Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения нового поколения комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов с изменяемыми оптическими характеристиками на основе тонкопленочных наноматериалов и наноструктурированных стекол

Докладчик: Одиноков Сергей Борисович

Должность: профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
При использовании ГОЭ-ДОЭ в оптических и оптико-электронных системах формирования изображений в 3D дисплеях и индикаторах знако-символьной информации, например, при формировании цветных (многоцветных) изображений возникает значительное хроматическое размытие, разрушающее это изображение. Решение данной проблемы возможно за счет: - формирования на одной поверхности ГОЭ-ДОЭ поверхностного фазового микро-наноструктурированного рельефа непосредственно в оптических стеклах (кварц, ситалл и др.) методом плазмохимического ионного травления (ПХТ); - формирования на другой поверхности ГОЭ-ДОЭ поверхностных наноструктурированных плазмонных решеток в металлодиэлектрических слоях, работающих в качестве спектральных фильтров, селектирующих падающий на ГОЭ-ДОЭ свет по длинам волн с возможностью регулируемого изменения сдвига и ширины полосы фильтра. Представленный проект является продолжением ранее успешно завершенных работ по Соглашению Министерства образования и науки РФ № 14.В37.12.0739 (от 24.08.2012г.) «Разработка и исследование малогабаритных оптических систем с голограммными оптическими элементами для отображения информации на дисплеях и индикаторах», по государственному контракту № П950 (от 27.05.2010г.) «Разработка и исследование фазовых микрооптических элементов с многоуровневым рельефом поверхности для тонкопленочных голограмм». Целью проекта является разработка технологии и создание экспериментальных образцов комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов с изменяемыми оптическими характеристиками для миниатюрных оптических и оптико-электронных систем. Научное содержание проекта: 1) разработка технологии получения экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом на одной стороне, получаемых методами электронно-лучевой или лазерной литографии, и плазмонными решетками с наноструктурированным рельефом с другой стороны единой стеклянной подложки, получаемых методом плазмо-химического травления (ПХТ); 2) определение взаимосвязи между качеством изображения, формируемого ГОЭ-ДОЭ и требуемыми параметрами их фазового поверхностного микрорельефа; 3) определение взаимосвязи между параметрами и характеристиками ГОЭ-ДОЭ как спектрального фильтра и свойствами и параметрами плазмонных решеток, сформированных в виде наноструктур в металлодиэлектрических слоях (пленках); 4) определение взаимосвязи между параметрами поверхностного микрорельефа рабочих поверхностей ГОЭ-ДОЭ и режимами выполнения основных технологических операций при их изготовлении методом ПХТ.

Основные планируемые результаты проекта:
Ожидаемые результаты
1) Разработка и создание нового поколения оптических элементов на основе «плоской» оптики с пониженными массо-габаритными параметрами в виде голограммных и дифракционных оптических элементов (ГОЭ-ДОЭ) комбинированных с плазмонными решетками, выполняющих функции фокусирования, преобразования волновых фронтов света и спектрально-угловой селекции падающего полихроматического излучения, применительно для миниатюрных оптических и оптико-электронных систем.
2) Комбинированные ГОЭ-ДОЭ позволяют обеспечить следующие основные параметры:
- регулируемую дифракционную эффективность в пределах от 40 % и до 90 %;
- регулируемое смещение полосы пропускания спектрального коэффициента пропускания (отражения) полихроматического излучения в видимом диапазоне длин волн 400-750 нм при изменении углов падения излучения в пределах от 0 до 80 град;
- регулируемое изменение ширины полосы пропускания спектрального коэффициента пропускания (отражения) в диапазоне от 50 нм до 150 нм для полихроматического излучения в видимом диапазоне длин волн 400-750 нм;
- формирование цветных изображений восстанавливаемых с голограмм;
- уменьшение массы элементов на 15-20 % по сравнению с аналогами.
3) Комбинированные ГОЭ-ДОЭ позволяют обеспечить работу в расширенном диапазоне эксплуатационно-климатических условий в пределах от -50 град.С до +60 град.С, влажности - до 95%, допускают протирку моющими растворами, а также уменьшают разъюстировку оптических систем из-за вибраций и ударов за счет изготовления элементов в интегральном исполнении на единой подложке из оптического стекла.

При сравнении с интерференционными спектральными фильтрами, плазмонные спектральные фильтры имеют существенные преимущества:
1) плазмонные фильтры успешно работают в наклонных пучках, в то время как спектральная характеристика интерференционного фильтра в наклонных пучках резко ухудшается;
2) ширина полосы пропускания плазмонного фильтра при малом количестве слоев (например, 2-4 слоя) значительно уже, чем для интерференционного фильтра (например 27 слоев), что значительно упрощает их технологию изготовления;
3) ширина полосы плазмонного фильтра легко регулируется числом слоев (минимум 2 слоя).


Новизна предлагаемого подхода заключается в динамичности граничных условий решаемых дифференциальных уравнений в условиях наличия неизбежных технологических погрешностей, возникающих при выполнении различных технологических операций ПХТ и нанесения слоев (пленок).

Существующие теории и методы расчета микрорельефа ГОЭ-ДОЭ используют преимущественно геометрический и скалярный подходы, в отличие от предлагаемого нами фундаментального подхода решения задач электромагнитной (векторной) теории дифракции.

Предполагаются следующие способы достижения заявленных результатов.
Взаимосвязь между качеством изображения и параметрами поверхностного микро-рельефа (период, глубина и геометрическая форма рельефа) ГОЭ-ДОЭ устанавливается аналитическими методами на основе решения задач электромагнитной (векторной) теории дифракции.
Взаимосвязь между требуемыми свойствами и параметрами спектрального фильтра на основе плазмонных решеток определяется методами решений фундаментальных уравнений электромагнитной теории Максвелла, в частности методом Фурье-мод принимая в качестве граничных условий искомый наноструктурированный рельеф.
Взаимосвязь между требуемыми характеристиками поверхностного микрорельефа ГОЭ-ДОЭ и режимами основных технологических операций ПХТ стекол устанавливается экспериментальными методами на установках, представляющих собой усовершенствованное в лабораторных условиях технологическое оборудование.
Изложенные подходы свидетельствуют о последовательности и направленности к достижению поставленной цели решаемых задач.

Мероприятия по информированию общественности о ходе и результатах выполнения ПНИ:
1) Представление результатов проекта на сайте организации;
2) Выступление на российских и международных конференциях;
3) Участие в выставках;
4) Публикация отчетов по результатам работ на сайте организации исполнителя

Оценка научно-технических рисков:
1) Технический риск:
- недостижение запланированных технических параметров и характеристик экспериментальных образцов. Меры устранения - подбор элементной базы по критерию обеспечения наивысших точностных характеристик.
2) Производственный риск:
- Сбой в снабжении сырьем, материалами, комплектующими для создания образцов и макетов.
Меры устранения – изучить рынок поставляемых материалов и комплектующих, и иметь альтернативного Поставщика материалов.
Риск, связанный с изготовлением оптических и механических деталей и узлов для создаваемых макетов минимален. Налажено тесное сотрудничество со многими производственными предприятиями и заводами.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основными применениями ГОЭ-ДОЭ, комбинированных с плазмонными решетками, являются:
1) миниатюрные 3D дисплеи цветных объемных изображений на основе плазмонных голограмм;
2) миниатюрные многоцветные индикаторы знако-символьной информации на лобовое стекло автомобилей;
3) потолочные многоцветные индикаторы знакосимвольной информации для гражданских самолетов;
4) бытовые очки типа Google glass;
5) элементы в оптических системах объективов цифровых фото-видео-аппаратов для компенсация хроматизма и уменьшение массо-габаритных параметров (например, в 2 раза для телеобъектива апохромата серии Canon EF 400mm f/4 DO IS USM);
6) тонкопленочные концентраторы солнечной энергии, наносимые на поверхность солнечных элементов для увеличения концентрации солнечной энергии и повышения их общего КПД на 10-15;
7) элементы с чистыми спектральными цветными изображениями на защитных голограммах, используемых на документах против фальсификаций и подделки;
8) оптические головки систем записи и хранения информации на основе мультигигабайтных голографических дисков;
9) спектральные мультиплексоры-демультиплексоры в волоконно-оптических линиях связи.

Возможные потребители ожидаемых результатов:

ООО "Микро и наноголографические системы" (Москва) – Индустриальный партнер. Общество является коммерческой организацией, преследующей в качестве цели деятельности компании развитие инновационных процессов и коммерциализация результатов научных исследований, опытно-конструкторских, технологических разработок, образовательных технологий МГТУ им. Н.Э. Баумана.

а также другие организации потребители:
- ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (Моск. обл.);
- Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С.П. Королева (СГАУ);
- СПб НИУ ИТМО – С.Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики;
- ОАО «ЦКБ «Точприбор» (Новосибирск);
- ОАО Лыткаринский завод оптического стекла – «ЛЗОС» (Моск. Обл.)
- ОАО "Государственный Оптический Институт им. С.И. Вавилова" (Санкт-Петербург).
- ОАО «Новосибирский приборостроительный завод» (ОАО НПЗ);
- ОАО "НПО "Геофизика-Космос" (Москва);
- ОАО "НПО "Криптен" (Дубна, Моск. обл.);
- Институт криминалистики ФСБ РФ (Москва);
- ФГУП "НИИПХ" (г. Сергиев Посад, Моск. обл.);
- ЗАО "ХолоГрэйт« (С-Петербург);
- Самарский Институт систем обработки изображений (ИСОИ РАН);
- Edmund optics (Германия), Demax (Болгария), Kinemax (Польша), Optical Security (Англия).

Текущие результаты проекта:
АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Разработана математическая модель комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками. Модель позволяет строить профиль ДОЭ-ГОЭ по заданным волновому фронту и спектрально-угловой селективности.
Обоснован метод решения уравнений электромагнитной теории применительно к комбинированным ГОЭ-ДОЭ. Метод позволяет учитывать технологические погрешности производства и отклонения в свойствах выбранных наноматериалов.
РАСЧЕТНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Разработано программное обеспечение для анализа спектрально-угловых характеристик комбинированных ГОЭ-ДОЭ методом фурье-мод.
Произведено численное моделирование параметров и характеристик комбинированных ГОЭ-ДОЭ методом фурье-мод. При этом установлены закономерности сходимости решения в зависимости от числа фурье-гармоник и числа аппроксимирующих слоев.
Разработано программное обеспечение для определения толщины слоев металлизированных покрытий плазмонных дифракционных решеток. Программное обеспечение позволяет оптимизировать толщину слоев на основе экспериментальных исследований.
МЕТОДИЧЕСКИЙЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Разработаны методы синтеза комбинированных ГОЭ-ДОЭ с использованием электронно-лучевой и лазерной литографии;
Разработаны методические рекомендации по анализу спектрально-угловых характеристик комбинированных ГОЭ-ДОЭ;
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Выбраны типы наноматериалов, позволяющих оптимизировать характеристики спектральных фильтров на основе варьирования их параметрами. Установлены технологические особенности выбранных материалов;
Закуплено новое технологическое оборудование
Изготовлены тестовые образцы ГОЭ-ДОЭ, подтверждающие разработанную математическую модель;
Спектрально-угловые характеристики тестовых образцов комбинированных ДОЭ-ГОЭ исследованы экспериментально. На основании этих экспериментов подтверждена разработанная математическая модель