Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка лазерно-индуцированного метода создания регулярных фазовых оптических структур с высоким контрастом показателя преломления для томографических калибровочных элементов.

Докладчик: Курушкин Михаил Вячеславович

Должность: инженер

Цель проекта:
Разработка метода создания функциональных фазовых регулярных структур на основе фемтосекундной лазерной записи в оптических стеклах для организации промышленного производства элементной базы отечественных медицинских томографов и, как стратегический результат, повышение качества и достоверности диагностики, проводимой методом оптической когерентной томографии. Еще одной более глобальной целью проекта является разработка технологических основ, использующих лазерно-индуцированные процессы и лазерные технологии при производстве максимально широкого круга элементов и устройств, работа которых основана на использовании элементов пространственного управления световыми пучками (оптические компьютеры, системы безопасности, биологические и химические сенсоры и т.д.).

Основные планируемые результаты проекта:
В работе планируется получить и исследовать объекты, изготовленные из фосфатных (боратных) стекол, содержащих в своем составе щелочные металлы. Все предполагаемые к использованию материалы легкодоступны и относительно недороги. Это же можно сказать и о процессе синтеза, а также последующей обработки собственно объектов из стекла.
Сам синтез может проводиться в электрических печах в нейтральной или окислительной атмосфере при относительно невысоких температурах (до 1300-1350оС). Исходная шихта предварительно измельчается в шаровой мельнице. В некоторых случаях целесообразно проводить синтез из растворов, которые предварительно упариваются до твердого состояния. Необходимо отметить, что используемая методика не представляет какой-либо угрозы для окружающей среды, поскольку речь идет о синтезе сравнительно небольших количеств нетоксичных и малотоксичных составов.
В настоящем проекте предполагается исследовать комплекс процессов, возникающих при воздействии лазерного излучения на термодинамически неравновесную (относительно кристалла того же состава) аморфную конденсированную систему, приводящих систему к еще более неравновесному состоянию.
Особое внимание здесь будет уделяться исследованию миграционных характеристик моновалентных ионов как в случае индивидуальной, так и групповой миграции. При этом будет учитываться влияние градиентов температуры, давления и концентраций, а также наличие возможных механических напряжений и фазовых переходов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Успешное выполнение проекта позволит разработать новый эффективный способ получения высококонтрастных фазовых элементов с высоким градиентом показателя преломления. Простота реализации идеи лазерной записи в стеклообразных материалах и отсутствие необходимости использования сложного оборудования, трудоемких и длительных методик (таких, как ионный обмен из
расплавов солей), а также отсутствие токсичных веществ позволяет предложить отечественным предприятиям упрощенный экологически чистый способ относительно быстрого получения элементов градиентной оптики. После проведения дополнительных исследований с целью оптимизации составов стекол с необходимыми потенциальному заказчику свойствами, выбору наиболее подходящего сырья, уточнению типа оборудования и параметров лазерной записи для достижения максимального выхода готовых изделий по разработанной методике, будет возможно ее внедрение на отечественных предприятиях.
Предлагаемые в проекте технические решения, включающие как синтез нового класса оптических стекол с управляемыми оптическими параметрами, так и методики фемтосекундной лазерной записи являются эффективными, безопасными и экологичными, не требующими использования токсичных веществ и сложных многостадийных технологических процессов. Синтез оптических стекол может производиться в
открытых тиглях, без использования специфической атмосферы, систем откачки и т.п., фемтосекундная лазерная запись может быть реализована с использованием широкого диапазона параметров лазерного воздействия, а значит, после адаптации может быть реализована на базе различных лазерных комплексов (не требуется создание уникальных установок, что позволяет обеспечивать масштабное тиражирование разрабатываемых методик).
Практическое воплощение представленного выше подхода к получению и теоретическому описанию стеклообразных объектов позволяет говорить о создании принципиально новой технологии и получению с ее использованием новых оптических материалов с набором наперед заданных характеристик.
Все перечисленные особенности предлагаемых к реализации в рамках проекта технических решений смогут обеспечить реальное конкурентное преимущество запланированных к получению научных результатов и значительное снижение издержек производства. Кроме того следует отметить возможность полной автоматизации процесса формирования высококонтрастных фазовых элементов методом фемтосекундной лазерной записи за счет обеспечения компьютерного контроля всех критических параметров лазерного воздействия (скорость сканирования, мощность лазерного излучения, позиционирование лазерного луча, в том числе, глубина фокусировки и т.д.).
В связи с масштабностью потенциального применения результатов предлагаемого проекта можно с большой долей вероятности прогнозировать высокий экономический и социальный эффект от внедрения запланированной к получению продукции, связанный с повышением качества и достоверности диагностики, проводимой методом оптической когерентной томографии. Кроме того, следует отметить, что экономический эффект следует ожидать от всего ряда разрабатываемых технических решений – от методик синтеза объемных образцов стекол с заданными оптическими параметрами и до методик лазерной записи функциональных элементов и методик контроля их параметров.
Планируемый высокий социально-экономический эффект от внедрения запланированной к получению продукции возможен при сохранении нынешних темпов роста рынка оптических томографов и элементов управления оптическими сигналами.

Текущие результаты проекта:
Проведен обзор научно-информационных источников, включая научно-техническую, нормативную и методическую литературу, а так же монографии и публикации в отечественных и международных научных журналах, отражающих современное представление о возможностях модификации стеклообразных материалов различными методами. Показана необходимость использования калибровочных элементов в рутинной работе оптических томографов, в противном случае информативность получаемых изображений падает и теряется возможность ранней диагностики. Рассмотрены и классифицированы методы формирования локальных фазовых структур в объеме и на поверхности стекол. Обнаружено, что максимальный контраст показателя преломления в стеклах с рабочим спектральным диапазоном в видимой области, как правило, не превышает 10-3 от значения объемного показателя преломления матрицы стекла. Показано, что наиболее перспективными методами формирования локальных высококонтрастных структур в объеме стекла можно считать лазерные методы.
Проведено сравнение и предложены варианты возможных решений, в том числе по способам формирования периодических структур в объеме стекла, увеличения контраста показателя преломления этих структур по отношению к матрице стекла, реализации механизмов модификации в объеме стекла, приводящих к формированию локальных высококонтрастных структур.
Предложены составы фосфатных и боратных стекол, которые должны обеспечить широкое экспериментальное исследование возможности формирования регулярных фазовых оптических структур с высоким контрастом показателя преломления за счет явления лазерно-индуцированной миграции компонентов стекла.