 нм (рис. 1, а) и с периодом, равным шагу сканирования. Экспериментально установлено, что дорожки в виде трещин или деформаций возникают по контуру пространственного распределения температуры, индуцированного пучком непрерывного лазерного излучения (рис. 1, б и в). При включении излучения, этот контур постепенно смещается от центра пятна к периферии после расширения нагретой области (рис. 1, в). Трещины или деформации возникают под действием термомеханических напряжений на границе пленки металла и оксидной дорожки, толщина которой резко растет в процессе окисления металла.

l06 2019 ris1 1

Рис.1. Решетки, записанные с периодом 300 нм: изображение скола (а) и фрагменты наноструктуры при выключении (б) и включении (в) лазерного пучка, движущегося справа налево

  1. Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Belousov D.A., Shimansky R.V., Khomutov V.N., Mikerin S.L., Spesivtsev E.V., Kutz R.I. Increasing the spatial resolution of direct laser writing of diffractive structures on thin films of titanium group metals // Proceedings of SPIE: Vol. 11030: Holography: Advances and Modern Trends VI. – 2019. – Paper. 110300A. – DOI 10.1117/12.2520978.
  2. Korolkov V.P., Sedukhin A.G., Mikerin S.L. Technological and optical methods for increasing the spatial resolution of thermochemical laser writing on thin metal films // Optical and quantum electronics. – 2019. – Vol. 51, is. 12. – P. 389. – DOI 10.1007/s11082–019–2111–6.
  3. Korolkov V.P., Mikerin S.L., Okotrub K.A., Sametov A.R., Malyshev A.I. High–resolution laser fabrication of amplitude diffractive structures on thin metal films // SPIE/COS PHOTONICS ASIA. Proceedings of SPIE: Nanophotonics and micro/nano optics IV / Beijing, China (October 11–13, 2018). – Vol. 10823. – 2018. – Paper 108230X. – DOI 10.1117/12.2501246.

 

Высокопроизводительная запись термохимических лазерно-индуцированных периодических структур на пленках металлов

Впервые продемонстрировано формирование высокоупорядоченных термохимических лазерно-индуцированных периодических структур (ТЛИППС) при воздействии сфокусированного астигматического гауссова пучка. Период структур в зависимости от условий облучения изменяется с 680 нм до 950 нм при использовании длины волны 1026 нм. Ориентация структур определяется направлением поляризации падающего линейно-поляризованного излучения. Максимальная скорость записи зависит от свойств металла, и в случае гафния составляет 3 мм/с, что при размере пучка 150 мкм дает производительность 0,5 мм2/с. Показана возможность практического применения структур для создания элементов защитных голограмм. Исследованный метод формирования ТЛИППС может быть применен для экономически-эффективного синтеза амплитудных масок периодических структур, дифракционных решеток, для изменения оптических и физических свойств поверхностей (смачиваемость, коэффициент трения, электропроводность).

l06 2019 ris2

Микроизображение ТЛИППС, сформированной при воздействии астигматического гауссова пучка (зеленый эллипс). Стрелка на рисунке показывает направление сканирования пучка

  1. Dostovalov A.V., Korolkov V.P., Okotrub K.A., Bronnikov K.A., Babin S.A. Oxide composition and period variation of thermochemical LIPSS on chromium films with different thickness // Optics express. – 2018. – Vol. 26. – №. 6. – P. 7712-7723.
  2. Dostovalov A.V., Derrien T., Lizunov S.A., Preucil F., Okotrub K.A., Mocek T., Korolkov V.P., Babin S.A., Bulgakova N.M. LIPSS on thin metallic films: New insights from multiplicity of laser–excited electromagnetic modes and efficiency of metal oxidation // Applied Surface Science. – 2019. – Vol. 491. – P. 650–658. – DOI 10.1016/j.apsusc.2019.05.171.
  3. Dostovalov A.V., Okotrub K.A., Bronnikov K.A., Terentyev V.S., Korolkov V.P., Babin S.A. Influence of femtosecond laser pulse repetition rate on thermochemical laser–induced periodic surface structures formation by focused astigmatic Gaussian beam // Laser physics letters. – 2019. – Vol. 16, № 2. – Paper. 026003. – DOI 10.1088/1612–202X/aaf78f.
  4. Достовалов А.В., Терентьев В.С., Бронников К.А., Белоусов Д.А., Корольков В.П. Влияние скорости сканирования на формирование ТЛИПСС радиально-симметричным и эллиптическим гауссовым фемтосекундным лазерным пучком // Прикладная фотоника. – 2018. – Т. 5. – № 3. – С. 157-172.
  5. Белоусов Д.А., Достовалов А.В., Корольков В.П., Микерин С.Л. Метод обработки микроизображений для анализа структур ТЛИППС // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 6. – C. 936–945. – DOI 10.18287/2412-6179-2019-43-6-936-945.

 

2018

Гамма и гамма-связанные пучки как новый вид хорошо сфокусированных лазерных пучков

Предложен новый класс хорошо сфокусированных однородных лазерных пучков с аксиальной симметрией, названных гамма-связанными пучками. Они описываются аналитическими решениями параксиального волнового уравнения в терминах обобщенной неполной гамма функции и ее произведений с квадратичными функциями. В сравнении с пучками Лагерра-Гаусса и Бесселя-Гаусса, с одинаковым размером перетяжки, селекция вида гамма-связанных пучков и подстройка их свободных параметров позволяет расширить не менее чем в 3 раза фокальную глубину и повысить не менее чем в 2 раза степень локализации световой энергии в центральном лепестке, а также получить более стабильные поперечный размер и аксиальную интенсивность в пределах фокальной глубины.

l06 2018 ris1

Нормированные распределения интенсивности в меридиональных плоскостях бессель-гауссового пучка (a) и гамма-связанного пучка (b), имеющих одинаковую единичную полуширину в перетяжке и одинаковые максимумы интенсивностей как центральных лепестков, так и первых поперечных максимумов.

  1. Sedukhin A.G. Gamma and gamma–coupled beams // Applied optics. – 2018. – Vol. 57, is. 14. – P. 3653–3660. – DOI 10.1364/AO.57.003653.
  2. Sedukhin A.G. Extending a set of well–focused beams described by gamma and gamma–coupled functions // Applied optics. – 2018. – Vol. 57, is. 30. – P. 9078–9085. – DOI 10.1364/AO.57.009078.

 

2017

Метод минимизации погрешностей сканирующей лазерной записи синтезированных голограмм

Разработан метод минимизации погрешностей при записи синтезированных голограмм на круговой лазерной сканирующей системе. Он базируется на алгоритме периодического прецизионного совмещения начала системы полярных координат, в которой задается  положение лазерного пучка, с осью вращения оптической заготовки и последующей непрерывной динамической коррекции абсолютных координат пучка в процессе записи. Метод был успешно применён на практике при записи крупноразмерных синтезированных голограмм с диаметром до 240 мм. Благодаря применению разработанного алгоритма среднеквадратичная погрешность записи продолжительностью до 9 часов не превысила 10 нм при скорости дрейфа оси вращения заготовки около 250 нм/час. Время записи за счет дополнительных измерений возрастает не более чем на 10%.

2017 ris1

Рис.1. а - фрагмент зависимости погрешности позиционирования с коррекцией (1), без коррекции (2) и температуры (3) от времени, б - результат контроля изготовленного ДИ: интерферограмма (вверху) и фазовая карта отраженного волнового фронта (внизу).

  1. Шиманский Р.В., Полещук А.Г., Корольков В.П., Черкашин В.В. Совмещение записывающего пучка с осью вращения дифракционной структуры при синтезе дифракционных оптических элементов в полярной системе координат// Автометрия, т.53, №2, с.30-38.
  2. Шиманский Р.В., Полещук А.Г., Корольков В.П., Черкашин В.В. Динамическая коррекция координаты лазерного пучка при записи крупногабаритных дифракционных элементов для контроля асферических зеркал. //Автометрия, 2017, т.53, №3, с. 64-73.
  3. Патент РФ 2587528. Способ контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов (доэ). Авторы Полещук А.Г., Шиманский Р.В. Опубл. 06.2016. Бюл. № 17.

 

Формирование термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур фемтосекундным лазерным излучением на пленках различных металлов и сплавов

Установлено, что на поверхности плёнок хрома, титана и нихрома (с содержанием хрома 20%) образуются ТЛИППС с периодом 930, 950 и 980 нм, соответственно при сканировании фемтосекундного ИК-лазерного пучка размером 4 мкм и более. На поверхности плёнок Ni и NiCr с низким содержанием хрома ТЛИППС не образуются, поскольку никель имеет более высокую теплопроводность, чем Cr и Ti. Обнаружено формирование на оксидных участках ТЛИППС абляционной квазипериодической структуры с периодом 250-300 нм в случае хрома и нихрома (80/20) вследствие возбуждения поверхностных плазмонов на границе раздела металлоксид. Предложена модель оптических характеристик ТЛИППС. Численный расчёт дифракции света на её основе даёт результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом. Впервые продемонстрирована возможность селективного травления плёнок металла через ТЛИППС. Полученные данные создают основу для экономически-эффективного локализованного синтеза периодических микроструктур различного назначения и управления такими свойствами плёнок, как смачиваемость, коэффициент трения, электропроводность, отражение и пропускание света.

2017 ris2

Рис. 2. Изображение периодической структуры ТЛИППС на поверхности Ti (а) и NiCr80/20 (б), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа; изображение ТЛИППС на поверхности Сr, полученное с помощью оптического микроскопа в проходящем свете (с).

  1. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, and S. A. Babin, “Formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Ti films by a femtosecond IR Gaussian beam: regimes, limiting factors, and optical properties,” Appl. Phys. B, vol. 123, no. 1, p. 30, 2017.
  2. V Dostovalov, V. P. Korolkov, V. S. Terentyev, K. A. Okotrub, F. N. Dultsev, and S. A. Babin, “Study of the formation of thermochemical laser-induced periodic surface structures on Cr , Ti , Ni and NiCr films under femtosecond,” Quantum Electron., vol. 47, no. 7, pp. 631–637, 2017.
  3. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, V. S. Terentiev, K. A. Okotrub, F. N. Dultsev, A. V. Nemykin, and S. A. Babin. Study of TLIPSS formation on different metals and alloys and their selective etching. Proc. SPIE, Vol. 10092: Laser-based Micro- and Nanoprocessing XI, edited by U. Klotzbach, K. Washio, R. Kling, 100921H, 2017.
  4. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, V. S. Terentyev, K. A. Okotrub, F. N. Dultsev, and S. A. Babin, “Optimal Regimes of Thermochemical LIPPS Formation on Surfaces of Different Metals“, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2016), Shanghai, China, 8 August - 11 September, p. 4932- 4936 (2016).
  5. A. V. Dostovalov, V. P. Korolkov, S. A. Babin. Simultaneous formation of ablative and thermochemical laser-induced periodic surface structures on Ti film at femtosecond irradiation. Laser Phys. Lett. 12 (3) 036101 (2015).