Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Теоретически и экспериментально изучены особенности динамики лазерного окисления тонких плёнок титана толщиной 20 нм, связанные с существенным увеличением пропускания непосредственно в процессе записи (вплоть до сквозного просветления) и реализацией высокого пространственного разрешения (не менее 2000-3000 линий/мм при диаметре лазерного пучка порядка 350–500 нм). 2. Предложена и изготовлена светоэффективная высокоапертурная система фокусировки лазерного пучка в свободном пространстве, ориентированная на работу в дальней зоне дифракции и в дальнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Основными компонентами такой системы являются дифракционный оптический элемент и кольцевое зеркало. Предложены и экспериментально исследованы оригинальные методики юстировки взаимного положения дифракционного элемента и кольцевого зеркала, позволяющие обеспечить практически полную компенсацию таких основных видов аберраций, как кома и сферическая аберрация. 3. Разработан специализированный компактный лазерный x-y нанолитограф на базе двухкоординатного стола с прецизионными направляющими. Данный нанолитограф ориентирован на работу со лазерным источником ультрафиолетового диапазона , а также сменными высокоапертурными фокусирующими системами, устанавливаемыми на пьезопозиционере. 4. Проведена лазерная запись на пленках хрома через стеклянные среды. Проведено исследование по оптимизации процесса напыления тонких пленок исследуемых материалов и найдены режимы и параметры, обеспечивающие минимальные размеры микрокристаллитов, образующихся при лазерном нагреве. Экспериментально показана возможность прямой лазерной записи в воздушной среде на тонких пленках хрома дифракционных структур с шириной треков в 1.75 раза меньше размера сфокусированного лазерного пучка. 5. 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 (линейной либо радиальной), а также с возможностью практической реализации большого рабочего отрезка. Определено, что полная ширина остросфокусированного лазерного пучка, оцениваемая для усредненной во времени плотности электрической энергии, составляет 70 нм по половинному уровню интенсивности в фокальной плоскости иммерсионной системы. Для указанного остросфокусированного лазерного пучка с ориентацией электрического вектора его поля вдоль оптической оси (в области фокусировки) проведена оценка степени расхождения между величинами светового поля, выраженными в терминах усредненной во времени объемной плотности электрической энергии (в единицах Дж/м3) и в терминах потока световой энергии через единичную площадку (усредненного во времени модуля вектора Пойнтинга, в единицах Вт/м2). Показано, что, с точностью до размерных констант, эти характеристики практически совпадают только в области центрального лепестка области фокусировки, а в периферийных областях данные характеристики имеют существенные расхождения. 6. Для оперативного изучения размерных характеристик синтезируемых микро- и наноструктур предложено использовать дифракционный метод локального контроля их параметров путем анализа пространственного распределения интенсивности в дифракционных порядках, получаемого с использованием рассеивающего экрана, выполненного на базе оптоволоконного фокона (или оптоволоконной шайбы).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Обнаружено, что в типовом случае неполного подавления (с помощью тонкопленочного преобразователя поляризации) азимутальных компонентов поля вектора поляризации остро сфокусированного пучка в иммерсионной жидкости, с выраженной продольно-ориентированной поляризацией его вдоль оптической оси, локальные траектории потока энергии пучка искажаются и имеют такие специфические свойства, как небольшая волнистость и винтовое кручение вокруг оптической оси вблизи фокуса (при соответствующем искажении волновых фронтов), наделяющее пучок орбитальным угловым моментом. Пространственно-частотная фильтрация пучка, увеличивает осевой размер пучка, где наблюдается его наиболее выраженное кручение. По оценкам, полученным при моделировании, при прямой лазерной записи дифракционных структур на пленках металлов, погруженных в иммерсионную жидкость, обнаруженный эффект кручения пучка не должен оказать существенное влияние на изменение формы локальной области нагрева иммерсионной жидкости в зоне облучения. 2. Для изучения сверхразрешающих режимов термохимической записи на УФ длине волны 405 нм, теоретически было проведено численное моделирование и экспериментальное исследование различных вариантов функций рассеяния точки для имеющихся в распоряжении и проектируемых высокоапертурных сухих и иммерсионных фокусирующих и поляризационно-преобразующих систем с числовой апертурой (NA) от 0,9 до 1,46, при различных видах поляризации и амплитудной аподизации пучков во входном зрачке фокусирующих систем. Установлено, что аподизация с гамма-гауссовым профилем обеспечивает наибольшее сжатие пучка, при радиальной поляризации пучка во входном зрачке объектива. 3. Создан компактный лазерный x-y нанолитограф (x-y ЛНЛ) для формирования дифракционных микро/наноструктур с программным обеспечением собственной разработки. Локальная погрешность позиционирования его системы сканирования не превышает 10 нм. Он оснащен узлом ручной и моторизованной фокусировки объектива, в качестве которого могут использоваться как стандартные сухие и иммерсионные объективы, так и экспериментальные фокусирующие системы собственной разработки. Минимально достигнутый на x-y ЛНЛ диаметр сфокусированного пучка составил 0,28 мкм на длине волны 405 нм. 4. Создан макет уникального прецизионного лазерного нанолитографа с круговым сканированием (ЛНЛКС), рассчитанный на прямую лазерную запись дифракционных оптических элементов с использованием сфокусированного излучения непрерывных лазеров с длиной волны 266 и 532 нм. ЛНЛКС оснащен мощным исполнительным элементом автофокусировки, рассчитанным на тяжелые высокоапертурные микрообъективы. 5. 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 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. На пленках тантала и циркония при записи непрерывным пучком формируются как дорожки шириной порядка 300-350 нм, так и паразитные квазипериодические структуры. Определен диапазон мощности пучка при различных временах экспонирования для термохимической лазерной записи микро- и нано структур на металлических пленках. Исследованы возможности плазменного травления структур, записанных на плёнках металлов. 6. Эксперименты показали, что пленки Zr наиболее подходят для режима индуцированного лазерным нагревом сквозного окисления. При использовании режима сквозного окисления необходим правильный выбор пленки и параметров воздействия, поскольку просветление металлической пленки может привести к образованию самоиндуцированных квазипериодических наноструктур. Анализ спектров комбинационного рассеяния света от сформированных оксидных структур показывает, что при лазерном нагреве образуется в основном моноклинный оксид циркония, который образуется в диапазоне температур менее 1170° С. 7. В результате проведенных расчетов лазерного локального окисления пленок хрома для двух вариантов апланатических объективов (с диаметрами сфокусированного пятна FWHM 0,42 мкм, при линейной поляризации входного пучка, и FWHM 0,23 мкм, при азимутальной поляризации) с учетом влияния первых побочных максимумов (боковых лепестков) распределения интенсивности были определены области рабочих режимов для формирования контрастного термохимического изображения. Оценки, проведённые для объектива с FWHM 0,42 мкм, показывают, что область рабочих режимов соответствует значениям скорости сканирования в диапазоне от 1,0 до 4,5 м/с и мощности излучения в диапазоне от 11,7 до 17,5 мВт. Для объектива с FWHM 0,23 мкм эти значения составляют соответственно 0,1-1,1 м/с и 7-10 мВт. Показано, что размер формируемого термохимического изображения лишь в 1,5 раза больше соответствующего размера оптического изображения (по центральному максимуму) и составляет 0,6 и 0,3 мкм, соответственно, для объектива с FWHM 0,42 мкм и FWHM 0,23 мкм. Предложены методы дальнейшего уменьшения размеров термохимического изображения. 8. Методом лазерного окисления пикосекундными импульсами в схеме двухлучевой интерференции на пленке титана получена дифракционная амплитудно-фазовая решетка с разрешением 650 лин/мм. Проведенные микроскопические и микро-рамановские исследования подтвердили отсутствие абляции и наличие оксидов титана в области воздействия излучения, что подтверждает термохимический характер воздействия. 9. Для исследования лазерной записи на тонких металлических пленках без снятия подложки с материалом, в конструкцию x-y нанолитографа были встроены фотоприемники, позволяющие реализовать фотоэлектрический метод измерения изменений показателей пропускания и отражения плёночных структур по мере формирования оксидных дорожек. Для характеризации записываемых периодических структур был собран отдельный дифрактометрический стенд на базе оптического микроскопа, позволяющий осуществлять как визуальный контроль сформированных дифракционных решёток на отражение, так и дифрактометрический, путём анализа зарегистрированной дифракционной картины. Для дифрактометрического контроля были апробированы алгоритмы анализа дифракционных картин, позволяющие определять такие параметры структур, как период, скважность и угловая ориентация.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Разработан и исследован новый вариант системы острой субволновой иммерсионной кольцевой фокусировки лазерного пучка, совмещенной с тонкопленочной конвертацией поляризации его излучения из линейной формы в радиальную, хорошо пригодной для прямой лазерной записи по пленкам металлов через стекло и основанной на использовании прецизионного стеклянного сегмента с тонкопленочным покрытием на поверхности его выходной апертуры. В исследованном варианте, числовая апертура данной системы составляет NA = 1.41, а размер рабочего отрезка позволяет использовать стеклянные подложки толщиной до 1 мм. Расчетный размер сфокусированного лазерного пятна на длине волны 405 нм составляет 103 нм (FWHM). 2. Рассчитаны два варианта конвертеров поляризации, которые необходимы для работы в составе разработанных фокусирующих систем и для решения вопроса о выборе наиболее оптимальных, по совокупности технических характеристик, типах конвертеров, пригодных для качественной, надежной и долговременной работы с лазерным излучением на используемых длинах волн 405, 532 и 266 нм. Установлено, что более предпочтительными вариантами конвертеров, являются 8-секторный конвертер на основе набора полуволновых пластинок и конвертер на основе многослойного тонкопленочного покрытия. Рабочий режим и характеристики последнего конвертера наиболее хорошо согласуется с наклонным ходом световых лучей в разработанных системах острой кольцевой фокусировки. Показано, что наиболее эффективно применение тонкопленочного конвертера в иммерсионных острофокусирующих системах при прямой лазерной записи по пленкам металлов через стекло и при нанесении тонкопленочного покрытия на плоскую поверхность выходной апертуры оконечного фокусирующего элемента. 35-слойный иммерсионный тонкопленочного конвертер, рассчитанный на среднюю длину волны 405 нм был ахроматизирован в диапазоне от 365 до 445 нм, что обеспечивает на средней длине 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. 3. Получены зависимости коэффициентов пропускания и отражения облученных участков пленки Ti от мощности записывающего пучка при различных скоростях сканирования. Немонотонный характер кривых пропускания и отражения и отсутствие особенностей, повторяющихся изменении скорости записи в широком диапазоне, существенно затрудняют определение зависимости мощности записывающего пучка от радиальной координаты (определяет скорость сканирования), необходимой для изготовления ДОЭ на круговой записывающей системе. Показано, что при мощностях пучка, обеспечивающих пропускание свыше 30%, пространственное разрешение существенно снижается. Минимальная ширина записываемых треков достигалась для мощностей, обеспечивающих увеличение пропускания не выше 20%. 4. 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 (б) 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. 5. 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 (ЛТЗ) контрастного элемента наименьшего размера при максимальной производительности. 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. Показано, что для получения качественной записи на плёнках титана предпочтительно использовать плёнки толщиной 10–30 нм. 7. Предложено решение проблемы чрезмерной сложности аналитического моделирования при оптимизации режимов ЛТЗ высокого разрешения на тонких пленках, основанное на теории подобия. Анализ показал, что все параметры процесса ЛТЗ 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 ЛТЗ субмикронного размера в эксперименте с размером облученной зоны в 100 раз больше, которое показало хорошее согласие с реальным экспериментом. 8. 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. 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. 9. Впервые измерена спектральную зависимость показатель преломления n и коэффициента поглощения k в диапазоне длин волн 250-1100 нм для гафния. 10. Проанализированы меры, способствующих 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 приводит к их зашумлению и потере 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 и проводятся путем модуляции ширины штрихов в зависимости от локального периода этих штрихов и локальной поляризации лазерного пучка. 11. Экспериментально изготовлен методом прямой лазерной записи и реактивного ионного травления эталонный высокоапертурный дифракционный объектив с диафрагменным числом F/1 для рабочей длины волны 632,8 нм. Погрешность изготовления не превышала λ/10. 12. Экспериментально показано, что с использованием прямой лазерной записи на пленках титана можно изготавливать высокоапертурные дифракционные объективы по полностью «сухой» технологии, без жидкостного травления, снижающего выход годных элементов. 13. Впервые в мире создан лазерный нанолитограф с круговым сканированием и двумя оптическими каналами - ДУФ (266 нм) и видимым (532 нм). Он позволяет проводить исследования по лазерной записи дифракционных структур на органических и неорганических пленочных материалах в широких диапазонах скоростей сканирования и плотности мощности.