Развитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-19-01721

НазваниеРазвитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

Руководитель Корольков Виктор Павлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова компьютерно-синтезированные дифракционные наноструктуры, термохимическая лазерная технология, пленки металлов, нанотехнология, прямая лазерная запись

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные тенденции дальнейшего повышения точности формирования и сокращения минимальных размеров структуры дифракционных и растровых оптических элементов фотоники, а также повышения общего размера этих элементов вызывают существенные сложности при изготовлении. В настоящее время ставятся важные задачи обеспечения абсолютной точности и разрешения от сотен до десятков нанометров и менее на площади до сотен квадратных сантиметров. Одним из путей решения таких задач является применение уже существующих и разрабатываемых перспективных технологий, предназначенных для производства изделий микро- и наноэлектроники и базирующихся на электронно-лучевых генераторах изображений и высокоразрешающих оптических литографах дальнего ультрафиолетового диапазона. Однако, все они основаны на многостадийных процессах нанесения и травления относительно толстых (до сотен нанометров) светочувствительных органических резистов, а также «сшивки» небольших фрагментов (порядка 1 кв. мм) записываемой структуры, приводящей к существенному снижению абсолютной точности формирования границ топологии. Проведенные авторами исследования показали, что лазерно-индуцированное формирование тонких слоев оксидов на поверхности металлов может существенным образом менять оптические и химические (скорость травления) свойства поверхности. На основе этих исследований разработана безрезистивная термохимическая технология лазерно-индуцированного локального окисления тонких пленок хрома с последующим селективным травлением микрорисунка. Применительно к видимому диапазону длин волн, сейчас таким путем успешно изготавливаются синтезированные голограммы с минимальными воспроизводимыми размерами зон 0.5 мкм и общим и размерами до 200-300 мм, – в частности, для контроля точности изготовления уникальных асферических зеркал больших телескопов. Однако, в настоящее время, существует также ряд направлений фотоники, где указанные минимальные размеры структуры недостаточно малы. Одно из них – это субволновая дифракционная оптика. Это крайне перспективное направление требует создания микро- и наноструктур с типичным размером менее половины длины волны света. Таким образом, в настоящее время актуальным является поиск новых путей формирования наноструктурированых элементов фотоники, имеющих минимальные размеры зон порядка 100 нм и выполненных на подложках диаметром до 200 мм и более. Исследования проблем лазерного микроструктурирования тонких пленок различных металлов представляет острый интерес ввиду возможности записи изображений с высокой точностью и разрешающей способностью (выше оптической). Особое внимание планируется уделить в проекте изучению лазерного окисления тонких пленок металлов, образующих химически устойчивые окислы при пороговой зависимости скорости роста от мощности пучка. Ожидается, что исследования особенностей лазерного формирования оксидных пленок на различных металлах и сплавах, с учетом возникающих в процессе воздействия опто-термо-химических обратных связей, позволят повысить пространственное разрешение, оптимизировать существующие и разработать новые лазерные технологии формирования дифракционных оптических элементов, полосовых резонансных фильтров и других планарных элементов. Фундаментальная задача, на решение которой направлен проект – это разработка физических основ, а также новых оптических подходов и термохимических методов безрезистивной сверхразрешаюшей технологии лазерной нанолитографии на базе исследований по формированию наноструктур на тонких пленках металлов, при записи через подложку (стекло), через иммерсионную, воздушную или комбинированную среду (например, стекло-иммерсия). Предполагается оптимизировать пространственный спектр, поляризацию, мощность и вид импульсной модуляции лазерного пучка на основе теплофизической и термохимической моделей записи и нелинейной температурной динамики окисления пленок. Экспериментальную часть этих исследований планируется провести с применением оптических систем фокусировки с модифицированными стандартными или специально разработанными супер-разрешающими сухими и иммерсионными объективами, а также с использованием как стандартных тонких стеклянных подложек, так и толстых стеклянных (кварцевых) подложек с комбинированными тонкопленочными оптическими покрытиями. В качестве базы для экспериментов планируется использовать реконструируемый прецизионный лазерный нанолитограф (ЛНЛ) со специально разрабатываемыми новыми узлами УФ-ДУФ лазеров с блоком модуляции, системой автофокусировки, способной перемещать тяжелые экспериментальные образцы объективов, а также блоком преобразования поляризации записывающего пучка. Непрерывное сканирование лазерного пучка осуществляется в полярной системе координат путем вращения подложки при пошаговом перемещения одиночного либо мультиплицированного (в тангенциальном либо радиальном направлениях) сфокусированного лазерного пучка. В соответствии с поставленной целью, участники проекта ставят задачу исследования и выявления новых сверхразрешающих режимов записи наноструктурированных элементов фотоники и обеспечения возможности, таким образом, высокопроизводительной, прецизионной лазерной обработки тонких металлических пленок (помимо хрома будут исследованы молибден, титан и другие с пороговым характером кинетики термохимического окисления) с минимальным размером формируемых зон записываемой структуры порядка 100 нм при общих размерах структуры до 100-200 мм и абсолютной точности позиционирования отдельных зон по всей записываемой структуре не хуже 10 нм. Указанные исследования лежат в русле «Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ» (раздел «Индустрия наносистем и материалов»). Решение поставленных задач позволит поднять на новый уровень решение проблемных задач создания эталонных дифракционных элементов для проверки качества действующих и перспективных моделей больших и сверх-больших телескопов, рентгеновской оптики (телескопы и микроскопы), астрономической оптики космического базирования, оптики синхротронного излучения, оптики нанолитографических установок дальнего УФ, лазерной оптики УФ и рентгеновского диапазона, медицинских технологий исправления дефектов зрения и др.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Полещук А.Г., Корольков В.П., Вейко В.П., Заколдаев Р.А., Сергеев М.М. Laser Technologies in Micro-Optics. Part 2. Fabrication of Elements with a Three-Dimensional Profile Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, Vol. 54, No. 2, pp. 113—126 (год публикации - 2018)
10.3103/S8756699018020012

2. Седухин А.Г. 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, Vol. 426, pp. 242—250. (год публикации - 2018)
10.1016/j.optcom.2018.04.078

3. Седухин А.Г. Gamma and gamma-coupled beams Applied Optics, Vol. 57, No. 14, pp. 3653 — 3660 (год публикации - 2018)
10.1364/AO.57.003653

4. Белоусов Д.А., Полещук А.Г., Хомутов В.Н. Device for Characterization of the Diffraction Pattern of Computer-Generated Holograms in a Wide Angular Range Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, Vol. 54, No. 2, pp. 139—145 (год публикации - 2018)
10.3103/S8756699018020048

5. Корольков В.П., Микерин С.Л., Окотруб К.А., Саметов А.Р., Малышев А.И. High-resolution laser fabrication of amplitude diffractive structures on thin metal films Proceedings of SPIE, Vol. 10823, pp. 108230X-1—108230X-11 (год публикации - 2018)
10.1117/12.2501246

6. Седухин А.Г., Насыров Р.К., Корольков В.П. Tolerances and alignment method for a high-aperture hybrid diffractive-reflective objective Proceedings of SPIE, Vol. 10815, pp. 108151E-1—108151E-8 (год публикации - 2018)
10.1117/12.2501240

7. Корольков В.П., Белоусов Д.А., Достовалов А.В., Микерин С.Л., Хомутов В.Н. Методы характеризации метал/оксидных решеток, формируемых методами прямой лазерной записи HOLOEXPO 2018 : XV международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов, С. 191—196 (год публикации - 2018)

8. Полещук А.Г., Корольков В.П., Седухин А.Г., Вейко В.П., Кутанов А.А. Современные методы повышения разрешения термохимической лазерной записи дифракционных структур HOLOEXPO 2018 : XV международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов, С. 39—42 (год публикации - 2018)

9. Полещук А.Г., Качкин А.Е., Корольков В.П., Шиманский Р.В., Хомутов В.Н., Седухин А.Г. Разработка сканирующего лазерного нанолитографа для исследований по сверхразрешающей записи дифракционных наноструктур Интерэкспо ГЕО-Сибирь. Международная научная конференция «СибОптика-2018» : сборник материалов в 2 т., Т. 2, С. 3—8 (год публикации - 2018)

10. Насыров Р.К., Седухин А.Г. Исследование устойчивости к разъюстировке сверхразрешающего зеркально-дифракционного объектива Интерэкспо ГЕО-Сибирь. Международная научная конференция «СибОптика-2018» : сборник материалов в 2 т., Т. 1, С. 134—137 (год публикации - 2018)

11. Седухин А.Г. Организация двухволнового режима работы высокоапертурного зеркально-дифракционного объектива Интерэкспо ГЕО-Сибирь. Международная научная конференция «СибОптика-2018» : сборник материалов в 2 т., Т. 1, С. 138—143 (год публикации - 2018)

12. Хомутов В.Н., Шиманский Р.В. Коррекция ошибки угловой координаты круговых записывающих лазерных систем при изготовление дифракционных структур с произвольной топологией Сборник трудов IV международной конференции и молодежной школы «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ-2018), С. 162—167 (год публикации - 2018)

13. Шахно Е.А., Нгуен К.З. Study of the resolution of direct recording of submicron structures on titanium films using millisecond laser pulses Journal of Optical Technology, Vol. 86, No. 4, pp. 251—254 (год публикации - 2019)
10.1364/JOT.86.000251

14. Вейко В.П., Заколдаев Р.А., Шахно Е.А., Синев Д.А., Нгуен З.К., Баранов А.В., Богданов К.В., Гедвилас М., Рачикайтис Г., Вишневская Л.В., Дегтярева Е.Н. Thermochemical writing with high spatial resolution on Ti films utilising picosecond laser Optical Materials Express, Vol. 9, No. 6, pp. 2729—2737 (год публикации - 2019)
10.1364/OME.9.002729

15. Вейко В.П., Нгуен К.Д., Шахно Е.А., Синев Д.А., Лебедева Е.В. Physical similarity of the processes of laser thermochemical recording on thin metal films and modeling the recording of submicron structures Optical and Quantum Electronics, Vol. 51, No. 11, pp. 348-1—348-10 (год публикации - 2019)
10.1007/s11082-019-2073-8

16. Корольков В.П., Шиманский Р.В., Хомутов В.Н., Седухин А.Г., Насыров Р.К., Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Завьялова М.А. Prospects for creating a laser nanolithography system for tasks of diffractive optics and nanophotonics Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1368, № 022017 pp. 022017-1— 022017-10 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1368/2/022017

17. Корольков В.П., Седухин А.Г., Белоусов Д.А., Шиманский Р.В., Хомутов В.Н., Микерин С.Л., Спесивцев Е.В., Куц Р.И. Increasing the spatial resolution of direct laser writing of diffractive structures on thin films of titanium group metals Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 11030, pp. 110300A-1— 110300A-12 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2520978

18. Белоусов Д.А., Корольков В.П., Хомутов В.Н., Насыров Р.К. Laser beam diffraction inspection of periodic metal/oxide structures with infmicron period Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol. 11030, pp. 110301C-1— 110301C-9 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2520960

19. Корольков В.П., Насыров Р.К., Саметов А.Р., Малышев А.И., Белоусов Д.А., Микерин С.Л., Куц Р.И. Direct laser writing of high-NA computer-generated holograms on metal films of the titanium group and chromium Proceedings of SPIE, Vol. 11188, pp. 111880R-1 — 111880R-8 (год публикации - 2019)
10.1117/12.2537269

20. Белоусов Д.А., Терентьев В.С., Спесивцев Е.В., Корольков В.П. Spectral data of refractive index and extinction coefficient for thin films of titanium group metals used for fabrication of optical microstructures Data in Brief, Vol. 28, Article 104903 (год публикации - 2020)
10.1016/j.dib.2019.104903

21. Корольков В.П., Насыров Р.К., Седухин А.Г., Шиманский Р.В., Белоусов Д.А., Куц Р.И. Прямая лазерная запись высокоапертурных синтезированных голограмм: материалы и методы HOLOEXPO 2019: XVI международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям: Тезисы докладов, С. 54—59 (год публикации - 2019)

22. Корольков В.П., Вейко В.П. Шахно Е.А., Достовалов А.В., Синев Д.А., Седухин А.Г., Белоусов Д.А., Насыров Р.К. Perspectives of laser local oxidation nanolithography for fabrication of subwavelength and high-na diffractive optical elements INTERNATIONAL SYMPOSIUM “FUNDAMENTALS OF LASER ASSISTED MICRO- AND NANOTECHNOLOGIES” (FLAMN-19) - Book of Abstracts, С. 87 (год публикации - 2019)

23. Корольков В.П., Шиманский Р.В., Хомутов В.Н., Седухин А.Г., Насыров Р.К., Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Завьялова М.А. Перспективы создания лазерного нанолитографа для задач дифракционной оптики и нанофотоники Сборник трудов ИТНТ-2019, T. 1, С. 283—290 (год публикации - 2019)

24. Корольков В.П., Седухин А.Г., Качкин А.Е., Елисафенко А.Е. Оптимизация оптического канала X-Y лазерного нанолитографа для записи на фото- и термочувствительных материалах ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Сборник материалов в 9 томах Т.8 Национальная конференция с международным участием "СИБОПТИКА-2019", T. 8, С. 28—33 (год публикации - 2019)
10.33764/2618-981Х-2019-8-28-33

25. Куц Р.И., Корольков В.П., Шиманский Р.В., Хомутов В.Н., Малышев А.И. Экспериментальное исследование взаимосвязи изменений коэффициентов пропускания и отражения пленок циркония при прямой лазерной записи ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Сборник материалов в 9 томах Т.8 Национальная конференция с международным участием "СИБОПТИКА-2019", T. 8, С. 34—40 (год публикации - 2019)
10.33764/2618-981Х-2019-8-34-40

26. Корольков В.П., Микерин С.Л., Куц Р.И., Малышев А.И. New super-resolution method of direct laser writing on Zr films International conference Advanced Laser Technologies (ALT’19). Book of Abstracts, С. 72 (год публикации - 2019)
10.24411/9999-011A-2019-00058

27. Корольков В.П., Седухин А.Г., Микерин С.Л. Technological and optical methods for increasing the spatial resolution of thermochemical laser writing on thin metal films Optical and Quantum Electronics, v. 51, N 12, paper 389 (год публикации - 2019)
10.1007/s11082-019-2111-6

28. Асфор Ж.-М., Виднер Ф., Бодендорф К., Боде А., Полещук А.Г., Насыров Р.К., Групп Ф., Бендер Р. Diffractive optics for precision alignment of Euclid space telescope optics SPIE Proceedings, 10401, 104010V (год публикации - 2017)
10.1117/12.2274349

29. Полещук А. Г., Вейко В. П., Корольков В. П. Лазерные технологии для формирования структуры дифракционных оптических элементов ГОЛОГРАФИЯ. НАУКА И ПРАКТИКА. XIV международная конференция HOLOEXPO 2017: тезисы докладов., с.38-44 (год публикации - 2017)

30. Седухин А. Г., Полещук А. Г. 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, 407, 217–226 (год публикации - 2018)
10.1016/j.optcom.2017.09.042

31. Насыров Р. К., Полещук А. Г. Разработка компьютерно-синтезированных голограмм для контроля высокоточных оптических систем Материалы XIV научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли», с.119-121 (год публикации - 2017)

32. 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, т.53, №5, с. 66-77 (год публикации - 2017)
10.15372/AUT20170507

33. Насыров Р. К., Полещук А. Г., Сокольский М. Н., Трегуб В. П. Интерферометрический контроль юстировки оптической системы с эксцентрично расположенной асферической линзой ГОЛОГРАФИЯ. НАУКА И ПРАКТИКА. XIV международная конференция HOLOEXPO 2017: тезисы докладов., с.233-236 (год публикации - 2017)

34. Белоусов Д. А., Полещук А. Г., Хомутов В. Н. Дифракционный метод контроля поверхностных нано и микроструктур компьютерно-синтезированных голограмм ГОЛОГРАФИЯ. НАУКА И ПРАКТИКА. XIV международная конференция HOLOEXPO 2017: тезисы докладов., с. 150 - 153 (год публикации - 2017)

35. Насыров Р. К., Полещук А. Г. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СЕРТИФИКАЦИЯ ДИФРАКЦИОННОГО КОРРЕКТОРА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ГЛАВНОГО ЗЕРКАЛА ДИАМЕТРОМ 6 МЕТРОВ БОЛЬШОГО ТЕЛЕСКОПА АЗИМУТАЛЬНОГО РАН Автометрия, т.53, №5. С.116-123 (год публикации - 2017)
10.15372/AUT20170511

36. Седухин А. Г. Comparison of the Energy Characteristics of Tightly Focused Needle Beams with Longitudinal Polarization Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, Vol. 53, No. 5, pp. 508—516 (год публикации - 2017)
10.3103/S8756699017050107

37. 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, т.53, №5. С.124-130 (год публикации - 2017)
10.15372/AUT20170512

Публикации

3. Седухин А.Г. Gamma and gamma-coupled beams Applied Optics, Vol. 57, No. 14, pp. 3653 — 3660 (год публикации - 2018)
10.1364/AO.57.003653

Публикации

3. Седухин А.Г. Gamma and gamma-coupled beams Applied Optics, Vol. 57, No. 14, pp. 3653 — 3660 (год публикации - 2018)
10.1364/AO.57.003653