Новости

12 мая, 2022 18:05

Миниатюрные интегральные элементы в стекле: в ИТМО изучили прямую лазерную запись нанорешеток

Научные сотрудники факультета наноэлектроники Университета ИТМО совместно с коллегами из ФИАН, РХТУ им. Д. И. Менделеева и НИЯУ МИФИ провели исследование, в котором выяснили, что нанорешетки обладают высокой спектральной селективностью. Их слои могут использоваться как фильтры для конкретных длин волн, а на одной пластине стекла возможно записать до шести слоев. Благодаря этой технологии ученые реализовали дисперсионные двулучепреломляющие фильтры, которым можно найти разное применение: например, для создания биохимических сенсоров для диагностики протока бактерий или дисплеев дополненной и виртуальной реальности с цветным изображением. 
Демонстрация записанных микро- и нанопериодических структур внутри стекла. Фото предоставлено командой исследователей. Источник: пресс-служба ИТМО

Всё в одном

В течение двух лет ученые проводят исследования по моделированию, разработке и тестированию интегральных оптических элементов для построения волноводного голографического перископа — ключевого элемента очков дополненной и виртуальной реальности нового поколения. Шлемы виртуальной реальности обычно ограничивают обзор пользователей — а «умные» очки дополняют визуальное пространство и выводят дополнительную информацию о предметах и окружающей среде.


Научный сотрудник факультета наноэлектроники Алексей Рупасов исследует морфологию нанорешеток с периодом 390 нм для последующего моделирования. Фото предоставлено командой исследователей

Чтобы создать такое устройство, необходимо решить несколько задач, например как передать изображение человеку через стекло очков и сделать картинку цветной. Для этого научные сотрудники ИТМО улучшили лазерно-плазменный метод обработки стекла (ЛИМП). Он позволяет создавать преобразователи лазерных пучков, которые активно применяются в проекте для нанесения структур с субмикронным периодом. Затем с помощью метода прямой лазерной записи были получены объемные периодические структуры внутри стекла с измененным показателем преломления. Следующим этапом будет создание на одной пластине стекла субмикронных дифракционных решеток для решения задач дополненной и виртуальной реальности. Они отвечают за ввод и вывод изображения наблюдателю через дифракционные порядки.

«Наш проект направлен на разработку основ лазерной записи интегральных элементов в оптических материалах. Сейчас в лаборатории набор оптических компонентов (зеркало, источник света, фильтры, преобразователи и многое другое) занимает весь оптический стол. Мы же хотим реализовать компактные интегральные оптические схемы, которые размещаются на ладони пользователя, их также называют chip-scale devices. Например, мы проводим запись светопроводящих и селективно отражающих элементов на единой стеклянной матрице на нескольких уровнях в формате 3D. Такая схема будет компактной и защищенной от внешних воздействий», — прокомментировал Роман Заколдаев, научный сотрудник факультета наноэлектроники, один из авторов работы.

Как шло исследование

Работу над исследованием проводили несколько команд. Первая занималась прямой лазерной записью в оптических материалах. Вторая команда отвечала за измерения морфологии и физических свойств созданных микро- и наноструктур. Третья работала над теоретическим моделированием физических и оптических процессов.

На первом этапе проводились исследования прямой лазерной записи в различных оптических материалах (кварц, многокомпонентные стекла, нанопористые стекла, фторид кальция). К ним относятся образцы, которых применяют для разработки очков или считают перспективными для создания голографических элементов дополненной реальности. Среди таких материалов — нанопористые матрицы, которые разрабатываются и используются в Университете ИТМО. Исследователи применяют их в лазерной записи, чтобы увеличить эффективность фазового набега в периодической объемной структуре с субмикронным периодом.

Далее ученые экспериментировали с разными режимами прямой лазерной записи в объеме кварцевого стекла: изменяли длительность фемтосекундных лазерных импульсов, флюенс и длину волны лазерного излучения. В итоге выяснилось, что параметры структуры, такие как фазовый набег и рассеяние света, влияют на спектральный диапазон получаемых фильтров. Иными словами, исследователям удалось подобрать режимы лазерной записи, при которых формируются структуры с наибольшим значением фазового набега и минимальным рассеянием света.

На пользу физике и биохимии

В результате исследователи определили зависимость фазового набега от режимов лазерной записи в кварцевом стекле. Фазовый набег — это изменение показателя преломления в толще кварцевого стекла из-за формирования периодической структуры в объеме с разными показателями преломления (стекло-воздух). С физической точки зрения эти зоны показывают относительно большой фазовый набег (до 166 градусов) за один слой, что уже почти является полуволновой пластинкой. В перспективе полученные режимы лазерной записи позволят реализовать любой фазовый оптический элемент внутри стекла. Из-за высоких значений фазового набега созданные структуры окрашиваются в цвета двулучепреломления, если их разместить между поляризаторами.


Области двулучепреломления внутри кварцевого стекла в скрещенных и параллельных поляризаторах. Фото предоставлено командой исследователей

«Многослойная запись позволяет создавать дисперсионные двулучепреломляющие фильтры в заданном спектральном диапазоне. Это уже значимо для разработки компактных сенсоров, отвечающих принципам интегральной оптики с функцией спектрального анализа. На рынке существуют дисперсионные двулучепреломляющие фильтры, но это отдельные оптические элементы. Мы же решили рассмотреть интеграцию таких фильтров на единой пластине стекла. Наша работа носит фундаментальный характер, поэтому мы провели моделирование, и результаты показали, что можно записывать многослойные структуры для работы в видимом спектральном диапазоне», — объясняет один из авторов исследования, научный сотрудник факультета наноэлектроники Алексей Рупасов.

Этот результат исследования можно использовать как элементную базу для обработки излучения в устройствах дополненной реальности, в которых изображение формируется с помощью трех цветовых координат RGB. Дифракционные решетки помогут реализовать ввод и вывод излучения в волноводе для разных длин волны. В перспективе можно создать в одной пластине стекла три вида периодических структур, которые подстроят излучение по длинам волн RGB и сделают изображение цветным.


Микрофотография дисперсионных фильтров, спектр пропускания одной из ячеек и принципиальная схема диагностического микрофлюидного чипа. Иллюстрации из статьи в журнале Laser Physics Letters

Также ученые предложили идею и дизайн интегрального биохимического сенсора для диагностики протока бактерий. На рынке уже есть дисперсионные двулучепреломляющие фильтры на каждую длину волны отдельно, но теперь исследования можно проводить с помощью одного устройства в «лаборатории на чипе» — стеклянной подложке, которую освещают поляризованным светом. В ней или снаружи находится микрофлюидный чип, где протекают определенные жидкости с детектируемым веществом, например, в виде бактерий. Каждое такое вещество откликается на конкретный спектральный диапазон и длину волны излучения, также оно может поглотить свет или флуоресцировать. С помощью реакции можно узнать, какие происходят изменения в чипе.

Подробнее об исследовании: Sergey Kudryashov, Pavel Danilov, Alexey Rupasov, Mikhail Smayev, Nikita Smirnov, Vladimir Kesaev, Andrey Putilin, Michael Kovalev, Roman Zakoldaev and Sergey Gonchukov Direct laser writing regimes for bulk inscription of polarization-based spectral microfilters and fabrication of microfluidic bio/chemosensor in bulk fused silica (Laser Physics Letters, 2022).

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №20-71-10103).

20 мая, 2022
Столичные зоологи нашли четыре новых вида моллюсков в одном
Четыре новых вида моллюсков открыли зоологи биологического факультета МГУ во Вьетнаме. Команда био...
19 мая, 2022
Что вызывает рецидивы у больных раком лёгких
В МФТИ исследовали устойчивость опухолевых стволовых клеток немелкоклеточного рака лёгкого к ...