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:
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:
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:
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.
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.
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:
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.
Загрузить / Результаты 2 этапа: Загрузить
