Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В первый год реализации проекта проведены исследования и выполнены все работы согласно утвержденному плану. Анонс проекта был освещен в СМИ: “Ученые из ИТМО получили грант на разработку оптических элементов для «умных» очков” - https://news.itmo.ru/ru/news/9811/. Согласно плану, сперва проведен ряд мероприятий по подготовке многолучевой интерференционной схемы для лазерной записи решеток с субмикронным периодом (0.5-5.0 мкм) на поверхности оптических материалов. В частности, исследован процесс лазерно-плазменного травления поверхности стекла (метод ЛИМП), используемый для реализации фазовых расщепителей-мультиплексоров. Определено влияние параметров плазменного факела и воздушного зазора на разрешающую способность метода. В СМИ также сообщили о проводимых исследованиях: “Ученые Университета ИТМО предложили, как улучшить лазерно-плазменный метод обработки стекла” - https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/10123/. Воспроизводимость результатов, относительно недорогое изготовление фазовых преобразователей и возможность бесшовного мультиплексирования интерференционных пятен являются существенным заделом для продолжения данного исследования для реализации голографических субмикронных структур как на поверхности, так и в объеме оптических материалов. На данном этапе проекта были задействованы оптические среды с уникальными свойствами: (i) тонкие полупроводниковые пленки (ZnO:Al) на поверхности стекла, которые обладают избирательным поглощением на длине волны записи, сохраняя оптическую прозрачность в остальном видимом диапазоне, (ii) нанопористые стекла, в которых за счет наличия свободного порового пространства появляется возможность формировать высококонтрастные волноводы с чувствительной к примесям оболочкой, и (iii) флюорит - широкозонный диэлектрический материал с высокой лучевой прочностью. В рамках проекта также разработаны физико-технологические основы прямой лазерной записи поверхностных и объемных двулучепрелолмеяющих решеток. Острая фокусировка фемтосекундных лазерных импульсов позволила создать нанопериодические решетки (150 - 400 нм) в пористом стекле и флюорите. Предложен механизм формирования двулучепреломляющих микроструктур при отражении лазерных импульсов вблизи фокальной области от объемной околокритической плазмы с формированием перед плазмой вдоль оптической оси стоячей электромагнитной волны, так что данная волна фиксируется в материале в виде массивов наноструктурированных плоскостей (нанорешеток) с ориентацией штрихов локальной модификации материала и его показателя преломления перпендикулярно лазерной поляризации. Сформированные нанорешетки в пористом стекле (с периодом 150-200 нм) демонстрируют дифракционную модуляцию света в видимом диапазоне длин волн, а в синей области спектра образуют антиотражающее покрытие. Разработаны технологические основы аддитивно-субтрактивной лазерной записи. В настоящем проекте впервые аддитивно-субтрактивная лазерная запись была исследована для несплошных, нанопористых силикатных стекол, что, с одной стороны, облегчает первый этап (спекание пористого стекла), но вносит свои коррективы в травление пористого материала. Контролируемое и высококонтрастное уплотнение нанопористых стекол легко в основу записи волноводов как классического типа “core-cladding”, так и многомодовых за счет перераспределения плотности за пределами сердцевины. На базе данной технологии предложен и реализован оптофлюидный сенсор малых молекул (~ 1 нм), захваченных нанопорами из окружающей среды. Исследовательская статья о создании оптофлюидного сенсора доступна в открытом доступе: https://www.mdpi.com/2079-4991/11/1/123 . Кроме того, фемтосекундная лазерная запись в пористом стекле позволила реализовать дифракционные фазовые устройства для расщепления лазерного пучка на 5 порядков дифракции в дальней зоне. Это устройство может стать частью интегральной системы для дисплеев AR. В заключительной части работы представлены результаты построения схем и разработки методов тестирования волноводных голографических устройств. Показано, что разработанные методики записи субмикронных и наноразмерных структур в оптических материалах могут стать элементной базой для построения микроголограмм, повышающих эффективность AR дисплеев. В работе также разработан и протестирован волноводный голографический перископ. Работоспособность субмикронных структур также была оценена теоретическим расчетом, который позволил построить дифракционные картины оптических сигналов, прошедших через решетки. По материалам проекта опубликовано 6 статей с благодарностью Российскому научному фонду, в журналах, входящих в наукометрические базы данных «Web of Science» и Scopus, 2 из которых в журналах из квартиля Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором этапе реализации проекта проведены все исследования и получены научные результаты согласно утвержденному плану. Сперва спроектированы, изготовлены и протестированы фазовые преобразователи лазерных пучков, выполненные на сплошных и кристаллических оптических материалах. В частности, изготовлено методом ЛИМП два типа новых элементов - многосекторные бинарные фазовые пластины для формирования оптических вихревых пучков и фазовые маски, обеспечивающие формирование лазерных пучков с плоской вершиной. Применение фазовых преобразователей в схемах 3Д лазерной модификации оптических материалов привело к возможности формирования интегральных оптических элементов в объеме и на поверхности стекла с новой конфигурацией. Например, записан новый тип оптических волноводов - парные волноводы, симметричные и многоканальные, а также продемонстрирована модификация оптических свойств оптических покрытий и одновременная запись канальных волноводов под покрытием на глубине десятки микрон. Вторая часть работы посвящена прямой лазерной записи объемных волноводов, их тестированию и разработке схемы для соединения с волоконно-оптическими системами связи. Реализованы волноводы различного типа и строения, изучены их оптические свойства. Также сформированы волноводы с прямоугольным сечением, что также можно отнести к новому типу. Подготовлены рекомендации для лазерной записи криволинейных волноводов и продемонстрирована их запись в оптическом материале. Продемонстрирована возможность прямой лазерной записи волноводов для преобразования или сохранения поляризации лазерного излучения. В этом году протестирован волноводный сенсор с подключением в оптоволоконную систему и настроенный на детектирование изменения газовой составляющей окружающей среды для анализа паров этанола. Нанесение периодических структур на оптических материалах является важным этапом для выполнения проекта, поэтому проведен ряд мероприятий по подготовке интерференционной схемы для лазерной записи решеток с субмикронным периодом (0.4-0.7 мкм) на поверхности оптических материалов. В настоящем этапе схема была оптимизирована для уменьшения периода структур и бесшовного нанесения периодических структур на поверхности оптического материала - плёнки ZnO:Ag. Этот метод позволил подготовить тестовое устройство – голографическую решетку с периодом 0.66 мкм и глубиной до 40 нм в оптическом материале. Также сделано обновление схемы записи с целью уменьшения периода решетки до 0.4 мкм. Успешно отработана технология прямой лазерной записи трехмерных оптических элементов для интерфейсов виртуальной и дополненной реальности: спектральные микрофильтры, ахроматическая полуволновая пластинка, диэлектрическое зеркало. В рамках отработки гибридной аддитивно-субтрактивной технологии и режимов фемтосекундной лазерной 3Д-печати отдельных свободно-стоящих оптических элементов на поверхности нанопористого стекла методом прямой фемтосекундной абляционной лазерной записи из микробитов двулучепреломляющих нанорешеток была создана дифракционная решетка, сетка и зонная пластинка Френеля. Обнаружено три режима записи отдельно-стоящих кольцевых элементов в нанопористом стекле. Уникальная особенность элементов - повышенное пропускание в видимом спектральном диапазоне и в некоторых случаях с селективным поглощением длин волн. Отработан метод нанесения периодических микро- и наноразмерных структур и массивов из них в оптическом материале. На базе интерференционно-плазмонного механизма формирования двулучепреломляющих нанорешеток в оптических материалах были разработаны, подготовлены и исследованы тестовые интегрально-оптические устройства. Произведено тестирование созданного микроволновода. Исследованы параметры и оценена возможность применения для отображения визуальной информации в дисплеях дополненной реальности. Волновод оценивался посредством ввода излучения RGB и оценкой периода, эффективности решетки согласно разработанной, в рамках проекта, методики. Наконец, произведена разработка методов интеграции волноводных голографических элементов для построения HMD-дисплеев на базе подготовленных интегральных оптических устройств. Предлагается в качестве входного и выходного ДОЭ использовать ППС, записанные на передней поверхности волноводной пластины. ДОЭ и пластина образует волноводный голографический элемент, позволяющий передавать виртуальное изображение в глаза пользователю. Для проверки возможности реализации такого элемента на основе записанных ППС было проведено моделирования процесса формирования виртуального изображения на выходе волноводной пластины. Предложена схема построения HMD-дисплея на базе подготовленного интегрального оптического устройства на основе ППС, записанных на поверхности флюорита. Для волновода, выполненного из флюорита, с периодом 400 нм, возможна передача изображения в видимом спектральном диапазоне до длины волны 560 нм. По материалам проекта опубликовано 9 статей с благодарностью Российскому научному фонду, в журналах, входящих в наукометрические базы данных «Web of Science» и Scopus, 2 из которых в журналах из квартиля Q1. Анонс выполнения второго этапа проекта сделан в СМИ: “Миниатюрные интегральные элементы в стекле: в ИТМО изучили прямую лазерную запись нанорешеток”, ссылка на источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/12563

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Миниатюризация и интеграция оптических элементов в оптических материалах является ключевым при изготовлении продукции дополненной реальности (AR – augmented reality) и оптических дисплеев. На третьем этапе настоящего проекта исследования в основном проводились на полимерных и силикатных материалах по 5 направлениям. В частности, разрабатываемая лазерно-плазменная технология позволила создать многосекторный фазовый элемент (2 секторов), используемый для преобразования исходного гауссова лазерного пучка. Такой структурированный пучок был задействован для записи новых типов микроволнонодов в оптическом материале: (i) одномодовый канальный волновод, сформированный за 1 проход и (ii) двухканальный волновод, который расщепляет исходный пучок на два с идентичной интенсивностью. Кроме того, в объеме оптических материалов была произведена запись новых фазовых оптических элементов: (i) распределённый брэгговский отражатель, который обладает селективным отражением в узком спектральном диапазоне. (ii) поляризационная дифракционная решётка в объёме плавленого кварца. В нашем случае у решётки “тёмная” часть представляет собой фазовой элемент порядка λ/4 (для длины волны 633 нм). Поляризационная дифракционная решетка чувствительна к циркулярной поляризации и разделяет левую и правую циркулярную поляризацию между -1 и 1 порядками дифракции. Второе направление посвящено нанесению периодических субмикронных решеток (с периодом 550-560 нм) на полимерных материалах и металл-органических покрытиях в интерференционном поле от пико- и фемтосекундных лазерных импульсов. Предложенная методика позволяет записывать тестовое устройство – голографическую решетку. В третьем направлении внимание было уделено исследованию взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с полимерными материалами. В результате разработана и отработана технология лазерной записи микро- и наноразмерных периодических структур в эластичных полимерах, где под воздействием внешних сил (термических) можно изменять период записанных структур сжимая или растягивая материал. Для эластомера VHB 4905 была продемонстрирована высокая 10% дифракционная эффективность решетки с периодом 350 нм. Этот новый метод позволяет записывать фемтосекундными лазерными импульсами функциональные оптические элементы в полимерных материалах для дифракционных, голографических устройств и устройств виртуальной реальности. В четвертом направлении разработаны и протестированы новые методы аддитивно-субтрактивной лазерной записи оптических и оптофлюидных элементов. Два метода гибридной субтрактивной лазерной технологии представлены для формирования оптофлюидных элементов в пористом стекле. Стоит отметить, что оболочка формируемых микрополостей селективно отражает падающий свет, за счет сформированных вдоль треков нанорешеток. Полученные результаты обладают потенциалом для создания оптофлюидных и сенсорных платформ в оптических материалах. На этапе исследований субтрактивной лазерной записи оптических элементов в стекле, были предложены 2 методики, которые продемонстрированы впервые. Показано, что методики позволяют производить контролируемое формирование полостей в объеме оптического материала. В результате была продемонстрирована гибридная лазерная субтрактивная технология формирования оптофлюидных элементов в пористом стекле. Полученные структуры селективно отражают падающий свет, за счет сформированных вдоль треков нанорешеток. Интерес вызывают данные исследования для задач сенсорики. В качестве оптического элемента для реализации аддитивно-субтрактивной технологии была выбрана дифракционная решётка с периодом 20 мкм. На поверхность полиимида был нанесён жидкий фотополимер, таким образом аддитивно - полимеризовался фотополимер, а субтрактивно - выполнялась абляция на границе полиимида и фотополимера. В результате исследований были определены условия лазерной обработки для записи зонных пластин Френеля. В проекте также предложен способ контроля не только оптических параметров обрабатываемого материала, но и оценки его прочностных свойств. Последнее обстоятельство оказывается немаловажным учитывая, что во время обработки в материале подложки формируются поля механических напряжений близкие к пределу прочности. Таким образом, предложен оригинальный интерферометрический поляризационно-оптический метод изопах в неполяризованном свете для исследования абсолютных значений показателей преломления и главных напряжений напряженно деформированного состояния (НДС) в прозрачных средах. Предложенный метод полезен для анализа напряженных, оптически анизотропных структур, изготавливаемых по разрабатываемому, в рамках проекта, оригинальному методу фемтосекундной лазерной обработки прозрачных сред. Отметим, что на сегодняшний день существующие экспериментальные методы позволяют хорошо определять относительные малые изменения показателей преломления. Определение абсолютных значений показателей, пропорциональных главным напряжениям, представляет собой практическую ценность и является чрезвычайно сложной экспериментальной задачей. В нашем методе, в отличие от стандартных подходов, мы используем образцы без вариации толщины (как это делается в стандартном методе изопах). Также в отличие от метода голографической фотоупругости (метода изодром), предлагаемый метод применяется к изначально уже напряженным образцам, т.е. не требует двухэтапного исследования. Кроме того, показано влияние частичной поляризации и демонстрируется возможность ее использования для анализа абсолютных значений показателя преломления. Метод отличается удобством и простотой в техническом исполнении. Произведено моделирование хода лучей через плоский оптический волновод и изучено влияние параметров лазерно-сформированных микроволноводов и фазовых оптических элементов на качество изображения, формируемого в оптической схеме HMD-дисплея. Показано, что волноводный элемент передает изображение объекта без потери в разрешении и пространственных искажений, однако с неравномерным спадом освещенности от одного края к другому, что может быть скомпенсировано за счет переменной дифракционной эффективности выходного оптического элемента. На основе численного моделирования хода лучей через волноводную структуру с изготовленными решетками, был разработан метод интеграции волноводных голографических элементов для построения дисплеев дополненной реальности на базе подготовленных интегральных оптических устройств на базе ПММА и стекла. Определена оптимальная зависимость дифракционной эффективности от координат для выводного ДОЭ, которая носит экспоненциально спадающий характер. Выполнен анализ влияния поля зрения на коэффициент передачи энергии. По материалам проекта опубликовано 7 статей с благодарностью Российскому научному фонду, в журналах, входящих в наукометрические базы данных «Web of Science» и Scopus, 1 из которых в журнале из квартиля Q1.