КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-72-20202
НазваниеРазработка, создание и исследование дифракционных оптических элементов (в том числе с субволновым микрорельефом) для управления пучками лазера на свободных электронах дальнего ИК и терагерцового диапазонов
РуководительПавельев Владимир Сергеевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 2019 г. - 2022 г. |
Конкурс№31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-303 - Физика лазеров
Ключевые слова. дифракционный оптический элемент, лазер на свободных электронах, терагерцовый диапазон, субволновый микрорельеф
Код ГРНТИ29.33.17
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В рамках предлагаемого проекта предполагается создание высокоэффективных ДОЭ с существенно субволновым микрорельефом, что позволит одновременно управлять амплитудно-фазовыми хактеристиками и поляризационным состоянием пучка (что важно, в частности, при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов ТГц-диапазона), создавать дифракционные решетки с рекордными значениями энергетической эффективности, высокоэффективные фокусирующие элементы и т.д. Одновременное управление амплитудно-фазовыми и поляризационными характеристиками формируемого пучка имеет большое значение и для решения задач формирования пучков, устойчивых к распространению в неоднородных средах. Предполагается проведение исследований возбуждения плазмон-поляритонов в металлических волноводных структурах с помощью созданных ДОЭ и исследований устойчивости сформированных пучков к распространению в неоднородных средах. Разработка методов формирования на кремниевой поверхности субволновых структур позволит создавать дифракционные оптические элементы ТГц диапазона с антиотражающими структурами на оптических поверхностях. Кроме того, в рамках предлагаемого проекта предполагается создание и исследование дифракционных оптических элементов для управления мощными пучками лазера на свободных электронах в ИК-диапазоне (диапазон генерации NOVOFEL 8-10 мкм). Для создания пропускающих элементов этого диапазона предполагается использовать технологию плазмохимического травления поверхности поликристаллических алмазных пленок (АП), ранее использованную авторами проекта для изготовления дифракционных решеток для мощных CO2-лазеров (длина волны 10.6 мкм). Для создания отражающих элементов инфракрасного и терагерцового диапазонов предполагается использовать технологии плазмохимического травления подложки и вакуумного нанесения металлического слоя.
Для изготовления высокоразрешающих фотошаблонов, необходимых для изготовления субволновых структур, предполагается использование синхротронного излучения в Сибирском Центре синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ).
Ожидаемые результаты
1. В ходе выполнения проекта будут разработаны технологии изготовления дифракционных оптических элементов инфракрасного и терагерцового диапазонов с субволновым микрорельефом.
2. Будут созданы и экспериментально исследованы элементы терагерцового диапазона с субволновым микрорельефом, позволяющие формировать пучки с заданным модовым составом и с заданным поляризационным состоянием для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов в металлических волноводов.
3. Будут созданы и экспериментально исследованы элементы терагерцового диапазона с субволновым микрорельефом, позволяющие формировать пучки с заданным модовым составом и с заданным поляризационным состоянием для решения задачи формирования пучков, устойчивых к распространению в неоднородных и дисперсионных средах.
4. Будут созданы и экспериментально исследованы дифракционные решетки и фокусирующие элементы терагерцового диапазона с субволновым микрорельефом, обладающие повышенной энергетической эффективностью.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1 Рассчитан, изготовлен и исследован методами численного моделирования и оптического эксперимента дифракционный оптический элемент с субволновым микрорельефом, предназначенный для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов терагерцового диапазона в металлическом волноводе с помощью одновременного управления поперечно-модовым составом пучка и поляризационным состоянием излучения. Элемент представляет собой субволновый аксикон (период микрорельефа – 60 мкм, высота микрорельефа – 50 мкм, элемент исследовался на длинах волн 128,7 мкм и 141 мкм освещающего пучка лазера на свободных электронах). Диаметр апертуры изготовленного элемента – 50 мм. Материал подложки – высокоомный кремний зонной плавки. Для формирования субволнового микрорельефа на поверхности подложки оптического качества использовалась технология плазмохимического травления (Бош-процесс), позволяющая получать микрорельеф с заданными параметрами. Изготовленный дифракционный микрорельеф был исследован методами интерферометрии белого света и электронной микроскопии. Методами численного моделирования (работа элемента моделировалась в рамках строгой теории света) и оптического эксперимента (измерялось распределение интенсивности в сечении формирующегося пучка и исследовалось поляризационное состояние пучка) показано, что изготовленный элемент с субволновым микрорельефом позволяет формировать цилиндрически-поляризованный пучок с распределением интенсивности, близким к распределению в сечении бесселева пучка (в форме тора), из освещающего линейно- поляризованного гауссова пучка. Таким образом, изготовленный элемент может быть использован для эффективного возбуждения плазмонного волновода (ранее было показано, что пучок такой поперечной структуры и поляризационного состояния необходим для эффективного возбуждения плазмонного волновода). Создание первого кремниевого элемента, способного формировать пучок терагерцового излучения (в том числе мощного, кремний обладает высокой лучевой стойкостью) с заданным поперечно-модовым составом и заданным поляризационным состоянием, представляет также интерес для лидарных и телекоммуникационных приложений, так как управление поперечно-модовым составом и поляризационным состоянием пучка позволяет повысить устойчивость пучка к неоднородностям среды. Кроме задачи одновременного управления поперечно-модовым составом и поляризационным состоянием формируемого пучка, другой актуальной задачей является разработка методов управления поперечно-модовым составом пучка (в том числе формирования пучка с орбитальным угловым моментом) в режиме реального времени. Экспериментально исследованы пучки, состоящие из мод с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку топологическими зарядами (-1 и +1, -2 и +2). Формирование многомодового пучка с орбитальным угловым моментом с заданным поперечно-модовым составом осуществлялось с помощью интерферометра, в разные плечи которого устанавливались элементы, предназначенные для преобразования пучка лазера на свободных электронах в пучки с орбитальным угловым моментом заданного топологического заряда.
Экспериментально исследована устойчивость терагерцового бесселева пучка, сформированного с помощью элемента кремниевой оптики, к возмущениям при его формировании.
2. Разработана технология формирования субволновых структур на поверхности алмазных пленок (АП), основанная на применении плазмохимического травления в атмосфере кислорода и аргона.
Разработанная технология была использована для формирования на поверхности алмазной пленки антиотражающей структуры со следующими параметрами: высота структуры 1,7 мкм, период структуры 3,2 мкм, ширина ступеньки - 0.8 мкм. Изготовленная структура была исследована методами микроскопии и микроинтерферометрии.
Публикации
1. Павельев В.С., Чопорова Ю.Ю., Осинцева Н.Д., Тукмаков К.Н., Князев Б.А. Control of transverse mode content and polarization structure of terahertz coherent beams Computer Optics, Принято к публикации, приложено письмо из редакции (год публикации - 2019)
2. Хонина С.Н., Тукмаков К.Н., Дегтярев С.А., Решетников А.С., Павельев В.С., Князев Б.А., Чопорова Ю.Ю. Design, fabrication and investigation of a subwavelength axicon for terahertz beam polarization transforming Computer Optics, 43(5): 756-764. (год публикации - 2019) https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-5-756-764
3. Чопорова Ю.Ю., Князев Б.А., Осинцева Н.Д., Павельев В.С., Тукмаков К.Н. Two channel terahertz communication based on spatial mode multiplexing Proceedings of 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 08874090 (год публикации - 2019)
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Рассчитаны, изготовлены и исследованы методами численного и натурного экспериментов кремниевые дифракционные оптические элементы, формирующие терагерцовые бесселевые пучки с орбитальным угловым моментом со значениями топологического заряда 3 и 4. Было экспериментально показано, что пучки, сформированные изготовленными элементами, обладают свойствами самовосстановления в свободном пространстве после прохождения через неоднородную среду (в качестве неоднородной среды использовались пленки из вспененного полипропилена). Рассчитаны, изготовлены и исследованы методами численного и натурного экспериментов субволновые кремниевые дифракционные оптические элементы, формирующие из освещающего линейно-поляризованного пучка лазера на свободных электронах терагерцовые пучки с радиальной поляризацией 1,2, и 3 порядка.
Публикации
1. Павельев В.С., Дегтярев С.А., Тукмаков К.Н., Решетников А.С., Князев Б.А., Чопорова Ю.Ю. Silicon subwavelength axicons for terahertz beam polarization transformation Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/issn.1742-6596
2. Павельев В.С., Тукмаков К.Н., Решетников А.С., Герасимов В.В., Осинцева Н.Д., Князев Б.А. Экспериментальное исследование самовосстановления терагерцовых бесселевых пучков с орбитальным угловым моментом Компьютерная Оптика, - (год публикации - 2021)
3. Князев Б.А. Recent Experiments in Terahertz Photonics, Plasmonics, and Spectroscopy at the Novosibirsk Free Electron Laser Facility AIP Conference Proceedings, B.A. Knyazev, Recent experiments in terahertz photonics, plasmonics, and spectroscopy at the Novosibirsk free electron laser facility, AIP Conference Proceedings 2299, 030001 (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/5.0030349
4. Павельев В.С., Хонина С.Н., Тукмаков К.Н., Дегтярев С.А., Решетников А.С., Князев Б.А., Осинцева Н.Д., Чопорова Ю.Ю. Diffractive optics technologies for the control of high-power terahertz laser beams IEEE Xplore, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ICLO48556.2020
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1.Рассчитан, изготовлен и исследован фокусирующий субволновый элемент терагерцовой бинарной дифракционной оптики - субволновая цилиндрическая дифракционная линза. Для расчета и моделирования субволнового элемента использовались методы строгой теории света. Для изготовления бинарного дифракционного микрорельефа были использованы технологии литографии (Бош-процесс). Изготовленный субволновый элемент исследовался методами численного и натурного экспериментов. В качестве источника излучения когерентного терагерцового излучения использовался терагерцовый новосибирский лазер на свободных электронах (НЛСЭ). Эксперимент продемонстрировал фокусирующие способности созданного элемента, экспериментальная оценка фокусного расстояния находится в хорошем соответствии с расчетным фокусным расстоянием. Результаты натурного эксперимента находятся в качественном согласовании с результатами численного эксперимента.
2.Экспериментально исследовано свойство самовосстановления бесселевых пучков с орбитальным угловым моментом (ОУМ) терагерцового диапазона в свободном пространстве после прохождения неоднородных сред для разных значений топологического заряда. Экспериментально показана возможность организации многоканальной связи с поперечно-модовой мультиплексацией на основе пучков с ОУМ в терагерцовом диапазоне в том числе в присутствии помех.
Публикации
1. Павельев В.С., Тукмаков К.Н., Решетников А.С., Герасимов В.В., Осинцева Н.Д., Князев Б.А. Experimental investigation of self-healing of terahertz vortex beams IEEE Proceedings, - (год публикации - 2022)
2. Павельев В.С., Хонина С.Н., Дегтярев С.А., Тукмаков К.Н., Решетников А.С., Герасимов В.В., Осинцева Н.Д., Князев Б.А. Subwavelength silicon terahertz optics for generation of coherent beams with pre-given polarization state IEEE Xplore, 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2021, pp. 1-1 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567286
3. Павельев В.С., Хонина С.Н., Дегтярев С.А., Тукмаков К.Н., Решетников А.С., Герасимов В.В., Осинцева Н.Д., Князев Б.А. Spiral and Subwavelength Binary Axicons of Terahertz Range AIP Conference Proceedings, - (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1.Разработана методика оптимизации бинарного субволнового цилиндрического фокусирующего элемента терагерцового диапазона с учетом интерференционных эффектов в объеме кремниевой подложки элемента (для заданной толщины подложки) с целью максимизации энергетической эффективности элемента, основанная на
1) измерении реальной толщины пластины;
2) расчете энергетической эффективности кремниевого элемента с измеренной толщиной пластины в зависимости от высоты бинарного микрорельефа;
3) выборе оптимальной высоты микрорельефа.
Стоит отметить, что поскольку оптимизируется лишь высота микрорельефа (а латеральная топология структура микрорельефа не меняется) для литографического изготовления элементов на пластинах разной толщины может быть использован один и тот же фотошаблон.
2. С помощью разработанной (п.1) изготовлен, исследован методами численного и натурного (для исследования микрорельефа элемента использовались методы микроскопии и микроинтерферометрии) экспериментов субволновый цилиндрический фокусирующий элемент терагерцового диапазона (рабочая длина волны 141 мкм, толщина подложки 1.13 мм).
3. Разработана методика оптимизации бинарного субволнового цилиндрического фокусирующего элемента терагерцового диапазона с учетом интерференционных эффектов в объеме кремниевой подложки элемента (для заданной толщины подложки) и нанесенного антиотражающего покрытия на заднюю поверхность элемента с целью максимизации энергетической эффективности элемента.
4. Теоретически показана возможность оптимизации и изготовления субволновых терагерцовых элементов, формирующих заданные двумерные распределения интенсивности с повышенной энергетической эффективностью. Для этого были использованы методы волновой оптики и строгой теории света, а также методы математической физики.
Получены экспериментальные результаты работы субволнового фокусирующего дифракционного оптического элемента (рабочая длина волны 141 мкм) на длинах волн 197 и 207 мкм.
На этапе 2022 года был опубликован обзор Yulia Choporova, Boris Knyazev , Vladimir Pavelyev, “Holography with high-power CW coherent terahertz source: optical components, imaging, and applications”, включающий результаты настоящего проекта в журнале открытого доступа Light: Advanced Manufacturing, являющимся “сестринским” журналом журнала Light: Science & Applications (Nature journal): https://www.light-am.com/article/doi/10.37188/lam.2022.031
Публикации
1. Харитонов С.И., Павельев В.С., Казанский Н.Л., Cтрелков Ю.С., Тукмаков К.Н., Решетников А.С., Ганчевская С.В., Герасимов В.В., Князев Б.А. Оптимизация, изготовление и исследование кремниевой бинарной субволновой цилиндрической линзы терагерцового диапазона Компьютерная оптика, - (год публикации - 2023)
2. Чопорова Ю.Ю., Князев Б.А., Павельев В.С. Holography with high-power CW coherent terahertz source: optical components, imaging, and applications Light: Advanced Manufacturing, Light: Advanced Manufacturing (2022)3:31 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.37188/lam.2022.031
3. Павельев В.С., Князев Б.А., Комленок М.С., Тукмаков К.Н., Кононенко Т.В., Решетников А.С., Агафонов А.Н., Чопорова Ю.Ю., Осинцева Н.Д., Конов В.И., Сойфер В.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Technologies of Diffractive Optics for IR and THz Ranges Abstracts of the 29th International Conference on Advanced Laser Technologies, Abstracts of the 29th International Conference on Advanced Laser Technologies – 2022, p.212. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.24412/cl-35039-2021-21-7-7
Возможность практического использования результатов
Разработанные методы и технологии создания элементов кремниевой фотоники для управления характеристиками терагерцового когерентного излучения (интенсивность, фаза, поперечно-модовый состав, поляризация) способствует решению различных фундаментальных и прикладных задач.
А именно:
-управление поперечно-модовым составом и/или поляризационным составом когерентных терагерцовых пучков важно при построении
лидарных систем и систем дистанционного зондирования в силу появления возможности формирования пучка, устойчивого к распространению в неоднородной среде;
-возможность управления поперечно-модовым составом и возможность селекции наличия заданной моды (в том числе оптического вихря) в исследуемом пучке открывают возможность построения телекоммуникационных систем терагерцового диапазона (в частности систем 6G) с поперечно-модовым мультиплексированием и некриптографической защитой информации;
-формирование терагерцовых лазерных пучков с орбитально-угловым моментом позволяет формировать вращающиеся поверхностные плазмон-поляритоны на металлическом цилиндрическом проводнике, что открывает возможность создания плазмонных сенсоров и новых устройств для телекоммуникационных систем;
-разработка технологий создания фокусирующих силовых элементов терагерцового диапазона важна для решения задач лазерной обработки материалов (soft-ablation) и проведения
фундаментальных исследований.