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

Номер контракта: 14.577.21.0115

Руководитель: Одиноков Сергей Борисович

Должность: ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
голограммный оптический элемент, дифракционный оптический элемент, функциональный поверхностный микрорельеф, наноструктурированое покрытие, глубина поверхностного микрорельефа, узор микрорельефа, бинарный микрорельеф, многоуровневый микрорельеф, наноструктурированная толщина покрытия, плазмонный спектральный фильтр, плазмонная решетка и голограмма, наноструктурированный узор покрытия, атомарная очистка поверхности, тонкопленочная технология, плазмохимическое травление стекла, совмещение фотошаблонов

Цель проекта:
1. Реализуемый проект направлен на решение проблемы технологического обеспечения заданных эксплуатационных характеристик дифракционных оптических элементов (ДОЭ) и голограммных оптических элементов (ГОЭ), выполненных в виде тонкопленочных наноматериалов, нанесенных на наноструктурированный рельеф стеклянной подложки. 2. Целью реализуемого 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.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В ходе выполнения проекта будут получены следующие результаты:
- лабораторная технология получения комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов (ГОЭ-ДОЭ) с плазмонными решетками на основе методов электронно-лучевой или лазерной литографии, метода ионного плазмо - химического травления поверхностного фазово-оптического рельефа стеклянных подложек;
- математическая модель комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками, обеспечивающими изменение их оптических характеристик;
- программная документация на синтез геометрических параметров плазмонных решеток как спектральных фильтров с изменяемой спектрально-угловой селективностью и учетом выбранных типов наноматериалов, интегрированных с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом комбинированных ГОЭ-ДОЭ на единой стеклянной подложке;
- экспериментальные образцы комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками, изготовленных на единой стеклянной подложке.
2. Разработанная технология получения экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками должна обеспечить изготовление структуры ГОЭ-ДОЭ на единой стеклянной подложке, причем на одной стороне которой должен быть сформирован фазово-оптический микрорельеф, обеспечивающий функции фокусировки и преобразования волновых фронтов света, а на второй стороне должны быть сформированы плазмонные решетки в наноструктурированных металлодиэлектрических слоях, работающие как спектральные фильтры с изменяемыми сдвигом, шириной полосы и коэффициентом спектрального пропускания в зависимости от углов падения полихроматических световых пучков.
Основные технические параметры и характеристики разрабатываемых экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ:
1) регулируемое смещение полосы пропускания спектрального коэффициента пропускания (отражения) во всем видимом диапазоне длин волн 400-750 нм при изменении углов падения полихроматического излучения в пределах от 0 до 80 град;
2) регулируемое изменение ширины полосы пропускания спектрального коэффициента пропускания (отражения ) от 50 нм до 150 нм в видимом диапазоне длин волн 400-750 нм при изменении углов падения полихроматического излучения в пределах от 0 до 80 град;
3) дифракционную эффективность в пределах от 40 % и до 90 %;
4) материал подложки – оптическое стекло или его аналоги;
5) размеры стеклянных подложек ГОЭ–ДОЭ:
- круглые: диаметром от 20 мм до 100 мм и толщиной от 1 мм до 10 мм;
- прямоугольные: длиной от 20 х 20 мм до 125 х 125 мм и толщиной от 1 мм до 10 мм.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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. Впервые будет осуществлено комплексное исследование, результатом которого явится разработка нового метода синтеза комбинированных ГОЭ-ДОЭ с изменяемой спектрально-угловой селективностью и технологическое обеспечение требуемых их оптических свойств на основе построения технологического процесса изготовления в соответствии с аналитически установленными условиями выполнения операций микро-наноструктурирования покрытий с оптимизацией технологического наследования дифрагирующих свойств.
3. Основные преимущества заявляемого результата по сравнению с аналогами ГОЭ-ДОЭ (Институт Автоматики и Электрометриии Со РАН и S.Kawata,Osaka University, Japan):
- регулируемая угловая селективность от 0 до 80 град. и регулируемая спектральная селективность с изменяемой шириной полосы 50-150 нм в диапазоне длин волн 400-700 нм (у аналогов - регулируемая спектральная селективность с шириной полосы 100-150 нм в диапазоне длин волн 400-700 нм);
- материал - стекло (у аналогов - фоторезист);
- дифракционная эффективность - регулируемая от 40 до 90 % (у аналогов - не регулируемая, не более 70%);
- условия работы - от минус 50 град. до плюс 60 град., влажность до 95 % ( у аналогов - лабораторные условия);
- максимум пропускания (для длины волны 500 нм)/ширина полосы спектрального фильтра - 97 %/0.045 нм (у аналогов - до 90 %/0.06 нм).
4. Для достижения заявленных результатов проекта будут применяться, в первую очередь, аналитические методы расчета на основе решения задач электромагнитной теории дифракции для определения оптимальных параметров поверхностного микрорельефа (период, глубина и геометрическая форма рельефа) элементов комбинированной структуры ГОЭ-ДОЭ для улучшения ее оптических параметров. Во-вторых, экспериментальные методы (лазерная технология получения, электронно-лучевая литография, плазмохимическое травление) для получения экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ и отработки технологии их получения.
Оценка научно-технических рисков:
4.1 Технический риск:
- недостижение запланированных технических параметров и характеристик экспериментальных образцов.
Меры устранения - подбор элементной базы по критерию обеспечения наивысших точностных характеристик и параметров качества.
4.2 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:
1) Результаты проекта окажут влияние на повышение уровня оптико-электронной промышленности в части создания нового поколения миниатюрных оптических и оптико-электронных систем.
2) Основные перспективные области использования ГОЭ-ДОЭ, комбинированных с плазмонными решетками:
- миниатюрные 3D дисплеи цветных объемных изображений на основе плазмонных голограмм;
- миниатюрные многоцветные индикаторы знако-символьной информации на лобовое стекло автомобилей;
- потолочные многоцветные индикаторы знако-символьной информации для гражданских самолетов;
- бытовые очки типа Google glass;
- элементы в оптических системах объективов цифровых фото-видео-аппаратов для компенсации хроматизма и уменьшение массо-габаритных параметров (например, в 2 раза для телеобъектива апохромата серии Canon EF 400mm f/4 DO IS USM);
- тонкопленочные концентраторы солнечной энергии, наносимые на поверхность фото-вольтаической панели (фотобатарей) для увеличения концентрации солнечной энергии и повышения их общего КПД на 10-15;
- элементы с чистыми спектральными цветными изображениями на защитных голограммах, используемых на документах против фальсификаций и подделки;
- оптические головки систем записи и хранения информации на основе мультигигабайтных голографических дисков;
- спектральные мультиплексоры-демультиплексоры в волоконно-оптических линиях связи.
3) Полученные результаты послужат базой для технологии наноустройств и микросистемной техники, включающей создание фазово-оптических, дифракционных и голограммных оптических элементов на основе тонкопленочных наноматериалов и наноструктурированных стекол с изменяемыми спектрально-угловыми характеристиками, полученных методами плазмохимического травления и плазмонных эффектов в металлодиэлектрических пленках.
4) Создание наноструктурированных оптических деталей, типа комбинированные ГОЭ-ДОЭ, в оптико-электронных приборах нового поколения позволит существенно снизить массо-габаритные параметры, а также материалоемкость этих приборов и, как следствие, трудоемкость их изготовления. Одновременно повысятся требования к квалификации обслуживающего эти приборы персонала, что, в свою очередь, явится стимулятором жизненно важной проблемы повышения качества народного образования.

Текущие результаты проекта:
Результаты, полученные за счет бюджетного финансирования:
1) Проведен выбор ключевых операций технологического процесса изготовления экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ для подтверждения результатов, полученных при математическом моделировании;
2) Разработан технологический маршрут получения экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом на одной стороне, получаемых методами электронно-лучевой и лазерной литографии, и плазмонными решетками с наноструктурированным рельефом с другой стороны единой стеклянной подложки, получаемых методом плазмо-химического травления.
Результаты, полученные за счет внебюджетного финансирования:
3) Разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на технологическую оснастку для получения ГОЭ-ДОЭ методами электронно-лучевой или лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления (работы за счет внебюджетного финансирования);
4) Изготовлена технологическая оснастка для получения ГОЭ-ДОЭ методами электронно-лучевой или лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления.
5) Закуплено технологическое оборудование.
6) Изготовлены тестовые слои металлизированных покрытий для рельефно-фазовых дифракционных решеток, полученных в диэлектрических
слоях наноструктурированных материалов.
7) Проведено материально-техническое обеспечение работ, связанных с выбором ключевых операций и разработке технологического маршрута.
Выполнение индикаторов и показателей:
- внебюджетное финансирование - 4,3 млн. руб.;
- число публикаций по результатам исследований и разработок в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science) - 2 шт.;
- число патентных заявок, поданных по результатам исследований и разработок - 1 шт;
- Доля исследователей в возрасте до 39 лет в общей численности исследователей - участников проекта - 80 %;
- средний возраст участников проекта - 37 лет;
- Количество мероприятий по демонстрации и популяризации результатов и достижений науки, в которых приняла участие и представила результаты проекта организация - исполнитель проекта - 5 шт.