Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.576.21.0003

Руководитель: Соколов Иван Аристидович

Должность: ведущий инженер

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
оптические фазовые элементы, фемтосекундная лазерная запись, структуры с высоким контрастом показателя преломления, наноразмерная градиентная зона, томографические калибровочные элементы.

Цель проекта:
Целью проекта является 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.). В задачи проекта входит исследование миграционных процессов в твердых стеклах, приводящих к появлению под воздействием лазерного излучения локального градиента химического состава и структуры, и, как результат, к значительному изменению физико-химических свойств, а также в определенных случаях и к формированию наноструктурированных фаз.

Основные планируемые результаты проекта:
Проводимые исследования позволят предложить описание миграционных процессов в крайне неравновесных системах и условиях, определяемых как физическими, так и химическими факторами. Полученные результаты будут представлять несомненный научный и практический интерес при разработке функциональных элементов фотоники нового поколения с возможностью обеспечения более широкого диапазона задаваемых параметров и характеристик.
Выполнение плана исследований позволит решить поставленные в проекте задачи, разработать эффективные способы создания высококонтрастных фазовых элементов для организации промышленного производства элементной базы отечественных медицинских томографов и, как стратегический результат, обеспечит повышение качества и достоверности диагностики, проводимой методом оптической когерентной томографии.
Разрабатываемый способ формирования высококонтрастных фазовых структур для создания томографических элементов превосходит современные зарубежные аналоги по контрасту показателя преломления, что обеспечивает высокую конкурентоспособность конечного продукта.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Чрезвычайно перспективным и актуальным применением оптических компонентов, содержащих структуры с высоким контрастом показателя преломления и наноразмерными зонами градиента, является разработка и создание калибровочных элементов для оптических когерентных томографов (optical coherence tomograph – OCT). В настоящее время OCT системы находят чрезвычайно широкое применение в биомедицине для получения изображения исследуемых объектов с высоким пространственным разрешением in vivo и используются в офтальмологии, кардиологии, дерматологии, исследовании мозга; а также в промышленности для неразрушающего тестирования оптических чипов, контроля поверхности и т.п.
В настоящее время методики, основанные на применении лазерного излучения, являются основой современных технологий при создании новых материалов и функциональных элементов для большого количества приборов и систем, которые используются при решении задач контроля окружающей среды, телекоммуникаций, медицинских, военных и иных целей. Стратегическую направленность разрабатываемых лазерных методик определяет технологическая платформа «Инновационные лазерные, оптические и оптоэлектронные технологии – фотоника», входящая в Перечень технологических платформ, утвержденных Правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям. Кроме того, разрабатываемые лазерные методики относятся к «Технологиям получения и обработки функциональных наноматериалов», входящим в Перечень критических технологий Российской Федерации от 7 июля 2011 года, а также к Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации: «Информационно-телекоммуникационные системы».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Все ожидаемые результаты проекта могут быть использованы для проведения дальнейших опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, направленных на создание высококонтрастных устройств фотоники нового поколения – оптических элементов управления оптическими сигналами. Успешное выполнение проекта позволит разработать новый эффективный способ получения высококонтрастных фазовых элементов с высоким градиентом показателя преломления. 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.
Анализ современной литературы показывает, что в результате воздействия лазерного излучения может быть получено относительное изменение показателя преломления оптических материалов в пределах 10-4 – 10-3. Это изменение показателя преломления связано с реорганизацией химической структуры - появлением различного рода дефектных связей, механических напряжений и т.д.; при этом, бесконечное увеличение мощности и времени лазерного облучения, как правило, не позволяет достигать большего изменения показателя преломления из-за оптического пробоя и соответственно разрушения материала. В настоящем проекте в объеме стекол созданы фазовые структуры с контрастом показателя преломления до 10-2. Такой результат на 1-2 порядка превосходит результаты мировых аналогов.
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. 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.

Текущие результаты проекта:
В рамках выполнения работ по проекту в 2015 году проведены патентные исследования по тематике научной задачи, исследуемой в ПНИ, а именно, по оптимизации составов стекол на основе щелочно-фосфатных, щелочно-фосфатно-ниобатных, щелочно-борониобатных стеклообразных систем, а также способов записи оптических фазовых структур в стеклообразных оптических материалах с использованием фемтосекундной лазерной записи. Проведена проверка патентоспособности созданных технических решений.
Разработана методика испытаний макета устройства для реализации фемтосекундной лазерной записи и проведены испытания указанного макета устройства. В силу сложного характера физических процессов, протекающих в области сфокусированного лазерного излучения, контроль параметров лазерной системы и экспериментального оборудования является ключевым фактором, обеспечивающим выполнение поставленной в рамках проекта задачи.
Проведен синтез экспериментальных образцов стекол Li2O(Na2O, K2O) – P2O5, и Li2O(Na2O, K2O) – P2O5 – Nb2O5, и Li2O(Na2O, K2O) – В2O3 – Nb2O5, 0,35Ag2O-0,65P2O5, 0,45Ag2O-0,55P2O5, 0,55Ag2O-0,45P2O5, 0,5Ag2O-0,1Nb2O5-0,4P2O5, 0,55Ag2O-0,45P2O5. Исследованы физико-химические свойства синтезированных стекол: определено содержание щелочного металла в исследуемых стеклах, определен показатель преломления синтезированных стекол. С использованием фемтосекундной лазерной записи созданы экспериментальные образцы стекол с фазовыми оптическими структурами и разработана методика испытаний экспериментальных образцов стекол с записанными фазовыми оптическими структурами и экспериментального образца томографического калибровочного элемента, которая позволяет получать количественные характеристики полученных фазовых структур, в том числе, суб-микронного размера.
Разработана эскизная конструкторская документация на макет устройства для измерения контраста показателя преломления в области лазерного воздействия, создан макет устройства и проведены его испытания. Согласно разработанным в эскизной документации параметрам, макет обеспечивает возможность измерения контраста показателя преломления с точностью, достаточной для выполнения требований ТЗ.