Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Исследован эффект прямой лазерной импульсной записи дифракционных наноструктур с управляемым периодом на пленках циркония толщиной ~100нм, нанесенных на подложку из плавленого кварца. Изучен эффект аномального поведения фазы света, отражающегося от наноструктурированных окисленных лазерным излучением пленок циркония. Сдвиг фазы относительно света, отраженного от поверхности металлического циркония, достигает величин, эквивалентных отражению от рельефа глубиной до нескольких сотен нанометров, при этом фактическая высота рельефа не превышает 10-15 нм. Были исследованы диапазоны технологических параметров, в которых реализуется контурный механизм записи нанорешеток. Доказана возможность использования эффективного увеличения фазовой высоты структур для изготовления отражающих бинарных фазовых ДОЭ с дифракционной эффективностью порядка 30%. Апробирован метод подстройки интегральной дифракционной эффективности такого элемента с помощью реактивного ионного травления. 2. Создана экспериментальная база для получения двухслойных металлических сред на оптических подложках. Предложена технология формирования фазового рельефа на основе лазерной записи на двухслойной среде Cr/Ti и проведено численное моделирование оптических свойств бинарных дифракционных структур с выступами из двухслойного материала TiO2/SiO2. Для прогнозирования возможных материалов-кандидатов на использование в двухслойных средах и для их сравнительного анализа с однослойными средами проведено моделирование импульсной лазерной записи по интерференционной схеме на пленках, оксиды которых оптически также прозрачны (как и TiO2), таких как цирконий (Zr), гафний (Hf), ванадий (V), ниобий (Nb) и тантал (Ta). Наиболее эффективной среди исследованных материалов представляется запись на пленке Ti: минимальная расчетная FWHM составляет 75 нм при воздействии 3000 импульсов (для сравнения: FWHM = 430 нм после 1500 импульсов на пленках Nb, FWHM = 360 нм. после 3500 импульсов для Ta и FWHM = 200 нм после воздействия 2300 импульсов для V). Пленки Hf и Zr демонстрируют только монотонное расширение медленно развивающегося термохимического изображения, что, по-видимому, указывает на необходимость выбора иных энергетических режимов (возможно, с большей длительностью импульсов). Это подтверждается экспериментами на пленках Zr по лазерной записи импульсами длительностью 2 мкс. Оценки также показывают, что запись на пленках Ti имеет оптимальные характеристики с точки зрения возможности записи высококонтрастных элементов наименьшей ширины. 3. Для лазерного нанолитографа, работающего в прямоугольной системе координат, реализован новый метод in-situ оперативной оценки формы и размеров функций рассеяния точки (ФРТ), формируемой испытываемой острофокусирующей оптической системой. Метод основан на одновременной двухканальной регистрации изображений двух наложенных оптических объектов –мелкоструктурной одномерной решетки Ронки, записанной с помощью лазерного нанолитографа по термохимической технологии на несъемной во время оценки подложке с хромовой пленкой, играющей роль оптической шкалы и работающей на пропускание подсвечивающего ее некогерентного пучка света, и самой ФРТ, регистрируемой в режиме отражения когерентного пучка света от поверхности одного из штрихов решетки Ронки. Для устранения хроматических аберраций оптики, подсветку решетки Ронки и регистрацию ФРТ осуществляют на одной и той же длине волны. Использованный метод позволяет оперативно регистрировать на подготовительном этапе процесса лазерной записи размеры и субволновую структуру ФРТ, не снимая подложку с записанной решеткой Ронки, что, в свою очередь, делает возможным проведение более точной юстировки оптики и достижение максимальной разрешающей способности при записи структур с помощью нанолитографа. 4. Проведён анализ влияния поляризационных эффектов на качество интерферограмм, получаемых с помощью высокоапертурных дифракционных объективов в процессе формирования эталонных волновых фронтов в интерферометрии. Экспериментально показана возможность изготовления высокоапертурных фазовых дифракционных объективов, генерирующих сферический волновой фронт, с использованием прямой лазерной записи на пленках хрома с последующим реактивным ионным травлением. Компьютерное моделирование, проведенное в рамках строгой теории, показало, что существуют физические ограничения на работу дифракционной оптики с малым периодом, даже с идеальным профилем. В режиме пропускания в диапазоне периодов структуры 1.4λ – 2λ наблюдаются колебания дифракционной эффективности, что затрудняет создание дифракционных объективов с диафрагменным числом выше f / 1 на оптимальной глубине микроструктуры. В режиме отражения есть несколько резких минимумов и максимумов, которые образуют яркие и темные кольца. Такие кольца хорошо видны на интерферограммах. Показано, что при изготовлении высокоапертурного бинарного фазового объектива для прецизионного интерферометрического контроля необходимо регулировать скважность в зависимости от локального периода дифракционной структуры, чтобы получить равномерный контраст интерферограммы. Предложены методы реализации угло-зависимого управления скважностью записываемых дифракционных структур на круговых лазерных системах. 5. Разработана аналитическая модель для прогнозирования прозрачности облученных областей на тонких пленках титана при изменении параметров лазерной термохимической обработки. Модель позволяет контролировать оптические свойства записываемых субмикронных областей, осуществляя предварительную настройку параметров лазерного воздействия. Определены значения основных параметров (плотности энергии излучения, предпочтительной исходной толщины пленки и длины волны лазерного излучения), необходимые для получения широкого диапазона уровней прозрачности. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями и могут быть использованы для оптимизации процесса записи путем предварительного планирования требуемых уровней прозрачности и параметров лазерного воздействия в технологиях полутоновой записи. 6. Субмикронные периодические структуры для целей производства дифракционных элементов были сформированы методом прямой лазерной интерференционной записи на пленках титана (Ti) в окислительном режиме. В зависимости от количества лазерных импульсов наблюдалась запись высококонтрастных структур с выявлением максимально достижимой толщины оксидного слоя. Исследование методами оптической микроскопии и профилометрии показало высокий коэффициент пропускания сформированных оксидных слоев, т.е. контраст записанных структур достигал до 90% в видимом диапазоне. Для анализа полученных экспериментальных результатов разработана теоретическая модель, основанная на исследовании динамики окисления с использованием закона Вагнера с учётом оптических свойств системы оксид-металл-стекло, нелинейно изменяющихся после каждого импульса. Результаты экспериментов показали хорошее согласие с модельными оценками. Разработанная модель позволила выбрать подходящие временно-энергетические режимы и спрогнозировать оптические характеристики формируемых структур с точностью до 10%, что позволяет осуществить внедрение результатов в технологии производства оптических преобразователей пучков. 7. Функциональная обработка тонких пленок титана путем регистрации окислительных лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС) была продемонстрирована при использовании коммерчески доступного наносекундного импульсного Yb-волоконного лазера. Выявлены температурные и энергетические режимы, способствующие их образованию, период ЛИППС оказался около 0,7 λ, а глубина модуляции варьировалась от 70 до 110 нм с высокой стабильностью и воспроизводимостью. Показано, что ориентация расположения ЛИППС в исследованных режимах довольно легко управляема, что может обеспечить управление поверхностными функциональными свойствами плёнок, включая создание оптических элементов на их основе.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1. Проведено сравнительное исследование прямой лазерной записи на пленках переходных металлов титановой группы, а также на пленках Ta и V. Наноструктурирование оксидированной области наблюдается на цирконии, напыляемом безмасляным методом. При этом проявление контурной записи наблюдается на всех металлах титановой группы, но убывает от циркония к титану. Запись на тантале и ванадии наблюдалась при плотности мощности в 5 раз выше, чем для металлов титановой группы. Однако, на тантале были обнаружены лазерно-индуцированные структуры размером менее 200 нм, что говорит о возможности увеличения пространственного разрешения за счет высокого энергетического порога записи. 2. Исследована лазерная запись на пленках циркония разной толщины (60-120 нм). Показано, что максимальный диапазон изменения эквивалентной фазовой высоты наноструктурированных равномерных областей увеличивается при уменьшении толщины пленки. Так, при толщине 70 нм фазовая высота может изменяться в пределах 240 нм. Этого достаточно для получения разности фаз в ¼ длины волны для формирования отражающих бинарных фазовых структур. При более тонких пленках равномерность структур, записанных в режиме термохимии, исчезает вследствие плавления пленки. Для построения гипотезы о морфологических особенностях наноструктуры и о механизме ее формирования был исследован поперечный разрез наноструктурированной области. Были произведены записи на пленке циркония, напыленной на поверхностно окисленной кремниевой подложке. В процессе сканирования лазерным пучком происходит пошаговое нагревание пленки, окисление, объемное расширение. Кроме того, при достаточной мощности происходит модификация материала подложки и смешивание с материалом пленки. Эти процессы, согласно СЭМ-анализу, приводят к локальному образованию наноразмерных полостей под окисленной пленкой вблизи границы лазерного пятна. Таким образом, при непрерывном сканировании образуются периодические нанорешетки с периодом, равным шагу записи. Каждый период состоит из продольной полости вдоль трека лазерного пятна. Поперечный размер полости составляет ~70-80 нм. Экспериментально показано, что при непрерывном сканировании сфокусированным лазерным излучением пленок циркония проявление периодических нанорешеток усиливается с увеличением количества треков. Минимальное количество треков при котором устойчиво проявляются наноструктуры равно 4. Это приводит к размытому краю дифракционных структур со стороны начала сканирования. Данное поведение приводит к несимметричному оконтуриванию записанных наноструктурированных областей, частично напоминающее проявление эффекта «первого трека», наблюдавшееся ранее на материалах с изменяемым коэффициентом пропускания. Предложен метод устранения эффекта размытого края при записи наноструктурированных участков на пленке Zr, основанный на изменении условий записи первых треков. Был проведен поэтапный поиск оптимальной мощности записи раздельно для первых двух треков и для записи протяженных наноструктурированных областей. Экспериментально показано, что при увеличении мощности первых двух треков на ~25% по сравнению с мощностью для протяженной области удается избежать эффекта оконтуривания типа размытого края. 3. Проведено теоретическое исследование влияния различных параметров на характеристики термохимической записи с последующей экспериментальной верификацией. Разработана расчетная модель, включающая итерационные расчеты нагревания, окисления и изменения оптических характеристик пленки в облучаемой области последовательно от импульса к импульсу. Расчетные результаты количественно и качественно совпадают с результатами экспериментальных исследований. Определена область рабочих режимов термохимических изменений, исследовано влияние стабильности энергии импульсов, толщины пленки, длины волны излучения, материала пленки, количества воздействующих импульсов на ширину получаемых элементов и контраст изображения. Выявлены основные закономерности и методы, которые могут быть использованы для повышения точности, контраста и разрешения оксидных структур. Оптимальный выбор плотности энергии внутри диапазона рабочих значений позволяет снижать число импульсов, требуемое для контрастной записи, более чем на два порядка. Приведены результаты теоретического исследования возможности записи термохимических структур высокого контраста и разрешения на пленках различных материалов при адекватном выборе количества импульсов. 4. Проведено теоретическое исследование лазерной термохимической записи на двухслойных пленках. Модельное описание процессов нагревания системы и окисления проведено путем совместного анализа и решения уравнений теплопроводности для двухслойной пленки и уравнения кинетики окисления. Показано, что применение двухслойной системы обосновано в случаях: (а) получения поверхностных оксидов, при толщине образующегося оксидного слоя порядка 2-3 нм с последующим травлением пленки; (б) сквозного (на всю толщину) окисления пленки серией микросекундных импульсов или многократным сканированием одного трека. Использование двуслойной структуры пленки позволяет уменьшить размер элемента при термохимической записи и повысить разрешение при высоком контрасте и высокой производительности (меньших энергиях). 5. Экспериментально и теоретически показано действие эффекта близости при термохимической записи на тонкой металлической пленке, заключающееся в уменьшении размера элемента, записываемого на малом расстоянии от ранее записанных элементов, на примере последовательной записи на тонкой титановой пленке. Разработана теоретическая модель, которая показала, что уменьшение ширины 2-го и 3-го записанных треков относительно ширины 1-го трека связано с локализацией излучения вследствие уменьшения количества поглощенной энергии на периферии гауссова распределения в области ранее записанных треков. Рассчитаны зависимости относительного изменения размеров записываемых элементов от расстояния между ними. Показана возможность управления размерами элемента в диапазоне 20 – 100 % от оригинального размера при термохимической записи на тонкой пленке элемента, за счет расположения его на малом расстоянии от ранее записанного элемента/ ранее записанных элементов. 6. Усовершенствована полностью «сухая» технология прямой лазерной записи ДОЭ с бинарно-фазовым микрорельефом. Предложено использовать тонкий слой кремния на титановой пленке, препятствующий естественному поглощению титаном кислорода из атмосферы и снижающий коэффициент отражения титановой пленки. При описанном методе проявление «скрытого» изображения, сформированного при локальной лазерной обработке тонких пленок Ti и Si/Ti, осуществляется с использованием реактивного ионного травления титана и последующего термического отжига в воздухе, что позволяет отказаться от операции жидкостного травления, снижающего выход годных элементов. Исследована лазерная запись дифракционных структур на двуслойной пленке Si(~5 нм)/Ti(~100nm). При травлении структур, записанных на титане со слоем кремния сверху, микрорельеф имел высоту до 35 нм. Был отработан этап окисления титана в воздушной атмосфере, после которого был получен оксидный рельеф высотой ~50 нм. Исходя из того, что при дальнейшем РИТ в плазме CF4+O2 скорость травления TiO2 ниже, чем скорость травления плавленого кварца более чем в 7 раз, максимальная высота фазового рельефа может быть не более 350 нм. ДОЭ с такой глубиной фазового микрорельефа могут быть использованы для длин волн ближнего и дальнего УФ диапазона. Предложено использовать двуслойные пленки Si/Ti для одноэтапного формирования амплитудных отражающих элементов. На основе теоретической оптимизации толщины слоя Si был сделан вывод о возможности достижения высокого контраста отражения (более 13 раз) амплитудной дифракционной структуры. Такой контраст сравним со стандартными на сегодняшний день технологиями создания амплитудных ДОЭ, формируемых на пленках титана с помощью жидкостного травления. 7. Разработан, теоретически и экспериментально исследован новый метод формирования дифракционных сенсорных элементов (ДСЭ) для регистрации погрешностей записи компьютерно-синтезируемых голограмм (КСГ). ДСЭ представляют собой специализированные микрорешётки встраиваемые в поле КСГ в процессе их изготовления на сканирующих лазерных записывающих системах. ДСЭ состоят из двух частей: одна из которых формируется до записи КСГ в поле будущей голограммы, а вторая формируется с небольшим заданным сдвигом на том же месте во время долговременной записи КСГ. Отклонение от заданной величины сдвига является «следом» ошибок записи и его измерение по дифракционной картине позволяет определить и вычислить погрешность изготовления КСГ по обеим ортогональным координатам. Было исследовано два топологических типа ДСЭ (1D и 2D). Экспериментально подтвержденная чувствительность измерения погрешностей изготовления КСГ с использованием 1D и 2D ДСЭ составляет до 5 нм, что позволяет гарантировать точность волнового фронта дифракционных оптических элементов не менее Lambda/20. Предложенный метод позволяет автоматизировать процесс регистрации погрешностей изготовленных КСГ и проводить их проверку в любое время после изготовления КСГ. 8. С целью дополнительного улучшения энергетики и качества пучков на входе высокоапертурных объективов для лазерной записи, предложен и исследован новый вид гибридных оптических систем, объединяющих в себе светоэффективный конвертер поляризации лазерного пучка из линейной формы в радиальную и преобразователь формы пучка из однородной дисковой в кольцевую, с возможностью контролируемого изменения размеров кольца. Данные системы основаны, преимущественно, на использовании пары положительных рефракционных аксиконов и конически освещаемых антиотражающих фазосдвигающих тонкопленочных покрытий, наносимых на боковые рабочие поверхности аксиконов и обеспечивающих суммарную оптическую задержку между радиально- и азимутально-поляризованными компонентами лазерного пучка (с круговой поляризацией при прохождении пучка двух аксиконов), равную четверть длины световой волны. Энергетическая эффективность преобразования интенсивности и поляризации лазерного пучка в такой системе приближается к 100%. Помимо реализации радиальной поляризации выходного лазерного пучка, предложенная система может быть использована для получения пучков с азимутальной либо смешанной (азимутально-радиальной) формой поляризации и кольцевой формой распределения интенсивности. Последние пучки могут быть кратко охарактеризованы как кольцевые цилиндрические векторные пучки. Они могут быть применены, в частности, для формообразования остросфокусированных пучков в окрестности их фокуса, с получением П-образной аксиальной интенсивности. Особенно перспективным представляется использование предложенных систем при работе на коротких длинах волн ультрафиолетового и глубокого ультрафиолетового диапазонов длин волн. Как показало проведенное численное моделирование для рабочей длины волны 266 нм, допустимый относительный спектральный диапазон длин волн тонкопленочных конвертеров поляризации может достигать +-1,5%. Вариации фазовой задержки, вносимой тонкопленочными покрытиями между ортогональными поляризациями в указанном диапазоне длин волн, ограничены величиной +-4 градуса относительно 90 или 270 градусов. Предложенные конвертеры поляризации не требует использования фильтра пространственных частот, существенно снижающего энергетическую эффективность. Одновременно, предложенные конвертеры способны обеспечить высокую поляризационную «чистоту» преобразования. 9. Показано, что с помощью лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур, записанных в окислительных режимах формирования на тонких плёнках титана (термохимические ЛИППС), возможно придавать поверхностям структурные цвета в декоративных и функциональных целях. Продемонстрирована возможность создания прототипов декоративных элементов и функциональных защитных знаков с дифракционным блеском. Методом лазерной интерференционной записи периодических структур на плёнках титана под воздействием фемтосекундных импульсов сформирован прототип дифракционной решетки с периодом 1,5 мкм.