Страницы подразделений

Институт в фотографиях

Проект РНФ № 17-19-01721 (2017–2019 гг.)

Проект РНФ № 17-19-01721-П (2020–2021 гг.)

Проект РНФ № 17-19-01721

(2017–2019 гг.)

Развитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

Целью настоящего проекта являются разработка методов и оборудования для лазерной безрезистной записи компьютерно-синтезированных наноструктур для задач нанофотоники и дифракционной оптики на тонких металлических пленках путем сканирования остросфокусированного лазерного пучка с длиной волны в УФ диапазоне.

Руководитель Проекта:

Корольков Виктор Павлович

Исполнители проекта:

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

В ходе выполнения работ по проекту были получены следующие основные результаты:

1. Впервые в мире создан лазерный нанолитограф с круговым сканированием и двумя оптическими каналами - ДУФ (266 нм) и видимым (532 нм). В качестве общего фокусирующего объектива используется ДУФ объектив с числовой апертурой 0.9. Он позволяет проводить исследование по лазерной записи дифракционных структур на органических и неорганических пленочных материалах в широких диапазонах изменения скорости сканирования и плотности мощности.

2. Создан X-У лазерный нанолитограф с прямоугольным сканированием и длинной волны записывающего лазера 405 нм. Он имеет двухкоординатный стол с полем сканирования 50х50 мм и разрешением позиционирования 1 нм по обеим координатам. Установка позволяет проводить эксперименты по исследованию новых фокусирующих систем и записи структур в непрерывном и импульсном режиме (с длительностью импульсов до 100 нс) при скорости сканирования до 100 мм/c. Для исследования лазерной записи на тонких металлических пленках без снятия подложки с материалом в конструкцию X-У нанолитографа встроены фотоприемники, позволяющие реализовать фотоэлектрический метод измерения коэффициентов пропускания и отражения плёночных структур по мере формирования оксидных дорожек. Данное техническое решение также позволяет оперативно подбирать оптимальные параметры записи (мощность и скорость сканирования записывающего пучка) по анализу изменения показателей пропускания и отражения оксидных дорожек в области предварительно записанных тестовых структур.

3. Для определения оптимальных режимов термохимической записи и прогнозирования физико-химических свойств и предельных размерных характеристик формируемых оксидных пленок исследованы энергетические характеристики, пространственное разрешение и диапазон изменения оптического пропускания для одноэтапной лазерной термохимической записи путем локального термо-индуцированного окисления тонких пленок различных переходных металлов (Ti, Zr, Ta, V, Mo, Cr). Исследован методом комбинационного рассеяния света (КРС) химический состав оксидов, сформированных при нагреве металлических пленок путем сканирования сфокусированного лазерного пучка. Методами сканирующей электронной микроскопии проведен анализ сформированных структур.

В режиме импульсной записи на пленках тантала получены структуры типа питов с диаметром 200-250 нм при диаметре пучка 700 нм.

4. Впервые в мире измерены показатели преломления n и коэффициенты поглощения k в диапазоне длин волн 250-1100 нм для гафния.

5. 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 и с периодом, равным шагу сканирования (200-500 нм). Экспериментально установлено, что дорожки в виде трещин или деформаций возникают по контуру пространственного распределения температуры, индуцированного пучком непрерывного лазерного излучения. Трещины или деформации возникают под действием термомеханических напряжений на границе пленки металла и оксидной дорожки, толщина которой резко растет в процессе окисления металла.

6. Разработана физико-математическая модель локального лазерного окисления тонких пленок титана при субмикронных размерах области облучения (0,2 - 1,0 мкм) в миллисекундном диапазоне длительностей воздействия. Расчетный минимальный диаметр записанного изображения на плёнке титана при диаметре облучённой области 600 нм и толщине плёнки 10 нм составил 230 нм.

7. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность одноэтапного создания контрастных высокоупорядоченных микроструктур с пространственной частотой до 650 мм-1 и более под воздействием пикосекундных лазерных импульсов длительностью 300 пс (в том числе, единичного пикосекундного импульса) на тонкие плёнки титана. Показана возможность управления контрастом структур путём изменения числа последовательных воздействующих импульсов, а также показано существование оптимального режима лазерной термохимической записи контрастного элемента наименьшего размера при максимальной производительности.

8. Предложено решение проблемы чрезмерной сложности аналитического моделирования при оптимизации режимов  лазерной термохимической записи высокого разрешения на тонких пленках, основанное на теории подобия. Анализ показал, что все параметры процесса записи оказываются постоянными при сохранении значения безразмерного инвариантного параметра G, являющегося функцией плотности мощности и радиуса пучка, а также свойств материала плёнки и подложки. Таким образом,  экспериментальное исследование ЛТЗ с одним и тем же значением инвариантного параметра G обеспечивает физическое подобие моделируемого и моделирующего процессов. С помощью предложенного подхода проведено моделирование процесса лазерной записи элементов субмикронного размера  в эксперименте с размером облученной зоны в 100 раз больше, которое показало хорошее согласие с реальным экспериментом.

9. Изготовлен тестовый образец фазового дифракционного оптического элемента (ДОЭ) на пленке титана с помощью полностью «сухого» процесса без жидкостного травления. Площадь дифракционной структуры составила 20 кв.см. Вместо жидкостного проявления рисунка записанный на лазерной записывающей системе образец подвергался реактивному ионному травлению в смеси газов CF4 и O2 и затем отжигался в печи при температуре 800 градусов в течение 2 часов в воздушной атмосфере. Максимальная достигнутая дифракционная эффективность на пропускание при периоде структуры 1350 нм (соответствует апертуре F/1) составила 25% на длине волны 633 нм при общем пропускании структуры 80%.  Проектная норма шага дискретизации по радиальной координате составила 88 нм при периоде зон 1350 нм и расчетной ширине записываемой оксидной дорожки 500 нм.

10. Предложен новый метод для светоэффективной острой зеркальной фокусировки лазерных пучков, оптимально согласованный с преобразованием их поляризации в радиальную форму с помощью тонкопленочных структур. На базе указанного метода разработана архитектура двух вариантов сверхразрешающих и поляризационно-преобразующих оптических систем для субволновой фокусировки лазерного излучения, соответственно, в воздушной и иммерсионной средах, с возможностью контроля формы распределения поляризации в фокальной области, а также с возможностью практической реализации большого рабочего отрезка. Разработана специализированная прикладная программа для оптимизационного расчета тонких многослойных структур, обеспечивающих селективное выделение радиальной компоненты поляризации из круговой поляризации. На основе использования строгой векторной электромагнитной модели дифракции Дебая определено, что, для невидимой глазом ГУФ длины волны лазерного источника 266 нм, полная ширина пучка по половинному уровню интенсивности, оцениваемая для усредненной во времени плотности электрической энергии, составляет в фокальной плоскости предложенной иммерсионной системы, величину 70 нм, при фокальном распределении указанной плотности электрической энергии, описываемом, приближенно, квадратом функции Бесселя нулевого порядка.

11. Разработан новый вариант системы острой иммерсионной кольцевой фокусировки и тонкопленочной конвертации поляризации лазерного излучения из линейной формы в радиальную. Данная система применима для прямой лазерной записи по пленкам металлов через стеклянную подложку и основана на использовании прецизионного стеклянного сферического сегмента с нанесенным многослойным тонкопленочным покрытием на поверхности его выходной апертуры. Числовая апертура данной системы составляет NA = 1.41, расчетный размер сфокусированного лазерного пятна на видимой УФ длине волны 405 нм равен 103 нм (FWHM), а размер рабочего отрезка позволяет использовать подложки толщиной до 1 мм. Используемый в системе 35-слойный иммерсионный тонкопленочного конвертер был ахроматизирован в диапазоне от 365 до 445 нм, что обеспечивает на средней длине волны 405 нм работу в широком диапазоне углов фокусируемых лучей от 65 до 78,5 градусов, при отношении интенсивности полезной радиальной компоненты поляризации к паразитной азимутальной компоненте (коэффициенте экстинкции), составляющем в указанном диапазоне более 10000.

12. Проанализированы меры, способствующие повышению качества изготовления высокоапертурных компьютерно-синтезированных дифракционных эталонных объективов, используемых в системах интерферометрического контроля сферических и асферических волновых фронтов. А именно, были проанализированы факторы, вызывающие паразитные искажения интерферограмм, получаемых с помощью таких объективов, при генерации и обратном приеме сферических и асферических волновых фронтов. Установлено, что указанные искажения приводят к существенной модуляции и снижению контраста интерферограмм, что в свою очередь является причиной их зашумления и потери точности измерений при математической обработке. С целью обеспечения компенсации указанных искажений, предложен метод и алгоритм кодирования структуры дифракционных объективов, которые основаны на изменении локального коэффициента пропускания их структуры за счёт модуляции ширины штрихов в зависимости от локального периода этих штрихов и локальной поляризации лазерного пучка.

13. Экспериментально изготовлен с помощью прямой лазерной записи и реактивного ионного травления высокоапертурный дифракционный объектив с диафрагменным числом F/1 для рабочей длины волны 632,8 нм. Погрешности изготовления не превысили λ/10.

14. Для оперативного контроля размерных характеристик и оптических параметров синтезируемых микро- и наноструктур, был предложен дифракционный метод локального контроля пространственного распределения интенсивности в дифракционных порядках. Для регистрации дифракционной картины в диапазоне углов дифракции ± 80° с использованием всего одной видеокамеры, было проведено исследование оптоволоконного экрана, специально изготовленного из оптоволоконной шайбы. По результатам проведённого исследования был собран дифрактометрический стенд на базе оптического микроскопа, позволяющий осуществлять как визуальный контроль сформированных дифракционных решёток в отражённом свете, так и дифрактометрический, путём анализа зарегистрированной дифракционной картины в прошедшем свете.

Библиографический список основных публикаций по проекту за весь период выполнения проекта (2017-2019 гг.).

  • Насыров Р.К., Полещук А.Г. Изготовление и сертификация дифракционного корректора для контроля формы поверхности главного зеркала диаметром 6 м Большого телескопа азимутального РАН // Автометрия. 2017. Т. 53, № 5. С. 116−123. – DOI 15372/AUT20170511
  • Насыров Р.К., Полещук А.Г, Сокольский М.Н., Трегуб В.П. Интерферометрический метод контроля качества сборки оптической системы с эксцентрично расположенной асферической линзой // Автометрия. 2017. Т. 53, № 5. С. 124−130. – DOI 10.15372/AUT20170512
  • Седухин А.Г. Исследование энергетических характеристик предельно сфокусированных игольчатых пучков с продольной поляризацией // Автометрия. 2017. Т. 53, № 5. С. 106−115. – DOI 10.15372/AUT20170510
  • Вейко, В. П., Корольков, В. П., Полещук, А. Г., Синев, Д. А., Шахно, Е. А. Лазерные технологии в микрооптике. Ч. 1. Изготовление дифракционных оптических элементов и фотошаблонов с амплитудным пропусканием //Автометрия. – 2017. – Т. 53. – №. – С. 66-77. – DOI 10.15372/AUT20170507
  • Asfour J.-M., Weidner F., Bodendorf C., Bode A., Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Grupp F., Bender R. Diffractive optics for precision alignment of Euclid space telescope optics //Astronomical Optics: Design, Manufacture, and Test of Space and Ground Systems. – International Society for Optics and Photonics, 2017. – Vol. 10401. – Paper. 104010V. – DOI 10.1117/12.2274349
  • Sedukhin A.G., Poleshchuk A.G. Efficient tight focusing of laser beams optimally matched to their thin–film linear–to–radial polarization conversion: method, implementation, and field near focus // Optics communications. – 2018. – Vol. 407. – P. 217–226. – DOI 10.1016/j.optcom.2017.09.042.
  • Белоусов Д. А., Полещук А. Г., Хомутов В. Н. Устройство для регистрации дифракционной картины синтезированных голограмм в широком угловом диапазоне //Автометрия. – 2018. – Т. 54. – №. – С. 35–42. – DOI 10.15372/AUT20180204.
  • 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 // Proceedings of SPIE. – 2018. – Vol. 10823. – Paper 108230X. – DOI 10.1117/12.2501246.
  • Полещук А.Г., Корольков В.П., Вейко В.П., Заколдаев Р.А., Сергеев Е.А. Лазерные технологии в микрооптике: ч. 2. Изготовление элементов с трёхмерным микрорельефом // Автометрия. – 2018. – Т. 54, № 2. – С. 3–19. – DOI15372/AUT20180201.
  • Sedukhin A.G. Gamma and gamma–coupled beams // Applied optics. – 2018. – Vol. 57, is. 14. – P. 3653–3660. – DOI 10.1364/AO.57.003653.
  • Sedukhin A.G. Transport of energy through the focal region of a high–numerical–aperture system with efficient annular focusing of light beam and its optimum thin–film linear–to radial polarization conversion // Optics communications. – 2018. – Vol. 426. – P. 242–250. – DOI 10.1016/j.optcom.2018.04.078.
  • Sedukhin A.G., Nasyrov R.K., Korolkov V.P. Tolerances and alignment method for high–aperture hybrid diffractive/reflective objective // Proceedings of SPIE. – 2018. – Vol. 10815. – Paper 108151E. – DOI 10.1117/12.2501240.
  • Belousov D.A., Korolkov V.P., Khomutov V.N., Nasyrov R.K. Laser beam diffraction inspection of periodic metal/oxide structures with submicron period // Proceedings of SPIE: vol. 11030: Holography: Advances and Modern Trends VI. – 2019. – Paper. 110301C. – DOI 10.1117/12.2520960.
  • Veiko V.P., Zakoldaev R.A., Shakhno E.A., Sinev D.A., Nguen Z.K., Baranov A.V., Bogdanov K.V., Gedvilas M., Raciukaitis G., Vishnevskaya L.V., Degtyareva E.N. Thermochemical writing with high spatial resolution on Ti films utilising picosecond laser // Optical materials express. – 2019. – Vol. 9, is. 6. – P. 2729–2737. – DOI 10.1364/OME.9.002729.
  • Veiko V.P., Nguen Q.D., Shakhno E.A., Sinev D.A., Lebedeva E.V. Physical similarity of the processes of laser thermochemical recording on thin metal films and modeling the recording of submicron structures // Optical and quantum electronics. – 2019. – Vol. 51, is. 11. – Paper. 348. – DOI 10.1007/s11082–019–2073–8.
  • Korolkov V.P., Nasyrov R.K., Sametov A.R., Malyshev A.I., Belousov D.A., Mikerin S.L., Kutz R.I. Direct laser writing of high–NA computer–generated holograms on metal films of the titanium group and chromium // Proceedings of SPIE: vol. 11188: Holography, Diffractive Optics and Applications IX. – 2019. – Paper. 111880R. – DOI 10.1117/12.2537269.
  • 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.
  • 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. – Paper. 389. – DOI 10.1007/s11082–019–2111–6.
  • Korolkov V.P., Shimansky R.V., Khomutov V.N., Sedukhin A.G., Nasyrov R.K., Kiryanov V. P., Kiryanov A. V., Zavyalova M.A. Prospects for creating a laser nanolithography system for tasks of diffractive optics and nanophotonics // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1368. – P. 022017. – DOI 10.1088/1742–6596/1368/2/022017.
  • Shakhno E. A., Nguyen K. Z. Study of the resolution of direct recording of submicron structures on titanium films using millisecond laser pulses //Journal of Optical Technology. – 2019. – Vol. 86. – №. 4. – P. 251-254. . – DOI 10.1364/JOT.86.000251
  • Belousov D.A., Terent`ev V.S., Spesivtsev E.V., Korolkov V.P. Spectral data of refractive index and extinction coefficient for thin films of titanium group metals used for fabrication of optical microstructures // Data in Brief. – 2020. – Vol. 28. – Paper. 104903. – DOI 10.1016/j.dib.2019.104903.

 

Проект РНФ № 17-19-01721-П

(2020–2021 гг.)

Развитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

Целью настоящего проекта являются разработка методов и оборудования для лазерной безрезистной записи компьютерно-синтезированных наноструктур для задач нанофотоники и дифракционной оптики на тонких металлических пленках путем сканирования остросфокусированного лазерного пучка с длиной волны в УФ диапазоне.

Руководитель Проекта:

Корольков Виктор Павлович

Исполнители проекта:

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

В ходе выполнения работ по проекту были получены следующие основные результаты:

1. Исследован эффект прямой лазерной импульсной записи дифракционных наноструктур с управляемым периодом на пленках циркония толщиной ~100нм, нанесенных на подложку из плавленого кварца. Изучен эффект аномального поведения фазы света, отражающегося от наноструктурированных окисленных лазерным излучением пленок циркония. Сдвиг фазы относительно света, отраженного от поверхности металлического циркония, достигает величин, эквивалентных отражению от рельефа глубиной до нескольких сотен нанометров, при этом фактическая высота рельефа не превышает 10-15 нм. Были исследованы диапазоны технологических параметров, в которых реализуется контурный механизм записи нанорешеток. Доказана возможность использования эффективного увеличения фазовой высоты структур для изготовления отражающих бинарных фазовых ДОЭ с дифракционной эффективностью порядка 30%. Апробирован метод подстройки интегральной дифракционной эффективности такого элемента с помощью реактивного ионного травления.

2. Создана экспериментальная база для получения двухслойных металлических сред на оптических подложках. Предложена технология формирования фазового рельефа на основе лазерной записи на двухслойной среде Cr/Ti и проведено численное моделирование оптических свойств бинарных дифракционных структур с выступами из двухслойного материала TiO2/SiO2. Для прогнозирования возможных материалов-кандидатов на использование в двухслойных средах и для их сравнительного анализа с однослойными средами проведено моделирование импульсной лазерной записи по интерференционной схеме на пленках, оксиды которых оптически также прозрачны (как и TiO2), таких как цирконий (Zr), гафний (Hf), ванадий (V), ниобий (Nb) и тантал (Ta). Наиболее эффективной среди исследованных материалов представляется запись на пленке Ti: минимальная расчетная FWHM составляет 75 нм при воздействии 3000 импульсов (для сравнения: FWHM = 430 нм после 1500 импульсов на пленках Nb, FWHM = 360 нм. после 3500 импульсов для Ta и FWHM = 200 нм после воздействия 2300 импульсов для V). Пленки Hf и Zr демонстрируют только монотонное расширение медленно развивающегося термохимического изображения, что, по-видимому, указывает на необходимость выбора иных энергетических режимов (возможно, с большей длительностью импульсов). Это подтверждается экспериментами на пленках Zr по лазерной записи импульсами длительностью 2 мкс. Оценки также показывают, что запись на пленках Ti имеет оптимальные характеристики с точки зрения возможности записи высококонтрастных элементов наименьшей ширины.

3. Для лазерного нанолитографа, работающего в прямоугольной системе координат, реализован новый метод in-situ оперативной оценки формы и размеров функций рассеяния точки (ФРТ), формируемой испытываемой острофокусирующей оптической системой. Метод основан на одновременной двухканальной регистрации изображений двух наложенных оптических объектов –мелкоструктурной одномерной решетки Ронки, записанной с помощью лазерного нанолитографа по термохимической технологии на несъемной во время оценки подложке с хромовой пленкой, играющей роль оптической шкалы и работающей на пропускание подсвечивающего ее некогерентного пучка света, и самой ФРТ, регистрируемой в режиме отражения когерентного пучка света от поверхности одного из штрихов решетки Ронки. Для устранения хроматических аберраций оптики, подсветку решетки Ронки и регистрацию ФРТ осуществляют на одной и той же длине волны. Использованный метод позволяет оперативно регистрировать на подготовительном этапе процесса лазерной записи размеры и субволновую структуру ФРТ, не снимая подложку с записанной решеткой Ронки, что, в свою очередь, делает возможным проведение более точной юстировки оптики и достижение максимальной разрешающей способности при записи структур с помощью нанолитографа.

4. Проведён анализ влияния поляризационных эффектов на качество интерферограмм, получаемых с помощью высокоапертурных дифракционных объективов в процессе формирования эталонных волновых фронтов в интерферометрии. Экспериментально показана возможность изготовления высокоапертурных фазовых дифракционных объективов, генерирующих сферический волновой фронт, с использованием прямой лазерной записи на пленках хрома с последующим реактивным ионным травлением. Компьютерное моделирование, проведенное в рамках строгой теории, показало, что существуют физические ограничения на работу дифракционной оптики с малым периодом, даже с идеальным профилем. В режиме пропускания в диапазоне периодов структуры 1.4λ – 2λ наблюдаются колебания дифракционной эффективности, что затрудняет создание дифракционных объективов с диафрагменным числом выше f / 1 на оптимальной глубине микроструктуры. В режиме отражения есть несколько резких минимумов и максимумов, которые образуют яркие и темные кольца. Такие кольца хорошо видны на интерферограммах. Показано, что при изготовлении высокоапертурного бинарного фазового объектива для прецизионного интерферометрического контроля необходимо регулировать скважность в зависимости от локального периода дифракционной структуры, чтобы получить равномерный контраст интерферограммы. Предложены методы реализации угло-зависимого управления скважностью записываемых дифракционных структур на круговых лазерных системах.

5. Разработана аналитическая модель для прогнозирования прозрачности облученных областей на тонких пленках титана при изменении параметров лазерной термохимической обработки. Модель позволяет контролировать оптические свойства записываемых субмикронных областей, осуществляя предварительную настройку параметров лазерного воздействия. Определены значения основных параметров (плотности энергии излучения, предпочтительной исходной толщины пленки и длины волны лазерного излучения), необходимые для получения широкого диапазона уровней прозрачности. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями и могут быть использованы для оптимизации процесса записи путем предварительного планирования требуемых уровней прозрачности и параметров лазерного воздействия в технологиях полутоновой записи.

6. Субмикронные периодические структуры для целей производства дифракционных элементов были сформированы методом прямой лазерной интерференционной записи на пленках титана (Ti) в окислительном режиме. В зависимости от количества лазерных импульсов наблюдалась запись высококонтрастных структур с выявлением максимально достижимой толщины оксидного слоя. Исследование методами оптической микроскопии и профилометрии показало высокий коэффициент пропускания сформированных оксидных слоев, т.е. контраст записанных структур достигал до 90% в видимом диапазоне. Для анализа полученных экспериментальных результатов разработана теоретическая модель, основанная на исследовании динамики окисления с использованием закона Вагнера с учётом оптических свойств системы оксид-металл-стекло, нелинейно изменяющихся после каждого импульса. Результаты экспериментов показали хорошее согласие с модельными оценками. Разработанная модель позволила выбрать подходящие временно-энергетические режимы и спрогнозировать оптические характеристики формируемых структур с точностью до 10%, что позволяет осуществить внедрение результатов в технологии производства оптических преобразователей пучков.

7. Функциональная обработка тонких пленок титана путем регистрации окислительных лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС) была продемонстрирована при использовании коммерчески доступного наносекундного импульсного Yb-волоконного лазера. Выявлены температурные и энергетические режимы, способствующие их образованию, период ЛИППС оказался около 0,7 λ, а глубина модуляции варьировалась от 70 до 110 нм с высокой стабильностью и воспроизводимостью. Показано, что ориентация расположения ЛИППС в исследованных режимах довольно легко управляема, что может обеспечить управление поверхностными функциональными свойствами плёнок, включая создание оптических элементов на их основе.

8. Проведено сравнительное исследование прямой лазерной записи на пленках переходных металлов титановой группы, а также на пленках Ta и V. Наноструктурирование оксидированной области наблюдается на цирконии, напыляемом безмасляным методом. При этом проявление контурной записи наблюдается на всех металлах титановой группы, но убывает от циркония к титану. Запись на тантале и ванадии наблюдалась при плотности мощности в 5 раз выше, чем для металлов титановой группы. Однако, на тантале были обнаружены лазерно-индуцированные структуры размером менее 200 нм, что говорит о возможности увеличения пространственного разрешения за счет высокого энергетического порога записи.

9. Исследована лазерная запись на пленках циркония разной толщины (60-120 нм). Показано, что максимальный диапазон изменения эквивалентной фазовой высоты наноструктурированных равномерных областей увеличивается при уменьшении толщины пленки. Так, при толщине 70 нм фазовая высота может изменяться в пределах 240 нм. Этого достаточно для получения разности фаз в ¼ длины волны для формирования отражающих бинарных фазовых структур. При более тонких пленках равномерность структур, записанных в режиме термохимии, исчезает вследствие плавления пленки. Для построения гипотезы о морфологических особенностях наноструктуры и о механизме ее формирования был исследован поперечный разрез наноструктурированной области. Были произведены записи на пленке циркония, напыленной на поверхностно окисленной кремниевой подложке. В процессе сканирования лазерным пучком происходит пошаговое нагревание пленки, окисление, объемное расширение. Кроме того, при достаточной мощности происходит модификация материала подложки и смешивание с материалом пленки. Эти процессы, согласно СЭМ-анализу, приводят к локальному образованию наноразмерных полостей под окисленной пленкой вблизи границы лазерного пятна. Таким образом, при непрерывном сканировании образуются периодические нанорешетки с периодом, равным шагу записи. Каждый период состоит из продольной полости вдоль трека лазерного пятна. Поперечный размер полости составляет ~70-80 нм. Экспериментально показано, что при непрерывном сканировании сфокусированным лазерным излучением пленок циркония проявление периодических нанорешеток усиливается с увеличением количества треков. Минимальное количество треков при котором устойчиво проявляются наноструктуры равно 4. Это приводит к размытому краю дифракционных структур со стороны начала сканирования. Данное поведение приводит к несимметричному оконтуриванию записанных наноструктурированных областей, частично напоминающее проявление эффекта «первого трека», наблюдавшееся ранее на материалах с изменяемым коэффициентом пропускания. Предложен метод устранения эффекта размытого края при записи наноструктурированных участков на пленке Zr, основанный на изменении условий записи первых треков. Был проведен поэтапный поиск оптимальной мощности записи раздельно для первых двух треков и для записи протяженных наноструктурированных областей. Экспериментально показано, что при увеличении мощности первых двух треков на ~25% по сравнению с мощностью для протяженной области удается избежать эффекта оконтурирования типа размытого края.

10. Проведено теоретическое исследование влияния различных параметров на характеристики термохимической записи с последующей экспериментальной верификацией. Разработана расчетная модель, включающая итерационные расчеты нагревания, окисления и изменения оптических характеристик пленки в облучаемой области последовательно от импульса к импульсу. Расчетные результаты количественно и качественно совпадают с результатами экспериментальных исследований. Определена область рабочих режимов термохимических изменений, исследовано влияние стабильности энергии импульсов, толщины пленки, длины волны излучения, материала пленки, количества воздействующих импульсов на ширину получаемых элементов и контраст изображения. Выявлены основные закономерности и методы, которые могут быть использованы для повышения точности, контраста и разрешения оксидных структур. Оптимальный выбор плотности энергии внутри диапазона рабочих значений позволяет снижать число импульсов, требуемое для контрастной записи, более чем на два порядка. Приведены результаты теоретического исследования возможности записи термохимических структур высокого контраста и разрешения на пленках различных материалов при адекватном выборе количества импульсов.

11. Проведено теоретическое исследование лазерной термохимической записи на двухслойных пленках. Модельное описание процессов нагревания системы и окисления проведено путем совместного анализа и решения уравнений теплопроводности для двухслойной пленки и уравнения кинетики окисления. Показано, что применение двухслойной системы обосновано в случаях: (а) получения поверхностных оксидов, при толщине образующегося оксидного слоя порядка 2-3 нм с последующим травлением пленки; (б) сквозного (на всю толщину) окисления пленки серией микросекундных импульсов или многократным сканированием одного трека. Использование двуслойной структуры пленки позволяет уменьшить размер элемента при термохимической записи и повысить разрешение при высоком контрасте и высокой производительности (меньших энергиях).

12. Экспериментально и теоретически показано действие эффекта близости при термохимической записи на тонкой металлической пленке, заключающееся в уменьшении размера элемента, записываемого на малом расстоянии от ранее записанных элементов, на примере последовательной записи на тонкой титановой пленке. Разработана теоретическая модель, которая показала, что уменьшение ширины 2-го и 3-го записанных треков относительно ширины 1-го трека связано с локализацией излучения вследствие уменьшения количества поглощенной энергии на периферии гауссова распределения в области ранее записанных треков. Рассчитаны зависимости относительного изменения записываемых элементов от расстояния между ними. Показана возможность управления размерами элемента в диапазоне 20–100 % от оригинального размера при термохимической записи на тонкой пленке элемента, за счет расположения его на малом расстоянии от ранее записанного элемента/ ранее записанных элементов.

13. Усовершенствована полностью «сухая» технология прямой лазерной записи ДОЭ с бинарно-фазовым микрорельефом. Предложено использовать тонкий слой кремния на титановой пленке, препятствующий естественному поглощению титаном кислорода из атмосферы и снижающий коэффициент отражения титановой пленки. При описанном методе проявление «скрытого» изображения, сформированного при локальной лазерной обработке тонких пленок Ti и Si/Ti, осуществляется с использованием реактивного ионного травления титана и последующего термического отжига в воздухе, что позволяет отказаться от операции жидкостного травления, снижающего выход годных элементов. Исследована лазерная запись дифракционных структур на двуслойной пленке Si(~5 нм)/Ti(~100 nm). При травлении структур, записанных на титане со слоем кремния сверху, микрорельеф имел высоту до 35 нм. Был отработан этап окисления титана в воздушной атмосфере, после которого был получен оксидный рельеф высотой ~50 нм. Исходя из того, что при дальнейшем RIE в плазме CF4+O2 скорость травления TiO2 выше, чем скорость травления плавленого кварца более чем в 7 раз, максимальная высота фазового рельефа может быть не более 350 нм. ДОЭ с такой глубиной фазового микрорельефа могут быть использованы для длин волн ближнего и дальнего УФ диапазона. Предложено использовать двуслойные пленки Si/Ti для одноэтапного формирования амплитудных отражающих элементов. На основе теоретической оптимизации толщины слоя Si был сделан вывод о возможности достижения высокого контраста отражения (более 13 раз) амплитудной дифракционной структуры. Такой контраст сравним со стандартными на сегодняшний день технологиями создания амплитудных ДОЭ, формируемых на пленках титана с помощью жидкостного травления.

14. Разработан, теоретически и экспериментально исследован новый метод формирования дифракционных сенсорных элементов (ДСЭ) для регистрации погрешностей записи компьютерно-синтезируемых голограмм (КСГ). ДСЭ представляют собой специализированные микрорешётки встраиваемые в поле КСГ в процессе их изготовления на сканирующих лазерных записывающих системах. ДСЭ состоят из двух частей: одна из которых формируется до записи КСГ в поле будущей голограммы, а вторая формируется с небольшим заданным сдвигом на том же месте во время долговременной записи КСГ. Отклонение от заданной величины сдвига является «следом» ошибок записи и его измерение по дифракционной картине позволяет определить и вычислить погрешность изготовления КСГ по обеим ортогональным координатам. Было исследовано два топологических типа ДСЭ (1D и 2D). Экспериментально подтвержденная чувствительность измерения погрешностей изготовления КСГ с использованием 1D и 2D ДСЭ составляет до 5 нм, что позволяет гарантировать точность волнового фронта дифракционных оптических элементов не менее Lambda/20. Предложенный метод позволяет автоматизировать процесс регистрации погрешностей изготовленных КСГ и проводить их проверку в любое время после изготовления КСГ.

15. С целью дополнительного улучшения энергетики и качества пучков на входе высокоапертурных объективов для лазерной записи, предложен и исследован новый вид гибридных оптических систем, объединяющих в себе светоэффективный конвертер поляризации лазерного пучка из линейной формы в радиальную и преобразователь формы пучка из однородной дисковой в кольцевую, с возможностью контролируемого изменения размеров кольца. Данные системы основаны, преимущественно, на использовании пары положительных рефракционных аксиконов и конически освещаемых антиотражающих фазосдвигающих тонкопленочных покрытий, наносимых на боковые рабочие поверхности аксиконов и обеспечивающих суммарную оптическую задержку между радиально- и азимутально-поляризованными компонентами лазерного пучка (с круговой поляризацией при прохождении пучка двух аксиконов), равную четверть длины световой волны. Энергетическая эффективность преобразования интенсивности и поляризации лазерного пучка в такой системе приближается к 100 %. Помимо реализации радиальной поляризации выходного лазерного пучка, предложенная система может быть использована для получения пучка с азимутальной либо смешанной (азимутально-радиальной) формой поляризации и кольцевой формой распределения интенсивности. Последние пучки могут быть кратко охарактеризованы как кольцевые цилиндрические векторные пучки. Они могут быть применены, в частности, для формообразования остросфокусированных пучков в окрестности их фокуса, с получением П-образной аксиальной интенсивности. Особенно перспективным представляется использование предложенных систем при работе на коротких длинах волн ультрафиолетового и глубокого ультрафиолетового диапазонов длин волн. Как показало проведенное численное моделирование для рабочей длины волны 266 нм, допустимый относительный спектральный диапазон длин волн тонкопленочных конвертеров поляризации может достигать +-1,5%. Вариации фазовой задержки, вносимой тонкопленочными покрытиями между ортогональными поляризациями в указанном диапазоне длин волн, ограничены величиной +-4 градуса относительно 90 или 270 градусов. Предложенные конвертеры поляризации не требует использования фильтра пространственных частот, существенно снижающего энергетическую эффективность. Одновременно, предложенные конвертеры способны обеспечить более высокую поляризационную «чистоту» преобразования.

16. Показано, что с помощью лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур, записанных в окислительных режимах формирования на тонких плёнках титана (термохимические ЛИППС), возможно придавать поверхностям структурные цвета в декоративных и функциональных целях. Продемонстрирована возможность создания прототипов декоративных элементов и функциональных защитных знаков с дифракционным блеском. Методом лазерной интерференционной записи периодических структур на плёнках титана под воздействием фемтосекундных импульсов сформирован прототип дифракционной решетки с периодом 1,5 мкм.

Библиографический список основных публикаций по проекту за весь период выполнения проекта (2020-2021 гг.).

1) Белоусов Д. А., Корольков В. П., Насыров Р. К., Седухин А. Г., Хомутов В. Н., Шиманский Р. В., Куц Р. И., Малышев А. И. «Сухой» метод изготовления компьютерно-синтезированных голограмм на основе прямой лазерной записи на пленках титана //HOLOEXPO 2020. – 2020. – С. 198-204.

2) Belousov D. A., Korolkov V. P., Shimansky R. V., Khomutov V. N., Kuts R. I. Determination of linewidth for metal/oxide gratings by measured diffraction efficiency in several orders //Holography, Diffractive Optics, and Applications X. – International Society for Optics and Photonics. –  2020. – Vol. 11551. – P. 115511N. – DOI: 10.1117/12.2574002

3) Корольков В. П., Куц Р. И., Малышев А. И., Маточкин А. Е., Белоусов Д. А. Формирование дифракционных структур на пленках циркония с помощью лазерной записи и реактивного ионного травления //Материалы девятого Международного семинара по волоконным лазерам. – 2020. – С. 170-171. – DOI: 10.31868/RFL2020.170-171

4) Korolkov V. P., Kuts R. I., Malyshev A. I., Matochkin A. E., Shimansky R. V. Dry method for the formation of reflective phase DOEs using direct laser writing on thin Zr films //Holography, Diffractive Optics, and Applications X. – SPIE. – 2020. – Vol. 11551. – P. 115511O. – DOI: 10.1117/12.2574196

5) Korolkov V. P., Nasyrov R. K., Sedukhin A. G., Belousov D. A., Kutz R. I. Polarization effects in interferometric testing with f/1 diffractive transmission sphere //Holography, Diffractive Optics, and Applications X. – International Society for Optics and Photonics. – 2020. – Vol. 11551. – P. 115511I. – DOI: 10.1117/12.2573608

6) Куц Р. И., Корольков В. П., Шиманский Р. В., Хомутов В. Н.,  Малышев А. И. Влияние материала подложки на термохимическую лазерную запись дифракционных структур на пленках циркония //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2020. – Т. 8. – №. 1. – С. 153-159. – DOI: 10.33764/2618-981X-2020-8-1-153-159

7) Южакова Д. С., Синев Д. А. Лазерно-индуцированное формирование липпс на тонких металлических пленках в окислительном режиме //Фундаментальные проблемы оптики-2020. – 2020. – С. 148-149.

8) Sinev D. A., Yuzhakova D. S., Moskvin M. K., Veiko V. P. Formation of the submicron oxidative LIPSS on thin titanium films during nanosecond laser recording //Nanomaterials. – 2020. – Vol. 10. – №. 11. – P. 2161. – DOI: 10.3390/nano10112161

9) Korolkov V. P., Kuts R. I., Malyshev A. I., Belousov D. A., Matochkin A. E. Usage of dry processes for the formation of diffractive structures on Ti and Ti/Si films //Optical Fabrication, Testing, and Metrology VII. – SPIE. – 2021. – Vol. 11873. – P. 1187307. – DOI: 10.1117/12.2597162

10) Корольков В. П., Куц Р. И., Саметов А. Р., Черкашин В. В., Голубцов С. К., Малышев А. И. Прямая лазерная запись отражающих полутоновых микроизображений на тонких пленках хрома //HOLOEXPO 2021. – 2021. – С. 48-52.

11) Korolkov V. P., Nasyrov R. K., Sedukhin A. G., Belousov D. A., Kuts R. I. Sectorized variable duty cycle f/1 diffractive transmission sphere for compensation of negative diffractive effects //Optical Design and Testing XI. – SPIE. – 2021. – Vol. 11895. – pp. 118951D. – DOI: 10.1117/12.2604810

12) Куц Р. И., Корольков В. П., Саметов А. Р., Малышев А. И. Исследование формирования лазерно-индуцированный периодических наноструктур при прямой лазерной записи ДОЭ на тонких плёнках циркония //Материалы 11-й Молодежной конкурс-конференции «Оптические и информационные технологии 2021». – 2021. – С. 17-18.

13) Куц Р. И., Корольков В. П., Хомутов В. Н., Малышев А. И., Микерин С. Л. Исследование пленок переходных металлов как материалов для лазерного наноструктурирования //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2021. – Т. 8. – С. 241-247. – DOI: 10.33764/2618-981X-2021-8-241-247

14) Матвиенко Е. В., Синев Д. А. Исследование процесса создания периодических структур, полученных методом лазерной интерференционной термохимической записи //Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых [электронный ресурс] – 2021.

15) Нгуен К. Д., Синев Д. А., Шахно Е. А. Моделирование «эффекта близости» при лазерной термохимической записи на тонких металлических пленках //Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых [электронный ресурс] – 2021.

16) Nguyen Q. D., Shakhno E. A., Sinev D. A., Zakoldaev R. A., Veiko V. P. Forming microstructures of certain transparency on thin titanium films by laser thermochemical method //Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2021. – Vol. 1822. – №. 1. – P. 012006. – DOI: 10.1088/1742-6596/1822/1/012006

17) Sedukhin A. G. Efficient generation of annular cylindrical vector beams by refractive axicons with high-transmission thin-film retarders //Optics Communications. – 2021. – Vol. 499. – P. 127293. – DOI: 10.1016/j.optcom.2021.127293

18) Shakhno E. A., Nguyen Q. D., Sinev D. A., Matvienko E. V., Zakoldaev R. A., Veiko V. P. Laser Thermochemical High-Contrast Recording on Thin Metal Films //Nanomaterials. – 2021. – Vol. 11. – №. 1. – P. 67. – DOI: 10.3390/nano11010067

19) 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. – P. 6635. – DOI: 10.3390/s21196635

20) 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. – P. 11871I. – DOI: 10.1117/12.2597134

21) Шиманский Р. В., Костяничников А. Ю., Куц Р. И., Белоусов Д. А., Корольков В. П. Применение оптической дифрактометрии для контроля погрешности изготовления прецизионных оптических элементов // Сборник материалов национальной научной конференции с международным участием «СибОптика -2021. Актуальные вопросы высокотехнологичных отраслей». – 2021. – Т. 8. – С. 223-228. – DOI: 10.33764/2618-981X-2021-8-223-228

22) Южакова Д. С., Москвин М. К., Авилова Е. А., Синев Д. А., Одинцова Г. В. Формирование лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур импульсами наносекундной длительности //Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых [электронный ресурс] – 2021.