Институт в фотографиях

Проект РФФИ ОФИ_М № 14-29-07227

(2014-2016 гг.)

Разработка физических основ, технологии и лазерного комплекса термохимической нанолитографии для синтеза субволновых дифракционных элементов фотоники

 

Целью настоящего проекта являются разработка физических основ безрезистной технологии лазерной нанолитографии тонких пленок металлов, полупроводников и их окислов, а также принципов построения прецизионного лазерного нанолитографа (ЛНЛ) для синтеза элементов нанофотоники и дифракционной оптики в том числе на трехмерных (3D) оптических поверхностях.

Руководитель Проекта:

 Полещук Александр Григорьевич 

 

Исполнители проекта:

  1. Корольков Виктор Павлович
  2. Шиманский Руслан Владимирович
  3. Седухин Андрей Георгиевич
  4. Насыров Руслан Камильевич
  5. Хомутов Владимир Николаевич
  6. Конченко Александр Сергеевич
  7. Вейко Вадим Павлович (Университет ИТМО, СПб)
  8. Синев Дмитрий Андреевич Павлович (Университет ИТМО, СПб)
  9. Шахно Елена Аркадьевна Павлович (Университет ИТМО, СПб)

 

В ходе выполнения работ по этапу 2014 года были получены следующие основные результаты.

Теоретически исследовано лазерное локальное окисление тонких пленок, образующих прозрачные окислы металлов. При малых размерах облученной области, получены аналитические решения для оценки температуры и разработана методика численного расчета процесса роста оксида.

Показано, что небольшое изменение температуры пленки приводит к значительному изменению толщины слоя оксида, т.е. контраст и разрешающая способность термохимического рисунка много выше, чем температурного. Показано, что для титана изменения температуры на 1% приводит к изменению толщины слоя оксида более чем на 8%.

Методом прямой записи сканирующим пучком получена устойчивая контрастная планарная периодическая структура на пленке титана с разрешением порядка  25 мм-1.

Показано, что запись структур на пленках хрома методом двулучевой интерференции, может успешно осуществляться с термохимическим контрастом до 99%.

Экспериментально показана запись структур с разрешением около 0,7 мкм-1 на плёнках хрома, сформированных с помощью двух-, трех-, четырёх- и шести лучевой интерференции.

Проведены пробные эксперименты по окислению тонких пленок олова, позволившие выявить рабочие режимы облучения и получить оксидные структуры шириной до 30 мкм. Экспериментально продемонстрирована оптическая локальная модификация структуры тонкой плёнки олова, которая в перспективе позволит создавать полутоновые дифракционные оптические элементы в один этап, минуя операцию травления.

Продемонстрировано образование высокоупорядоченных FLIPSS (Femtosecond Laser Induced Periodical Surface Sctructure) на пленках титана при острой фокусировке фс излучения с различными направлениями сканирования относительно направления поляризации излучения. Продемонстрирована возможность записи FLIPSS с азимутальным и радиальным направлением структуры.

Разработана функциональная и оптическая схемы стенда ЛНЛ. Разработан и изготовлен блок линейного перемещения головки записи с интерферометрическим контролем и дискретностью измерения перемещения около 0.15 нм.

Предложена и исследована новая двухкомпонентная аналитическая модель, описывающая параксиальные, прямоугольно-симметричные лазерные пучки (класс «меса»  пучков) произвольной ширины для обеспечения аподизации фокусирующего микрообъектива ЛНЛ. Разработаны методы описания и оценки деформации волнового фронта, а также распределения их интенсивности на произвольных расстояниях от их перетяжки. Показано, что использование одного или нескольких (в интерференционной схеме) таких пучков обеспечивает высокое качество фокусировки когерентного лазерного пучка.

 

В ходе выполнения работ по этапу 2015 года были получены следующие основные результаты.

Создана физико-математическая модель процесса лазерного нагревания и окисления тонкой металлической пленки с учетом изменения ее оптических свойств в процессе окисления при малых (субмикронных) размерах облученной области. На основании разработанной модели спрогнозированы результаты и определены оптимальные режимы одноступенчатой лазерной термохимической обработки для получения субмикронных структур на тонких пленках титана и олова.

Экспериментально показана запись структур с разрешением около 0.7 мкм-1, сформированных с помощью двулучевой интерференции, импульсным воздействием наносекундной длительности на плёнки титана.

Теоретически смоделировано формирование оксидных микроструктур в плёнках хрома и титана в интерференционном поле под действием наносекундных лазерных импульсов. Показано, что для контрастной записи указанным методом на хроме требуется не менее 7-8 последовательных импульсов, для титана – не менее 70-80. Экспериментально показано создание периодических микроструктур на тонких плёнках хрома и титана при экспонировании двумя, тремя, четырьмя и шестью интерферирующими лазерными пучками с пикосекундной длительностью импульса. С помощью микро-Рамановской спектроскопии показано преобладание TiO2 и а-Ti2O3 в области плёнки титана, модифицированной воздействием пикосекундных лазерных импульсов в интерференционном поле.

Определены диапазоны экспериментальных параметров, в которых наблюдается формирование высокоупорядоченных термохимических лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур на пленках титана.

Разработаны, изготовлены и испытаны основные узлы экспериментального образца прецизионного сканирующего ЛНЛ для записи дифракционных наноструктур на плоских подложках, в полярной системе координат. Разработаны и исследованы алгоритмы совмещения оси вращения шпинделя с центром записывающего лазерного пятна и долговременной (более 8 час.) коррекции дрейфа их взаимного положения с погрешностью менее 20 нм в процессе записи дифракционных структур.  Для контроля формы волнового фронта записывающего лазерного пучка разработан и изготовлен экспериментальный датчик волнового фронта Шака-Гартмана. Предложен также способ калибровки этого датчика и разработано программное обеспечение для анализа волнового фронта.

Для реализации предельно малых размеров записывающего лазерного пучка, предложен новый вид «сухого» высокоаперурного (NA~1) двухкомпонентного (зеркально-дифракционного) оптического объектива с относительно большим рабочим отрезком (порядка 1 мм, в проектируемом варианте) и внутренним преобразованием формы входного лазерного ГУФ гауссового пучка в пучок с кольцевой апертурной функцией.

Предложены и исследованы дифракционные элементы с зонами, выполненными в виде диффузно рассеивающих отражающих и/или пропускающих микро- и наноструктур, а также многослойных сред. Экспериментально показана возможность формирования волнового фронта с погрешностью менее 0.01 длины волны света (rms)

 

Отчет 2016 года в стадии подготовки.

 

Библиографический список основных публикаций по проекту за весь период выполнения проекта (2014-2016 гг.).

Монографии и статьи.

  1. V. P. Veiko , A. G. Poleshchuk. Laser-Induced Local Oxidation of Thin Metal Films: Physical Fundamentals and Applications // In V. P. Veiko, V. I. Konov (Eds.), Fundamentals of Laser-Assisted Micro- and Nanotechnologies . Springer Series in Materials Science, 2014. Vol. 195, XVII, pp. 149–172.
  2. Veiko V.P., Shakhno E.A., Sinev D.A. Laser thermochemical writing: pursuing the resolution // Optical and Quantum Electronics - 2016, Vol. 48, No. 6, pp. 322.
  3. V. Veiko, M. Yarchuk, R. Zakoldaev, M. Gedvilas, G. Raciukaitis, M. Kuzivanov, A. Baranov . Picosecond laser registration of interference pattern by oxidation of thin Cr films/Applied Surface Science 404 (2017) 63–66.
  4. M. Gedvilas, B. Voisiat, S. Indrišiūnas, G. Račiukaitis, V. Veiko, R. Zakoldaev, D.Sinev, E. Shakhno. Thermo-Chemical Microstructuring of Thin Metal Films using Multi-Beam Interference by Short (Nano- & Picosecond) Laser Pulses // Thin Solid Films, 2017 (in print).
  5. A.G. Poleshchuk, R.K. Nasyrov, J.-M. Asfour. Interferometric testing of steep cylindrical surfaces with on-axis CGHs//Computer Optics 2016, М.40, №5 P. 625-628.
  6. А.Г. Полещук, В.П. Корольков, Р.К. Насыров, В.Н. Хомутов, А.С. Конченко, Методы оперативного контроля характеристик дифракционных и конформальных оптических элементов в процессе изготовления// Компьютерная оптика, 2016, том 40, №6, С,818-829.
  7. Р. В. Шиманский, А. Г. Полещук, В. П. Корольков, В. В. Черкашин. Совмещение записывающего пучка с осью вращения дифракционной структуры при синтезе дифракционных оптических элементов в полярной системе координат/Автометрия, 2017, Т. 53, №2. С.30-38.
  8. А.Г. Полещук, В.Н. Хомутов, А.Е.Маточкин, Р.К.Насыров, В.В.Черкашин. Лазерные интерферометры для контроля формы оптических поверхностей// Фотоника, 2016, №4, С. 38-50.
  9. А.В. Достовалов, В.П. Корольков, В.С. Терентьев, К.А. Окотруб, Ф.Н. Дульцев, С.А. Бабин. Исследование формирования термохимических лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур на пленках Cr, Ti, Ni, NiCr фемтосекундным излучением.// Квантовая электроника, 2017 (в печати).
  10. A. G. Sedukhin and A. G. Poleshchuk. Efficient tight focusing of laser beams optimally matched with their thin-film linear-to-radial polarization conversion: Novel approach, theory, and field near focus//Journal of Optics, 2017 (in print).
  11. Васильев О.С., Вейко В.П., Горный С.Г., Рузанкина Ю.С. Лазерная установка для микроструктурирования поверхности металла с использованием волоконного лазера // Оптический журнал, 2015. т.82, вып.12, с.70-77.
  12. Veiko V.,Odintsova G., Gorbunova E., Ageev E., Shimko A., Karlagina Yu., Andreeva Ya. Development of complete color palette based on spectrophotometric measurements of steel oxidation results for enhancement of color laser marking technology // Materials and design, 2016, vol.89, PP.684-688.
  13. Юльметова О.С., Щербак А.Г., Вейко В.П., Щербак С.А., Юльметова Р.Ф. Управление контрастностью растрового рисунка при лазерной маркировке: моделирование технологического процесса // Изв.вузов: Приборостроение, 2015, Т.58, №6, с.485-491.
  14. А.V. Dostovalov, V. P. Korolkov and S. A. Babin, Simultaneous formation of ablative and thermochemical laser-induced periodic surface structures on Ti film at femtosecond irradiation //Laser Physics Letters, 2015. V. 12, N 3, 036101.
  15. А.Г. Полещук, В.П. Корольков, А.Г. Седухин, А.Р. Саметов, Р.В. Шиманский. Прямая лазерная запись в плёнках хрома полутоновых микроизображений с большим динамическим диапазоном //Автометрия, 2015, № 3, стр. 87-93.
  16. А. Г. Верхогляд, М. А. Завьялова, С. А. Кокарев, В. П. Корольков, А. Е. Качкин. Круговая лазерная записывающая система для формирования фазовых и амплитудных микроструктур на сферических поверхностях // Датчики и системы. – 2015. – № 10. – С. 45–52.
  17. Y .V. Chugui, A. G.Verkhoglyad, P. S. Zavyalov, E. V. Sysoev, R. V. Kulikov, I. A.Vykhristyuk, M. A. Zavyalova, A. G. Poleshchuk, V. P. Korolkov. Optical Measuring and Laser Technologies for Scientific and Industrial Applications // Int. J. of Automation Technology, 2015, Vol.9, No.5, p. 515–524.
  18. A.G. Poleshchuk and A.G. Sedukhin, Diffraction technique for testing the resolution and sensitivity of Hartmann and Shack–Hartmann sensors // Optics Letters, 2015. Vol. 40, (No. 21) 5050-5053.
  19. Деревянко Д.И., Шелковников В.В, Бережная В.Н., Лоскутов В.А., Орлова Н.А., Огнева Л.Н., Миронников Н.Г., Корольков В.П., Гибридный материал на основе силоксансодержащих тиольных и акрилатных олигомеров для записи дифракционных структур и его термооптические свойства // Известия Волгоградского государственного технического университета, №7 (164), 2015, стр. 82-85.
  20. Миронников Н.Г., Деревянко Д.И., Корольков В.П., Шелковников В.В. Исследование лазерной записи дифракционных структур на пленках нового гибридного фотополимерного материала // Известия высших учебных заведений. Физика, 2015, т.58, N11/3, стр. 144-146.
  21. Е.А. Шахно, Д.А. Синев, А.М. Кулажкин. Особенности лазерного окисления тонких пленок титана // Оптический журнал, 2014, Том 81, № 5, C. 93-98.
  22. E. A. Shakhno, D. A. Sinev, and A. M. Kulazhkin. Features of laser oxidation of thin films of titanium // Journal of Optical Technology, 2014, Vol. 81, Iss. 5, pp. 298–302.
  23. V. Veiko, G. Odintsova, E. Ageev, Yu. Karlagina, A. Loginov, A. Skuratova, E. Gorbunova. Controlled oxide films formation by nanosecond laser pulses for color marking // Optics Express. 2014, Vol. 22, Iss. 20, pp. 24342-24347.
  24. В.П. Вейко, А.А. Слободов, Г. В.Одинцова. Применение метода химической термодинамики при анализе лазерного термохимического воздействия на металлы // Изв. вузов. Приборостроение, 2014. Т. 57, № 6, стр.58-65.
  25. А.В. Достовалов, В. П. Корольков, С. К. Голубцов, В. И. Кондратьев, “Особенности формирования самоиндуцированных решеток на металлических фольгах при сканировании остросфокусированным фемтосекундным лазерным пучком”, Квант. электрон., 44:4 (2014), 330–334.
  26. В.П. Корольков Чувствительность оптимизированного метода контурной маски к ошибкам процесса изготовления ДОЭ с кусочно-непрерывным рельефом. Автометрия.— 2014.— Т.50, №1.— C. 9-19
  27. A.G. Sedukhin, Rectangular symmetrical mesa beams and their comparison with flattened Gaussian and multi-Gaussian beams // Optics Communications, 2015, 15 January, Vol. 335. P. 284–292.
  28. А.Г. Полещук, А.Г. Седухин, В.И. Трунов, В.Г. Максимов. Датчик Гартмана на основе многоэлементных амплитудных масок с аподизированными апертурами // Компьютерная оптика, 2014 т. 38, N 4Б стр. 695-703.

Полученные в ходе выполнения проекта результаты интеллектуальной собственности:

 

  1. Патент РФ № 2534435. Эталонный дифракционный оптический элемент (Варианты), МПК G02B27/44 , Опубл. 27.11.2014. Автор: Полещук А. Г.

  2. Патент РФ №2540065. Способ изготовления дифракционного оптического элемента (ДОЭ). Опубл. 27 января 2015. Авторы: Полещук А.Г., Корольков В.П., Шиманский Р.В., Черкашин В.В.

  3. Патент РФ на полезную модель № 162920 Высокоапертурный объектив для фокусировки оптического излучения. Авторы: А.Г. Полещук, А.Г. Седухин.  Опубл.   27.06.2016 г, Бюл., № 18.

  4. Патент РФ 2587528. Способ контроля погрешности изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ). Авторы А.Г. Полещук,  Р.В. Шиманский. Опубл. 20.06.2016. Бюл. № 17.