КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 17-19-01721

НазваниеРазвитие сверхразрешающей термохимической лазерной технологии формирования компьютерно-синтезированных дифракционных наноструктур

РуководительКорольков Виктор Павлович, Доктор технических наук

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

Года выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2019  , продлен на 2020 - 2021. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 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 словакомпьютерно-синтезированные дифракционные наноструктуры, термохимическая лазерная технология, пленки металлов, нанотехнология, прямая лазерная запись

Код ГРНТИ29.31.27


СтатусУспешно завершен


 

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.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта предполагается получить следующие основные результаты: 1. Будет разработан новый теоретический подход к сверхострой и высокоэффективной фокусировке лазерного пучка в иммерсионной и воздушной средах, с одновременным изменением формы распределения интенсивности лазерного пучка (от гауссовой до приближенно кольцевой, с дополнительной фазовой модуляцией), преобразованием формы поляризации пучка (от линейной до азимутальной, радиальной и комбинированной), а также оптимальной пространственной фильтрацией лазерного пучка для видимого и ультрафиолетового диапазонов длин волн. В рамках теории электродинамики, будут изучены пространственные распределения плотностей электрической и магнитной энергии, а также распределения потока световой энергии, волновые фронты и другие особенности структуры электромагнитного поля в окрестности зоны острой фокусировки лазерного излучения. 2. На базе разработанного подхода к сверхострой фокусировке лазерного пучка будут модифицированы высокоапертурные серийные фокусирующие системы (введением кольцевых диафрагм, фильтров пространственных частот и т. п.), а также изготовлены и экспериментально исследованы новые узлы фокусировки лазерного пучка с эффективной числовой апертурой от 0.95 (в воздушной среде) до 1.3-1.4 (в иммерсионной жидкости) и преобразования гауссового пучка основной моды в пучки с приближенно радиальной, азимутальной либо комбинированной модовой формой. 3. Будет проведена реконструкция прецизионного лазерного сканирующего нанолитографа, работающего в полярной системе координат. На первом этапе на него будет установлен мощный УФ диодный лазерный модуль с длиной волны 405 нм и мощностью 300 мВт для апробации новых фокусирующих систем в более простых условиях. Затем будет установлен второй оптический канал с твердотельным лазером с длиной волны 266 нм и мощностью 100 мВт для проведения экспериментов по получения минимальных элементов порядка 100 нм. Будет разработана система автофокусировки, способная перемещать с высокой точностью тяжелые экспериментальные образцы объективов, а также будет разработан блок преобразования поляризации записывающего пучка. Разработанные фокусирующие оптические системы (включая иммерсионную систему) будут экспериментально исследованы на реконструированном нанолитографе при проведении экспериментов по записи дифракционных структур в различных условиях. 4. Будут проведены эксперименты по сверхразрешающему импульсному воздушному и иммерсионному экспонированию пленок различных металлов и биметаллических соединений для определения оптимальных режимами записи и предельного разрешения, которое предположительно должно составить не менее 100 нм. 5. На основе разработанного ранее авторами подхода к лазерному воздействию с тонкими плёнками титана с учетом обратной отрицательной опто-термо-химической связи будут исследованы размерные характеристики структур, записываемых на плёнках титана; будут изучены доступные значения разрешения и точности записи и их зависимости от параметров записи. 6. Экспериментально и теоретически будет изучена кинетика окисления плёнок олова, тантала и других перспективных материалов, обладающих прозрачными оксидами и позволяющими осуществлять одноэтапную лазерную термохимическую запись информации, 7. Экспериментально будет изучена температурная динамика лазерного окисления тонких плёнок титана с учётом существенного увеличения пропускания непосредственно в процессе записи, Ожидается, что проведение данных исследований позволит резко повысить (5-10 раз) разрешающую способность действующей, ранее разработанной лазерной системы для записи планарных дифракционных и растровых элементов фотоники, что позволит повысить качество изготавливаемых оптических элементов и получить новые результаты, которые могут потенциально быть использованы в таких областях, как рентгеновские оптика (телескопы и микроскопы), астрономическая оптика (в том числе космического базированияя), оптика синхротронного излучения, оптика нанолитографических установок глубокого УФ, лазерная оптика и т. п. По мнению участников проекта, предлагаемые исследования будут иметь прямое практическое применение при модернизации многих действующих установок прямой лазерной записи и при разработке новых установок с существенно расширенной сферой возможного применения при синтезе наноструктур элементов фотоники. Ожидается, что полученные по данному проекту результаты позволят провести дальнейшее продвижение термохимической лазерной записи микроструктур, а конкретно, технологии дифракционных оптических элементов (ДОЭ) - в область размеров порядка 100 нм (это чрезвычайно важно для создания новых типов субволновых ДОЭ и элементов для ультрафиолетового области спектра), а возможно и предложить новые технологии формирования ДОЭ.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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).

 

Публикации

1. 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).

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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. 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).


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.

 

Публикации

1. - Сибирские ученые помогут телескопу найти темную материю Наука в Сибири, №24 газеты, 28 июня 2018 г. (год публикации - ).

2. - В Новосибирске создали голограмму для настройки телескопа для поиска темной материи ТАСС, Новость от 19 июня 2018 г. (год публикации - ).

3. - Сибирские ученые изучают причины расширения Вселенной за последние 10 млрд лет infopro54.ru, Новость от 19 июня 2018 г. (год публикации - ).

4. - Научно-техническая сессия «Флагманские проекты Института автоматики и электрометрии СО РАН в 2018 г. – состояние и перспективы» Новости сибирской науки, Новость от 7 марта 2018 г. (год публикации - ).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

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. 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).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

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

15. 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).

16. 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).


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.

 

Публикации

1. 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).

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. 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).

8. 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).

9. 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. 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).

11. 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).

12. 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).

13. 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).

14. 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).

15. 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).