Навигация
Новости науки
Структура управления научной деятельностью
Научные направления
Научные мероприятия
Конкурсы и гранты
Программы, проекты
Научные публикации и издания
Повышение квалификации
Диссертационные советы
Защита диссертаций
Лучшие аспиранты
Зимняя школа будущего аспиранта
Интерактив
Научные ресурсы
Электронный архив открытого доступа
НИУ «БелГУ» приглашает
НИУ



НИУ

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

Номер Соглашения о предоставлении субсидии контракта: № 14.578.21.0063

Приоритетное направление: Индустрия наносистем

Критическая технология: Технологии наноустройств и микросистемной техники

Период выполнения: 10.10.2014-30.12.2016

Плановое финансирование проекта:

Бюджетные средства: 35 млн. руб.

Внебюджетные средства: 15.1 млн. руб.

Получатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ «БелГУ»).

Руководитель работ по проекту: доцент кафедры теоретической и математической физики НИУ «БелГУ» А.С. Кубанкин

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью «Марафон».

Организация-соисполнитель: ООО «Интегрированные коммуникации».

Ключевые слова: голограммный оптический элемент, дифракционный оптический элемент, дифракционная решётка, наноструктурирование.

Основные результаты 1 этапа:

1. На основе метода Фурье-мод разработана математическая модель комбинированных ГОЭ-ДОЭ, формирующих заданные волновые фронты света и обеспечивающих заданное изменение спектрального пропускания при изменении углов падения входных пучков света (спектрально-угловой селективности).

2. Обоснован метод решения уравнений электромагнитной теории применительно к комбинированным ГОЭ-ДОЭ с учетом технологических погрешностей процесса их изготовления и выбранных типов тонкопленочных наноматериалов.

3. Выполнено численное моделирование параметров и характеристик образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ методом Фурье-мод, проведено исследование сходимости в зависимости от числа Фурье-гармоник и числа аппроксимирующих слоев с целью обеспечения заданных значений интенсивностей дифракционных порядков.

4. Разработан метод синтеза комбинированных ГОЭ-ДОЭ, сочетающих функции преобразователя волновых фронтов света и плазмонного фильтра с изменяемой спектрально-угловой селективностью.

5. Осуществлён выбор типов наноматериалов и их технологических особенностей для оптимизации параметров и характеристик спектральных фильтров, методов получения комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками и поверхностным фазово-оптическим рельефом стеклянных подложек (методы электронно-лучевой литографии, лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления).

6. Разработано специализированное программное обеспечение для синтеза плазмонных фильтров со спектрально-угловой селекцией с учетом параметров выбранных тонкопленочных наноматериалов.

7. Разработаны тестовые задачи для моделирования работы комбинированных ГОЭ-ДОЭ, иллюстрирующих наличие влияния погрешностей изготовления отдельных операций в цепочке технологического процесса, на качество формируемых ими волновых фронтов света и спектральных характеристик.

8. Разработаны математические модели для расчёта характеристик излучения в областях вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, генерирующегося при взаимодействии нерелятивистских и релятивистских электронов с периодическими средами.

9. Проведено исследование возможностей использования ГОЭ-ДОЭ в областях вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена на основе предполагаемых характеристик изготавливаемых ГОЭ-ДОЭ:

  • выполнен анализ существующих математических моделей в рассматриваемой области;
  • определена оптимальная геометрия дальнейших экспериментов;
  • выполнен анализ характеристик существующих источников вакуумного ультрафиолета, мягкого рентгена и быстрых электронов;
  • выполнен анализ характеристик детекторов вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена;
  • выполнен анализ необходимых характеристик вакуумной системы, гониометров, трансляторов, юстировочных механизмов;
  • разработаны методики измерения сигнала вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена в рамках предполагаемой установки.

10. Проведены пуско-наладочные работы существующих экспериментальных установок для создания ГОЭ-ДОЭ, выполнена оптимизация установок для выполнения запланированных задач.

11. Разработаны и испытаны узлы экспериментальной установки для исследования характеристик излучения, возникающего при взаимодействии вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, а также быстрых электронов с ГОЭ-ДОЭ:

  • вакуумная система с блокировками аварийных ситуаций;
  • стабилизированный источник вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена с программой управления.

Основные результаты 2 этапа:

1. Разработана методика получения комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками на основе методов электронно-лучевой литографии и метода ионного плазмо-химического травления поверхностного фазово-оптического рельефа стеклянных подложек. В качестве основы разрабатываемых элементов были выбраны стеклянные подложки с нанесённым слоем хрома и фоторезиста, что является стандартным подходом при изготовлении дифракционных поверхностных структур. В процессе разработки методики были обнаружены недостатки использовавшихся методов и разработаны подходы для устранения данных недостатков. В качестве основы использовались следующие технологии:

  • электронно-лучевая литография, позволяющая формировать поверхностные структуры с пространственным разрешением менее 10 нм, что в полной мере удовлетворяет требованиям технического задания;
  • ионно-плазмохимическое травление, позволяющее формировать поверхностный рельеф непосредственно на стекле через маску хрома;
  • магнетронное напыление, позволяющее сформировать плёнку серебра на структурированной поверхности стекла, выполняющую функцию плазмонного фильтра.

2. На основе разработанной методики были изготовлены экспериментальные образцы комбинированных ГОЭ-ДОЭ с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом на одной стороне и плазмонными решетками с наноструктурированным рельефом с другой стороны единой стеклянной подложки в количестве 5 шт. Изготовленные образцы будут использованы на следующем этапе при исследовании спектрально-угловых характеристик.

3. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования характеристик излучения, возникающего при взаимодействии вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений, а также быстрых электронов с ГОЭ-ДОЭ. Проведена пуско-наладка созданной экспериментальной установки (определены и подобраны режимы работы магнитооптики, калибровки гониометров и детекторов, диагностики системы контроля пучка электрона, диагностики и калибровки источников вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения). Все измеренные характеристики установки были в рамках требований технического задания проекта.

4. Разработанная система удалённого управления разработанной экспериментальной установкой для исследования характеристик излучения позволяет контролировать все элементы установки, которые нуждаются в автоматическом управлении или которые недосягаемы для ручного управления во время работы.

5. Проведено патентное исследование в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96. В результате патентного исследования была выявлена патентоспособность разрабатываемых технологий по изготовлению ГОЭ-ДОЭ. Большая часть исследованных патентных документов по рассматриваемой тематике датирована 2000-2014 годами, что подтверждает актуальность задачи. По итогам выполненных работ сформирована и отправлена на экспертизу в Роспатент патентная заявка «Способ формирования контрастного изображения рентгеновского излучения» (регистрационный номер 2015118438).

6. По результатам работ подготовлено два доклада на XLV Международную Тулиновскую конференцию по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (ФВЗЧК-2015). Конференция проходила с 26 по 28 мая 2015 г. в Москве в Московском Государственном Университете.

  1. Вохмянина К.А., Левина В.С., Кищин И.А., Кубанкин А.С., Нажмудинов Р.М., Олейник А.Н., Сотников А.В., Похил Г.П. Экспериментальное исследование возможности бесконтактного взаимодействия пучков электронов со структурированными поверхностями // Сборник тезисов XLV Международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, С.12.
  2. Кищин И.А., Аль-Омари М., Кубанкин А.С., Нажмудинов Р.М., Сергиенко В.И. Источник вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена на основе взаимодействия пучка быстрых электронов с плоской мишенью в скользящей геометрии // Сборник тезисов XLV Международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами, С.53.

Доклад на VII Международную научно-практическую конференцию «Физико технические проблемы в науке, промышленности и медицине» (http://portal.tpu.ru/science/konf/atom ). Конференция проходила с 3 по 6 июня 2015г. в Томске в Томском политехническом институте.

  1. А.С. Кубанкин, К.А. Вохмянина, В.С. Левина, Г.П. Похил. Ориентационные эффекты при скользящем взаимодействии быстрых электронов с диэлектрическими поверхностями.

7. Разработан программный пакет для расчёта фильтров вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, позволяющий выполнить предварительные расчёты для экспериментальных исследований следующего этапа.

Цели, поставленные на втором этапе проекта, полностью достигнуты и находятся в рамках требований технического задания. Результаты исследования и выполненные разработки могут быть использованы при создании миниатюрных оптических устройств или оптических систем, где использование традиционных элементов оптики затруднено.

Основные результаты 3 этапа

1. Разработана программа и методики экспериментальных исследований экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ с изменяемыми оптическими характеристиками.

2. Разработана эскизная конструкторская документация и изготовлена технологическая оснастка для получения ГОЭ-ДОЭ методами электронно-лучевой или лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления.

3. Разработана и создана двухкоординатная система диагностики положения и профиля пучка быстрых электронов в сечении электронопровода.

4.1. Выполнены исследования изготовленных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ в оптической области спектра. Измерены дифракционные характеристики ГОЭ-ДОЭ в зависимости от углов взаимодействия излучения с ГОЭ-ДОЭ, зафиксированы спектральная сдвижка дифрагированного сигнала и изменение полосы пропускания сигнала в соответствии с требованиями п.4.3.1. технического задания.

4.2. В серии экспериментов по измерению спектральных и ориентационных характеристик фотонного отклика, реализующегося при взаимодействии пучков излучений вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена с ГОЭ-ДОЭ показана возможность монохроматизации излучения в данных областях исследуемыми образцами.

4.3. В серии экспериментов по измерению спектральных и ориентационных характеристик фотонного отклика, реализующегося при взаимодействии пучков быстрых электронов с ГОЭ-ДОЭ удалось зафиксировать излучение Смитта-Парселла в оптической области и областях вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена.

4.4. Обработка экспериментальных результатов по исследованию дифракционных характеристик ГОЭ-ДОЭ позволила определить основные области работы ГОЭ-ДОЭ в зависимости от угла взаимодействия излучения с ГОЭ-ДОЭ.

4.5. Выполненное сопоставление эффективности использования комбинированных ГОЭ-ДОЭ в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена в качестве монохроматоров по отношению к традиционным дифракционным решёткам и многослойным рентгеновским зеркалам показало, что исследуемые образцы занимают среднее положение по характеристикам в качестве монохроматоров вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена между обычными дифракционными решётками и многослойными зеркалами, что может иметь определённые преимущества при решении задач в области вакуумного ультрафиолета, где энергия фотонов близка к плазменным частотам плазмонного слоя ГОЭ-ДОЭ.

4.6. Проведенная оценка эффективности использования комбинированных ГОЭ-ДОЭ в качестве мишеней для генерации излучения в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена пучками быстрых электронов показала возможность использования ГОЭ-ДОЭ для эффективной генерации излучения, но для этого необходимо использовать заряженные частицы высокой энергии с Лоренц-фактором отличным от единицы.

4.7. Измеренные характеристики рельефа экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ находятся в согласии с п.4.3.1. технического задания.

5. На основе полученных результатов работы опубликовано две статьи в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science).

Основные результаты 4 этапа

1. Проведено математическое статистическое моделирование основных операций технологического процесса изготовления комбинированных ГОЭ-ДОЭ с плазмонными решетками и поверхностным фазово-оптическим рельефом в соответствии с разработанными тестовыми задачами, иллюстрирующее наличие влияния погрешностей изготовления по цепочке операций технологического процесса.

2. Выполнено сопоставление результатов теоретико-аналитических исследований и математического статистического моделирования с результатами испытаний экспериментальных образцов комбинированных ГОЭ-ДОЭ и проведена корректировка технологической документации на выполняемые операции.

3. Проведены обработка и интерпретация результатов математического статистического моделирования с определением технологических допусков по отдельным операциям технологического процесса.

4. Изготовлены экспериментальные образцы комбинированных ГОЭ-ДОЭ с поверхностным фазово-оптическим микрорельефом на одной стороне и плазмонными решетками с наноструктурированным рельефом с другой стороны единой стеклянной под-ложки с учётом результатов работ по оптимизации параметров разрабатываемых ГОЭ ДОЭ, проделанных в пунктах 1,2,3. Проведены соответствующие испытания.

5. По результатам выполненных работ проведена подготовка заявки на патент.

6. Результаты работ были представлены на международных конференциях:

  1. XLVI Международной Тулиновской конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (ФВЗЧК-2016, http://danp.sinp.msu.ru/tulin_conf.htm ). Конференция проходила с 31 мая по 2 июня 2016 г. в Москве, в Московском Государственном Университете;
  2. XXIII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов 2016» (https://lomonosov-msu.ru/rus/event/3500/). Конференция проходила с 11 по 15 апреля 2016 г. в Москве, Московском Государственном Университете.

7. Проведена корректировка эскизной конструкторской документации технологической оснастки для получения ГОЭ-ДОЭ методами электронно-лучевой или лазерной литографии, ионного плазмо-химического травления с учетом результатов экспериментальных исследований и моделирования.

8. Разработана программа расчёта характеристик излучения, генерирующегося при взаимодействии быстрых электронов с поверхностным рельефом ГОЭ-ДОЭ.

9. Осуществлено материально-техническое обеспечение выполнения работ.

Основные результаты 5 этапа

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 10 октября 2014 г. № 14.578.21.0063 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №5 в период с 01 июля по 31 декабря 2016 г. выполнялись следующие работы в соответствии с Планом-графиком выполнения обязательств:

1. Разработаны рекомендаций по практическому применению полученных результатов, в том числе в реальном секторе экономики.

2. Разработан проект ТЗ на выполнение ОТР по теме: “Разработка промышленной технологии и создание опытных образцов комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов для лазерных и оптико-электронных систем с минимизированными массо-габаритными параметрами”, включая разработку технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики

3. Выбран материала покрытия, нанесение и исследование защитных тонкоплёночных покрытий на изготовленные ГОЭ-ДОЭ с целью оценки возможностей дополнительной защиты и улучшения дифракционных характеристик изготовленных ГОЭ-ДОЭ.

4. Проведена оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем.

5. Проведена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ.

6. Разработаны рекомендаций по возможностям улучшения характеристик изготовленных ГОЭ-ДОЭ.

7. Подготовлены публикации результатов работы в научных журналах (не менее трёх статей), индексируемых в базе данных Scopus или в базе данных "Сеть науки" (WEB of Science).

8. Результаты работ представлены в ходе работы международной конференции.

9. Выполнено исследование возможности увеличения эффективности генерации излучения в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена в режиме скользящего бесконтактного взаимодействия пучка заряженных частиц с ГОЭ-ДОЭ.

10. Осуществлено материально-техническое обеспечение выполнения работ по п. 5.3 плана-графика.

Все работы выполнены в полном объёме.


Руководитель проекта:  А.С. Кубанкин
Номер проекта:  14.578.21.0063
Резюме проекта, полученные результаты:  Результаты 1 этапа:  Загрузить / Результаты 2 этапа:  Загрузить

Нашли ошибку? Выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Сообщение об ошибке автоматически отправится в редакцию.
Пользователям
Быстрый переход
Актуально
V Всероссийский Фестиваль науки
115130098 посещений
39008391 уникальных
14614 заходили сегодня
259 сейчас онлайн
12+

Оставайтесь с нами:
RSS YouTube Facebook
Twitter VK Instagram

Вверх