Лазерный мир

Синев Дмитрий Андреевич // карточка проекта, поддержанного Российским научным фондом номер 21-79-10241

Аннотация

Лазерные технологии прямого (одноэтапного) управления поверхностной микроструктурой оптических элементов на сегодняшний день представляются одними из наиболее перспективных и гибких методов для создания новых классов элементов и устройств фотоники. Последние достижения в области лазерной техники и технологии значительно расширили возможности управления процессами лазерной поверхностной модификации материалов благодаря возможности выбора разнообразных длин волн, длительностей импульсов, энергетических режимов и физических механизмов воздействия излучения. При этом одним из перспективных направлений является функциональное микроструктурирование поверхности материалов посредством лазерно-индуцированной самоорганизации регулярных рельефов с периодом порядка длины волны записывающего излучения, получаемых в доабляционных режимах — так называемых термохимических лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС, в зарубежной литературе laser-induced periodic surface structures, LIPSSs). Однако, прямая связь параметров формирования ЛИППС с физическими, а тем более химическими эффектами зачастую сложна и не поддается простому моделированию. Во всех полученных на текущий момент экспериментальных результатах сохраняется устойчивая проблематика стохастичности и локальности, свойственная процессам образования абляционных ЛИППС. Поскольку упорядоченное формирование регулярных ЛИППС (дальний порядок) обычно ограничено в пространстве размерами лазерного пучка, а управление параметрами структур осложнено чувствительностью их регулярности к параметрам лазерного воздействия, использование низкотемпературных режимов образования ЛИППС представляет интерес с точки зрения снижения термоиндуцированных напряжений и повышения упорядоченности структур. Актуальность решения научной проблемы обусловлена тем, что структуры с микронным и субмикронным периодом обладают высокой дифракционную эффективность в видимом диапазоне, а значит создание функциональных покрытий на основе ЛИППС открывает новые возможности к эффективному созданию широкого класса элементов фотоники. Научная новизна состоит в обосновании и выборе комплекса параметров лазерного воздействия (энергии, длительности и частоты следования импульсов, скорости и направления сканирования пучка, поляризации излучения и др.), обеспечивающих точную экспериментальную настройку условий процесса формирования воспроизводимых упорядоченных термохимических ЛИППС. За счет этого в рамках настоящего проекта будет продемонстрировано создание различных схем как одномерных, так и двумерных решеток (типа фотонных кристаллов), защитных знаков, элементов дифракционной оптики, тензометрических датчиков и других элементов различной функциональности.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения работ по настоящему проекту впервые будут определены и проверены условия лазерного воздействия (энергия, длительность и частота следования импульсов, скорость и направление сканирования пучка, поляризация излучения и др.), обеспечивающие возможность формирования воспроизводимых, устойчивых, упорядоченных термохимических ЛИППС. На этом основании будет реализован одноэтапный, экологичный и производительный подход к записи планарных фотонных элементов за счет локального, управляемого формирования термохимических ЛИППС. Предлагаемый метод состоит в реализации прямой (одноэтапной) лазерной записи планарных объектов произвольной топологии, внешние поверхностные слои которых будут промодулированы периодическими решетками с проектным разрешением до 1400 линий/мм, что позволит управлять спектральными и функциональными свойствами этих объектов. Основные ожидаемые результаты включают в себя формирование элементов произвольной геометрической конфигурации с заданными функциональными свойствами: — будет сформирована теоретическая и экспериментальная база для понимания процессов и прикладной реализации управляемого формирования термохимических ЛИППС на массивных металлах и металлических пленках; — будет продемонстрировано создание защитных знаков и голографических элементов с кодированной информацией на массивных образцах, а также металлических пленках, нанесенных на жесткие и гибкие диэлектрические подложки; — будет создана элементная база для создания тензометрических датчиков на основе структурированных поверхностей на гибких подложках; — будет продемонстрировано создание фотонных структур типа амплитудно-фазовых дифракционных оптических элементов на основе одномерных и двумерных периодических решеток на металлических пленках, нанесенных на жесткие диэлектрические подложки. Изложенные ожидаемые результаты изучения свойств и возможностей записи термохимических ЛИППС имеют высокую научную новизну и существенную прикладную значимость для создания новых элементов и устройств фотоники, преобразующих световые пучки, управляющих их геометрическими и спектральными характеристиками (амплитудные и фазовые дифракционные элементы, частотно-селективные фильтры), расширяющих их функциональные применения (в качестве цветных штрих- и QR-кодов, идентификационных меток, защитных знаков и пр.). Проблемой повышения эффективности методов формирования фотонных структур занимаются ведущие мировые R&D центры в области лазерных информационно-коммуникационных систем и технологий. Соответствие предполагаемых результатов настоящего Проекта мировому уровню подтверждается растущим числом публикаций о формировании ЛИППС в высокорейтинговых научных журналах. Ожидаемые результаты отличаются высокой эффективностью (скорости обработки от 0,1 до 4 см2/мин) и качеством записи (до 1400 линий/мм с точностью до 3%), превышающим имеющиеся мировые аналоги, и будут существенно масштабированы в рамках настоящего проекта. Получение совокупности вышеперечисленных ожидаемых результатов позволит вывести использование метода формирования функциональных покрытий посредством управляемой генерации термохимических ЛИППС на новый уровень и открыть перспективные возможности для экономически рентабельного создания амплитудных оптических элементов, фазово-поляризационных элементов, частотно-селективных зеркал, идентификационных меток, тензометрических датчиков, фотонных кристаллов. Ожидаемые результаты работ могут быть рассмотрены как первый этап перехода к реализации метода формирования метаоптических поверхностей в нанометровом диапазоне прямой лазерной термохимической записью.

Источник: https://rscf.ru/project/21-79-10241/