Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0115

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0115
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
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
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
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.
Задачи 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.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта связана с возникающими требованиями, предъявляемыми к новому поколению миниатюрных оптических и оптико-электронных систем (ООЭС):
1) минимизация массо-габаритных параметров, позволяющая создавать миниатюрные и микроминиатюрные ООЭС;
2) снижение величин хроматических аберраций за счет комбинации линзовых, призменных, дифракционных и других оптических элементов;
3) возможность фиксированного или регулируемого изменения некоторых параметров и характеристик ООЭС, например, спектральными характеристиками пропускания-отражения, разрешающей способностью и др.;
4) нерасстраиваемость оптических систем в процессе эксплуатации из-за вибраций, ударов и климатических воздействий, что обеспечивается использованием в ООЭС оптических элементов в интегральном исполнении на единой оптической подложке.
В рамках традиционной (линзовой) оптики полностью обеспечить данные требования не представляется возможным для миниатюрных оптических и оптико-электронных систем. Новизна научных решений заключается в применении плазмонных дифракционных решеток взамен многослойных оптических покрытий.
Новизна технологических решений заключается в применении для изготовления комбинированных ГОЭ-ДОЭ комплекса методов, включающего электронно-лучевую литографию и плазмохимическое травление на единой подложке. Новизна применявшихся методик заключается в создании оптических стендов для наблюдения как плазмонных эффектов, так и их влияния на эксплуатационные свойства изделия.
Описание исследования

Взаимосвязь между качеством изображения и параметрами поверхностного микро­рельефа (период, глубина и геометрическая форма рельефа) ГОЭ-ДОЭ устанавливалась аналитическим методом на основе решения задач электромагнитной (векторной) теории дифракции. Новизна заключается в том, что существующие теории и методы расчета микрорельефа ГОЭ-ДОЭ используют преимущественно геометрический и скалярный подходы, в отличие от предлагаемого фундаментального подхода решения задач электромагнитной (векторной) теории дифракции. Взаимосвязь между требуемыми свойствами изделия и параметрами спектрального фильтра на основе плазмонных решеток определялась методами решений фундаментальных урав­нений электромагнитной теории Максвелла, в частности методом Фурье-мод,  принимая в качестве граничных условий искомый наноструктурированный рельеф. Особенность предлагаемого метода решения обусловлена тем, что, осуществляя известные к настоящему времени расчеты, основанные на решении урав­нений Максвелла, исследователи не принимают во внимание технологическую наследст­венность погрешностей, передающихся по цепочке технологических операций. 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). Взаимосвязь между требуемыми характеристиками поверхностного микрорельефа ГОЭ-ДОЭ и режимами основных технологических операций ПХТ стекол устанавливались экспериментальными методами на установках, представляющих собой усовершенство­ванное в лабораторных условиях технологическое оборудование. Существующие режимы выполнения основных технологических операций носят категорически императивный характер при сугубо эмпирическом подходе к технологиче­скому обеспечению требуемых характеристик микрорельефа, в отличие от предлагаемого подхода, основанного на аналитических исследованиях и компьютерном моделиро­вании самих технологических операций. Новизна этого подхода заключается в примене­нии метода планирования многофакторного эксперимента для исследования технологических операций как стохастических процессов, что позволило оптимизировать технологические процессы. Необходимость про­ведения реализованных исследований была обусловлена  отсутствием возможности пользоваться существующими техническими решениями для повышения качества изображения в приборах нового поколения, неоптимальной на­правленностью существующих методов расчета ГОЭ-ДОЭ, неполнотой и неосмысленностью существующих технологий изготовления ГОЭ-ДОЭ. Объектом исследования являлись де­тали из оптических материалов, в особенности из оптического стекла, с наноструктурированными поверхностными слоями. При этом наност­руктурированный слой рассматривался как оптическое покрытие на поверхности оптиче­ской детали. Предметом исследования являлось теоретическое обоснование и практическая реализация технологии создания наноструктурированных слоёв.Общая схема исследования включала в себя аналитическую, экспериментальную и инновационную компоненты. Аналитические исследования устанавливали взаимосвязи между требуемыми эксплуатационно-климатическими параметрами и характеристиками оптических деталей как составных частей оптических и оптико-электронных систем но­вого поколения и параметрами микро и наноструктуры поверхностного слоя ДОЭ-ГОЭ, с формированием этих параметров в результате технологической наследственности при выполнении последовательности основных операций технологического процесса. По окончании работ, планируемых к реализации в рамках предлагаемых исследо­ваний, функциональная модификация поверхностных рельефов будет расширена на новый класс оптических деталей – голограммные и дифракционные оптические элементы. Экспе­риментальные исследования устанавливали требуемые для достижения расчетных пара­метров  микро и наноструктурированных поверхностных рельефов соответствующие ре­жимы выполнения основных технологических операций. Полученные результаты позволили существенно расширить технологические возможности наноструктурирования как по толщине поверхностного слоя, так и по самой функциональной поверхно­сти за счет создания  расчетного рисунка микрорельефа. Полученные наработки являются основой для дальнейших исследований, направленных на ис­пользование инфракрасной и ультрафиолетовой частей спектра оптических излучений. 

Результаты исследования

Основные результаты исследований:

Разработано и создано новое поколение изделий с  пониженными массо-габаритными параметрами на основе «плоской» оптики 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 или монохроматического излучения, предназначенных для применения в  миниатюрных оптических и оптико-электронных системах.

Результаты исследований отражены в патентах: 1) Полезная модель, патент № 161625 от 27.04.2016 г. «Комбинированный дифракционный оптический элемент для канала геометрического эталона углоизмерительного прибора», РФ. 2) Полезная модель, патент № 164392 от 27.08.2016 г. «Носитель для плазмохимического травления подложки из диэлектрических материалов», РФ.

Сравнение интерференционных и плазмонных спектральных фильтров:

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).

Технические параметры и характеристики комбинированных ГОЭ-ДОЭ:

- регулируемая дифракционная 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;

- уменьшение массы элементов на 15-20 % по сравнению с аналогами.

Условия работы: 

- температура: от  -50 0С  до +60 0С;

- влажность - до 95%;

- допускается протирка батистовой тканью с использованием моющих растворов, содержащих поверхностно-активные веществ. 

 

Практическая значимость исследования
Применение комбинированных ГОЭ-ДОЭ в новом поколении миниатюрных оптических устройств, оптико-электронных приборов и систем, позволит дополнительно обеспечить в них улучшенную спектрально-угловую селективность проходящего (отраженного) оптического излучения и создать цветные (многоцветные) изображения.

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 знако-символьной информации для гражданских самолетов;
4) бытовые очки типа Google glass;
5) элементы в оптических системах объективов цифровых фото-видеоаппаратов 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 (фотобатарей) 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;
10) нерасстраиваемые геометрические эталоны для углоизмерительных приборов ориентации по звёздам космических летательных аппаратов.
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.