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 22-79-10007
НазваниеИспользование поляризационно-модового состояния светового поля для прецизионной лазерной обработки азополимеров и халькогенидных стекол
Руководитель Порфирьев Алексей Петрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)
Ключевые слова Структурированные лазерные пучки, поляризационно-модовое состояние, продольная компонента поля, амплитуда, поляризация, лазерная обработка, азополимеры, халькогенидные стекла, микроструктуры, наноструктуры, микрооптика
Код ГРНТИ29.33.47
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последние годы структурированные лазерные пучки со сложным распределением амплитуды, фазы и поляризации всё активнее используются в области прецизионной лазерной обработки материалов. Их использование позволяет контролировать морфологию формируемых на поверхности и в объеме материалов структур как на микро-, так и на нано-уровне. Например, распределение поляризации позволяет задавать ориентацию лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур, а пучки со спиральным волновым фронтом и их суперпозиции могут быть использованы для формирования закрученных микроструктур даже внутри образцов полимерных материалов. Еще больше возможностей появляется при использовании структурированного лазерного излучения при обработке поляризационно-чувствительных материалов, таких как различные азополимеры и халькогенидные стекла (ХС). Многослойные структуры на основе халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХС) и азополимеры являются перспективными оптически чувствительными материалами, используемыми для динамических систем оптического преобразования и передачи сигналов, записи и хранения данных. Такие материалы способны изменять своё состояние под воздействием лазерного излучения не только в зависимости от амплитуды, но и поляризации. Недавние разработки показали высокую чувствительность таких материалов как к поперечным, так и к продольным компонентам светового поля. Их совместный учет должен обеспечить беспрецедентный уровень контроля профилей формируемых в полимерах нано- и микроструктур необходимый для создания различных элементов плоской и трехмерной микро-оптики и компонентов нанофотоники.
Данный проект направлен на разработку методов прямой лазерной записи поверхностных и объемных структур в азополимерах и ХС с заданными профилями за счет использования дополнительных степеней свободы модуляции поляризации, фазы и амплитуды падающего излучения. Такие структуры предполагается формировать за счет применения поляризационно-модовых состояний структурированных световых полей, сформированных с использованием обобщенных методов дифракционной оптики. При этом особое внимание будет уделено исследованию методов формирования световых полей с заданной продольной компонентой поля. Массоперенос, вызванный продольной составляющей света, в случае азополимеров был продемонстрирован с использованием радиально, азимутально и циркулярно поляризованных пучков Бесселя и показал, что чувствительность азополимеров к состоянию поляризации вызывает деформации поверхности, которые пропорциональны именно продольной компоненте электрического поля.
Результаты данного проекта заложат основу для реализации масштабного и дешевого производства анизотропных элементов микрооптики, которые в будущем могут стать элементами более сложных устройств интегральной оптики и биофотоники – например, генераторов световых пучков с орбитальным угловым моментом и цилиндрической поляризацией для реализации передачи информации с модовым уплотнением каналов, а также элементов детектирования поляризации и других характеристик излучения в устройствах приема и обработки сигналов для оптических чипов и процессоров, способных быстро обрабатывать и кодировать информацию.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В соответствии с планом работ на третий год выполнения проекта были разработаны методы формирования световых полей с заданным поляризационно-модовым состоянием с использованием элементов дифракционной оптики, пространственных модуляторов и конвертеров поляризации на основе q-волновых пластинок. Так, был разработан метод формирования световых полей с однородным распределением амплитуды и заданным распределение фазы/поляризации за счёт использования пропускающего пространственного модулятора света HOLOEYE LC 2012 в схеме проекционной литографии. Использование 255-уровневой маски в оттенках серого, выводимой на дисплей модулятора света, позволяет точно контролировать угол линейной поляризации (в диапазоне от 0 до π/2) и значение фазы (в диапазоне от 0 до приблизительно 2π) для каждого пикселя. Для учета влияния фазово-поляризационных преобразований, возникающих при распространении таких световых полей, и расчёта компонент промодулированного поля, формируемого в области облучаемых тонких плёнок, была разработана теория на основе быстрого алгоритма разложения по плоским волнам с модификацией Мансурипура. Это позволило получить несколько интересных результатов, в частности, показать, что возможно формирование спиралевидных микрорельефов при облучении тонких плёнок лазерными пучками, которые обладают однородной амплитудой и чисто радиальной зависимостью фазы и поляризации. Кроме того, по аналогии со вторым годом выполнения проекта была показана возможность формирования спиралевидных микрорельефов при облучении тонких плёнок халькогенидных стёкол лазерными пучками с азимутальной зависимостью поляризации, сформированных модулятором света. И, наконец, был предложен метод формирования световых полей с управляемой фазово-поляризационной структурой за счёт использования комбинации перестраиваемой q-волновой пластинки, формирующей цилиндрическую поляризацию, и дифракционных оптических элементов, формирующих оптические вихревые пучки различных порядков. В последнем случае в зависимости от приложенного к перестраиваемой q-волновой пластинке напряжения (в диапазоне от 0 до 5 В) можно осуществлять либо полное преобразование исходной линейной поляризации в радиальную, либо её частичное преобразование в гибридную линейно-радиальную поляризацию. Данные манипуляции с поляризацией исходного светового поля приводили к появлению асимметрии структуры поля и, соответственно, асимметрии формируемых в тонких плёнках микроструктур. С использованием разработанных методов были изготовлены такие микроструктуры, как спиральные микроаксиконы высокого порядка с различным направлением закрутки и периодом (от 3 до 15 мкм) и высотами рельефа (от 300 до 500 нм), спиральные микрорельефы с контролируемым значением выпуклости/вогнутости кривых, описывающих их профили, а также различные типы симметричных (кольца и микровыступы) и асимметричных микроструктур.
Во время выполнения этих работ также были реализованы различные вспомогательные методы для изучения свойств формируемых световых пучков, например, восстановление структуры поляризации поля за счёт использования параметров Стокса, получаемых с помощью поляризационной видеокамеры и четверть волновой пластинки, которые позволили повысить точность изготовления требуемых микрорельефов за счёт более точного контроля формируемых распределений поляризации. Также рассчитанные и изготовленные бинарные версии дифракционных оптических элементов позволили провести предварительные исследования свойств формируемых цилиндрически и гибридно-поляризованных вихревых пучков, результаты которых были использованы при обработке тонких плёнок с использованием схем, основанных на перестраиваемой q-волновой пластинке.
Таким образом можно сделать выводы о том, что предложенные в проекте подходы управления фазово-поляризационной структурой светового поля позволяют осуществлять полный контроль профилей микроструктур, формируемых в тонких пленках азополимеров и халькогенидных стекол. Разработанные схемы на основе проекционной литографии за счёт поляризационной структуры поля также расширяют арсенал устройств, которые могут быть использованы для реализации высокопродуктивной обработки поляризационно-чувствительных материалов. Кроме того, разработанная в проекте теория позволяет лучше изучить эффекты фазово-поляризационных преобразований, возникающие в таких схемах и оказывающие большое влияние на профили формируемых микрорельефов. Отметим, что результаты, полученные в процессе выполнения работ по проекту, опубликованы в известных международных журналах по оптике (Optics Letters, Physics Letters A), что подтверждает их новизну, а также высокую научную и практическую значимость.
Публикации
1.
Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Ивлиев Н.А., Порфирьев Д.П.
Formation of laser beams with a structured polarization distribution for the fabrication of spiral microreliefs in thin films of chalcogenide glasses
Computer Optics, V. 48, № 5, P. 676-681 (год публикации - 2024)
10.18287/2412-6179-CO-1501
2.
Розен Д., Алфорд С., Аллан Б., Ананд В., Арнон Ш., Арокьярадж Ф.Г., Арт Д., Бай Б., Баласубраманиам Г.М., Бирнбаум Т., Бишт Н.С., Блиндер Д., Цао Л., Чен Ц., Чен Ц., Дубей В., Хонина С.Н, Порфирьев А., Волотовский С.Г. и др.
Roadmap on computational methods in optical imaging and holography [invited]
Applied Physics B , V. 130, P. 166 (год публикации - 2024)
10.1007/s00340-024-08280-3
3.
Хонина С,Н., Устинов А.В., Порфирьев А.П.
Vector analysis of the interference of paired coplanar beams with linear or circular polarization
Computer Optics, V. 48, № 6. P. 858-867 (год публикации - 2024)
10.18287/2412-6179-CO-1510
4.
Дюкарева О.А., Устинов А.В., Хонина С.Н.
Control of the formation and detection of on-axis and off-axis diffraction orders with two-level phase quantization of a vortex lens
Computer Optics, Vol. 49, №1, P. 36-43 (год публикации - 2025)
10.18287/2412-6179-CO-1527
5.
Порфирьев А.П., Хонина С.Н., Порфирьев Д.П., Ивлиев Н.А.
The role of phase–polarization interactions in the laser processing of polarization-sensitive materials
Optics Letters, Vol. 50, No. 1, P. 161-164 (год публикации - 2025)
10.1364/OL.543579
6.
Хонина С.Н., Дегтярев С.А., Порфирьев А.П.
Control of the distribution of spin angular momentum density in optical vortex beams with partially transformed cylindrical polarization
Physics Letters A, Vol. 541, P. 130418 (год публикации - 2025)
10.1016/j.physleta.2025.130418
Возможность практического использования результатов
Результаты по разработке новых методов формирования структурированных световых полей и исследованию фазово-поляризационных преобразований, возникающих при распространении таких световых полей, могут быть внедрены в учебный процесс студентов направлений «Физика», «Прикладные математика и физика», «Фотоника и оптоинформатика», а также сходными с ними. В частности, они могут быть добавлены в такие курсы как «Оптическая информатика», «Дифракционная оптика и нанофотоника», «Синтез элементов оптических систем», читаемых в Самарском университете, в котором работает большинство исполнителей данного проекта. Также проект поспособствовал развитию нового направления исследований в области лазерной обработки тонких плёнок поляризационно-чувствительных материалов с помощью структурированных лазерных пучков, что подтверждается циклом публикаций по данной тематике, опубликованным в ведущих международных журналах по оптике.
Кроме того, выполнение данного проекта обеспечивает эффективную передачу накопленного опыта и наработок в области формирования структурированных лазерных пучков и их использования для лазерной обработки материалов молодым специалистам и аспирантами, которые были вовлечены в выполнение проекта. В частности, это позволило некоторым из них получить престижные награды – так, участник проекта П.А. Хорин (годы участия в проекте 2022-2023) в 2023 году получил медаль Российской академии наук по направлению "Общая физика и астрономия" за его работу "Аксиконоподобные оптические элементы для формирования и детектирования лазерного излучения" совместно с Д.А. Савельевым и С.А. Дегтяревым.