КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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.

НазваниеФемтосекундная лазерная 3Д-фабрикация интегральных оптических устройств для интерфейсов виртуальной и дополненной реальности

РуководительОдинцова Галина Викторовна, Кандидат технических наук

Прежний руководитель Заколдаев Роман Алексеевич, дата замены: 28.11.2022

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Аннотация
Информационный поток, в который вовлечен современный человек, все больше переходит в область виртуальной реальности, поскольку большая его часть формируется компьютерными 3Д технологиями. Оптический канал информации самый емкий для человеческого восприятия, соответственно создание виртуальных (Virtual reality - VR) дисплеев, а, более правильно, дисплеев дополненной реальности (Augmented Reality - AR), становится очень актуальной задачей оптики и лазерных технологий. Характерной чертой таких дисплеев является формирование увеличенного мнимого изображения, гораздо большего по своим размерам устройств его формирующих, а для носимых на голове (Head Mounted Displays - HMD) дисплеев критическим становится не только размер устройства, но и его масса. Таким образом, актуальной является миниатюризация всей оптической схемы, модуляторов света и источников света, составляющих базовые элементы HMD-дисплея требует разработки новых методов создания микро-оптических элементов и технологических процессов отвечающим принципам интегральной оптоэлектронной технологии. В то же время, в разработке дисплеев дополненной реальности (augmented reality - AR) широко используются голографические методы, более того, наиболее широко распространившееся в настоящее время HMD дисплеи фирм: Microsoft (Hololens), Magic Leap, Aconia, Digilens, BAE systems - построены именно на голографических перископических базовых элементах, отличительной особенностью которых является компенсированный хроматизм в парном голографическом перископе. С другой стороны, плодотворное развитие волноводной голографии позволяет синтезировать больший выходной зрачок для систем отображения мнимого, увеличенного изображения, используемых в HMD-дисплеях. Волноводная голография является специфическим видом голографии, когда при записи или воспроизведении голограмм используются моды оптических микроволноводов. В настоящее время такого типа голограммы стали применяться в дисплейных системах как осветители, мультиплексоры зрачка в схемах дисплеев AR. Поэтому, с точки зрения массы и размера устройств для разрабатываемых перископических HMD, как и для встраиваемых HUD (Head-Up-Display) дисплеев с расширенным полем зрения и функциональностью также актуальной является миниатюризация их базовых оптических элементов в рамках интегральных мини-устройств, а также разработка технологий дешевого производства. Миниатюрная интеграция оптических элементов, подобных тем, что применяются в дисплеях AR - оптические микроволноводов, дифракционных и голографических оптических элементов, в последнее время выполняется методами прямой фемтосекундной лазерной записи в объемных оптически-прозрачных материалах, 3Д-аддитивной и субтрактивной фабрикации [Lin et al. (2020) Freeform Microfluidic Networks Encapsulated in Laser‐Printed 3D Macroscale Glass Objects. Advanced Materials Technologies, 5(2), 1900989]. В настоящее время фундаментальные принципы такой прямой лазерной записи хорошо известны - лазерно-индуцированное уплотнение силикатных материалов, абляция, плазмон-поляритонная само-организация (дифракционные элементы) и многолучевая интерференция (голографические элементы). Однако остается востребованным разработка фундаментальных принципов технологий для записи функциональных структур в материалах фотоники для формирования высокоэффективных объемных и поверхностных дифракционных и голографических элементов. В результате, научная новизна проекта заключается в проведении новых экспериментальных и теоретических исследований, направленных на разработку и создание миниатюрных (по размеру и массе) дифракционных и голографических оптических функциональных элементов, а также интегральных оптических устройств для HMD-дисплеев дополненной реальности. Теоретические исследования направлены на моделирование работы дисплеев дополненной реальности новых типов, отличающихся применением новых функциональных элементов, недоступных традиционной голографической технологии. Для этого планируется провести разработку фундаментальных основ технологии гибридной фемтосекундной лазерной трехмерной нано/микромасштабной записи и печати на поверхности и в объеме различных оптически-прозрачных диэлектрических материалов (силикатные и кварцевые стекла, полимеры) для формирования дифракционных оптических элементов, а также интегральных оптических устройств на их основе.

Ожидаемые результаты
Главными ожидаемыми результатами будет получение новых знаний о механизмах обработки ключевых материалов фотоники; разработка фундаментальных основ 3Д лазерной микро- и нанофабрикации и печати компонент дисплеев виртуальной и дополненной реальности; моделирование, разработка и тестирование дисплеев дополненной и виртуальной реальности нового поколения. В частности, в рамках проекта, будут получены следующие научные результаты: 1. Созданы фазовые оптические преобразователи для использования в лазерных схемах 3Д микро/нано принтинга и модификации материалов фотоники. 2. Исследованы фундаментальные основы структурной модификации лазерными импульсами с ультракороткой длительностью нанопористых и кварцевых стекол, а также полимеров. 3. Созданы новые типы волноводов как для задач волноводной голографии, так и для оптофлюидики. 4. Определено влияние параметров лазерно-сформированных микроволноводов и регистрирующих сред на качество формируемых волноводных голограмм в оптических схемах HMD-дисплеев. 5. Разработаны фундаментальные принципы гибридной аддитивно-субтрактивной технологии и отработаны режимы фемтосекундной лазерной трехмерной записи оптических элементов и интегральных оптических устройств, интерфейсов виртуальной и дополненной реальности, в частности - HMD-дисплеев, подготовлены и охарактеризованы тестовые устройства. 6. Отработана технология и режимы фемтосекундной лазерной записи голографических и дифракционных коммутативных устройств для миниатюризация оптической схемы HMD-дисплеев по размеру и массе, подготовлены и охарактеризованы тестовые устройства. 7. С учетом параметров подготовленных интегральных оптических устройств разработаны новые схемы построения волноводных перископических HMD-дисплеев с расширенным полем зрения и функциональностью. Выполнение настоящего проекта позволит заложить основы и сформулировать критерии отечественным разработчикам систем информационной коммуникации, в частности, связанных с виртуальной и дополненной реальностью. Полученные в ходе выполнения проекта физические основы исследуемых процессов и позволят перейти к внедрению методик 3Д лазерной микро- и нанофабрикации материалов фотоники на производстве. Появится возможность для создания новых наукоемких рабочих мест. Разработанные подходы моделирования дисплеев дополненной и виртуальной реальности, функционирующих на базе создаваемых микро- и наноструктур позволят их обеспечить фактическое применение и выйти на мировой уровень. Таким образом, практическое использование предполагаемых результатов проекта может оказать положительное влияние на экономику в целом. Молодые участники проекта получат опыт передовых научных исследований мирового уровня в области прорывных технологий и публикаций в ключевых научных журналах оптики и фотоники с высоким индексом цитирования.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В первый год реализации проекта проведены исследования и выполнены все работы согласно утвержденному плану. Анонс проекта был освещен в СМИ: “Ученые из ИТМО получили грант на разработку оптических элементов для «умных» очков” - https://news.itmo.ru/ru/news/9811/. Согласно плану, сперва проведен ряд мероприятий по подготовке многолучевой интерференционной схемы для лазерной записи решеток с субмикронным периодом (0.5-5.0 мкм) на поверхности оптических материалов. В частности, исследован процесс лазерно-плазменного травления поверхности стекла (метод ЛИМП), используемый для реализации фазовых расщепителей-мультиплексоров. Определено влияние параметров плазменного факела и воздушного зазора на разрешающую способность метода. В СМИ также сообщили о проводимых исследованиях: “Ученые Университета ИТМО предложили, как улучшить лазерно-плазменный метод обработки стекла” - https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/10123/. Воспроизводимость результатов, относительно недорогое изготовление фазовых преобразователей и возможность бесшовного мультиплексирования интерференционных пятен являются существенным заделом для продолжения данного исследования для реализации голографических субмикронных структур как на поверхности, так и в объеме оптических материалов. На данном этапе проекта были задействованы оптические среды с уникальными свойствами: (i) тонкие полупроводниковые пленки (ZnO:Al) на поверхности стекла, которые обладают избирательным поглощением на длине волны записи, сохраняя оптическую прозрачность в остальном видимом диапазоне, (ii) нанопористые стекла, в которых за счет наличия свободного порового пространства появляется возможность формировать высококонтрастные волноводы с чувствительной к примесям оболочкой, и (iii) флюорит - широкозонный диэлектрический материал с высокой лучевой прочностью. В рамках проекта также разработаны физико-технологические основы прямой лазерной записи поверхностных и объемных двулучепрелолмеяющих решеток. Острая фокусировка фемтосекундных лазерных импульсов позволила создать нанопериодические решетки (150 - 400 нм) в пористом стекле и флюорите. Предложен механизм формирования двулучепреломляющих микроструктур при отражении лазерных импульсов вблизи фокальной области от объемной околокритической плазмы с формированием перед плазмой вдоль оптической оси стоячей электромагнитной волны, так что данная волна фиксируется в материале в виде массивов наноструктурированных плоскостей (нанорешеток) с ориентацией штрихов локальной модификации материала и его показателя преломления перпендикулярно лазерной поляризации. Сформированные нанорешетки в пористом стекле (с периодом 150-200 нм) демонстрируют дифракционную модуляцию света в видимом диапазоне длин волн, а в синей области спектра образуют антиотражающее покрытие. Разработаны технологические основы аддитивно-субтрактивной лазерной записи. В настоящем проекте впервые аддитивно-субтрактивная лазерная запись была исследована для несплошных, нанопористых силикатных стекол, что, с одной стороны, облегчает первый этап (спекание пористого стекла), но вносит свои коррективы в травление пористого материала. Контролируемое и высококонтрастное уплотнение нанопористых стекол легко в основу записи волноводов как классического типа “core-cladding”, так и многомодовых за счет перераспределения плотности за пределами сердцевины. На базе данной технологии предложен и реализован оптофлюидный сенсор малых молекул (~ 1 нм), захваченных нанопорами из окружающей среды. Исследовательская статья о создании оптофлюидного сенсора доступна в открытом доступе: https://www.mdpi.com/2079-4991/11/1/123 . Кроме того, фемтосекундная лазерная запись в пористом стекле позволила реализовать дифракционные фазовые устройства для расщепления лазерного пучка на 5 порядков дифракции в дальней зоне. Это устройство может стать частью интегральной системы для дисплеев AR. В заключительной части работы представлены результаты построения схем и разработки методов тестирования волноводных голографических устройств. Показано, что разработанные методики записи субмикронных и наноразмерных структур в оптических материалах могут стать элементной базой для построения микроголограмм, повышающих эффективность AR дисплеев. В работе также разработан и протестирован волноводный голографический перископ. Работоспособность субмикронных структур также была оценена теоретическим расчетом, который позволил построить дифракционные картины оптических сигналов, прошедших через решетки. По материалам проекта опубликовано 6 статей с благодарностью Российскому научному фонду, в журналах, входящих в наукометрические базы данных «Web of Science» и Scopus, 2 из которых в журналах из квартиля Q1.

Публикации

1. - Ученые из ИТМО получили грант на разработку оптических элементов для «умных» очков Пресс-служба Университета ИТМО, Указаны в конце статьи (Исследования проводятся за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-71-10103)). (год публикации - ).

2. - Ученые Университета ИТМО предложили, как улучшить лазерно-плазменный метод обработки стекла Пресс-служба Университета ИТМО, Указаны в конце статьи (Исследования проводятся за счет гранта Российского научного фонда (проект № 20-71-10103)). (год публикации - ).

3. Lijing Z, Zakoldaev R.A., Sergeev M.M., Petrov A.B., Veiko V.P., Alodjants A.P. Optical Sensitivity of Waveguides Inscribed in Nanoporous Silicate Framework Nanomaterials, том 11, вып 1, 123 (год публикации - 2021).

4. Данилов П.А., Галкин М.Л., Ковалев М.С., Рупасов А.Е., Смаев М.П., Золотько А.С., Ионин А.А., Кудряшов С.И., Заколдаев Р.А. Ultrafast electron dynamics and energy deposition during IR- visible femtosecond laser ablation of fluorite Journal of Physics: Conference Series, 1692 (год публикации - 2020).

5. Данилов П.А., Кудряшов С.И., Рупасов А.Е., Смирнов Н.А., Олейничук Е.А., Ривнюк А.С., Заколдаев Р.А. Формирование нанорешеток на поверхности нанопористого стекла под действием фемтосекундных лазерных импульсов видимого диапазона Письма в ЖЭТФ, том 113, вып. 10, с. 650-654 (год публикации - 2021).

6. Кудряшов С.И., Данилов П.А., Смаев М.П., Рупасов А.Е., Золотько А.С., Ионин А.А., Заколдаев Р. А. Генерация массива двулучепреломляющих нанорешеток в объеме флюорита под действием ультракоротких лазерных импульсов варьируемой длительности Письма в ЖЭТФ, том 113, вып. 8, с. 495-500 (год публикации - 2021).

7. Рупасов А.Е., Данилов П.А., Ионин А.А., Смирнов Н.А., Кудряшов С.И., Руденко А.А., Путилин А.Н., Заколдаев Р.А. Формирование и оптические свойства нанорешёток на поверхности фторида кальция, генерируемых при фемтосекундном лазерном воздействии Оптика и спектроскопия, - (год публикации - 2021).

8. Рымкевич В.С., Сергеев М.М., Заколдаев Р.А. Laser microplasma as a spot tool for glass processing: Focusing conditions Journal of Materials Processing Technology, V.292, June 2021, 117061 (год публикации - 2021).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На втором этапе реализации проекта проведены все исследования и получены научные результаты согласно утвержденному плану. Сперва спроектированы, изготовлены и протестированы фазовые преобразователи лазерных пучков, выполненные на сплошных и кристаллических оптических материалах. В частности, изготовлено методом ЛИМП два типа новых элементов - многосекторные бинарные фазовые пластины для формирования оптических вихревых пучков и фазовые маски, обеспечивающие формирование лазерных пучков с плоской вершиной. Применение фазовых преобразователей в схемах 3Д лазерной модификации оптических материалов привело к возможности формирования интегральных оптических элементов в объеме и на поверхности стекла с новой конфигурацией. Например, записан новый тип оптических волноводов - парные волноводы, симметричные и многоканальные, а также продемонстрирована модификация оптических свойств оптических покрытий и одновременная запись канальных волноводов под покрытием на глубине десятки микрон. Вторая часть работы посвящена прямой лазерной записи объемных волноводов, их тестированию и разработке схемы для соединения с волоконно-оптическими системами связи. Реализованы волноводы различного типа и строения, изучены их оптические свойства. Также сформированы волноводы с прямоугольным сечением, что также можно отнести к новому типу. Подготовлены рекомендации для лазерной записи криволинейных волноводов и продемонстрирована их запись в оптическом материале. Продемонстрирована возможность прямой лазерной записи волноводов для преобразования или сохранения поляризации лазерного излучения. В этом году протестирован волноводный сенсор с подключением в оптоволоконную систему и настроенный на детектирование изменения газовой составляющей окружающей среды для анализа паров этанола. Нанесение периодических структур на оптических материалах является важным этапом для выполнения проекта, поэтому проведен ряд мероприятий по подготовке интерференционной схемы для лазерной записи решеток с субмикронным периодом (0.4-0.7 мкм) на поверхности оптических материалов. В настоящем этапе схема была оптимизирована для уменьшения периода структур и бесшовного нанесения периодических структур на поверхности оптического материала - плёнки ZnO:Ag. Этот метод позволил подготовить тестовое устройство – голографическую решетку с периодом 0.66 мкм и глубиной до 40 нм в оптическом материале. Также сделано обновление схемы записи с целью уменьшения периода решетки до 0.4 мкм. Успешно отработана технология прямой лазерной записи трехмерных оптических элементов для интерфейсов виртуальной и дополненной реальности: спектральные микрофильтры, ахроматическая полуволновая пластинка, диэлектрическое зеркало. В рамках отработки гибридной аддитивно-субтрактивной технологии и режимов фемтосекундной лазерной 3Д-печати отдельных свободно-стоящих оптических элементов на поверхности нанопористого стекла методом прямой фемтосекундной абляционной лазерной записи из микробитов двулучепреломляющих нанорешеток была создана дифракционная решетка, сетка и зонная пластинка Френеля. Обнаружено три режима записи отдельно-стоящих кольцевых элементов в нанопористом стекле. Уникальная особенность элементов - повышенное пропускание в видимом спектральном диапазоне и в некоторых случаях с селективным поглощением длин волн. Отработан метод нанесения периодических микро- и наноразмерных структур и массивов из них в оптическом материале. На базе интерференционно-плазмонного механизма формирования двулучепреломляющих нанорешеток в оптических материалах были разработаны, подготовлены и исследованы тестовые интегрально-оптические устройства. Произведено тестирование созданного микроволновода. Исследованы параметры и оценена возможность применения для отображения визуальной информации в дисплеях дополненной реальности. Волновод оценивался посредством ввода излучения RGB и оценкой периода, эффективности решетки согласно разработанной, в рамках проекта, методики. Наконец, произведена разработка методов интеграции волноводных голографических элементов для построения HMD-дисплеев на базе подготовленных интегральных оптических устройств. Предлагается в качестве входного и выходного ДОЭ использовать ППС, записанные на передней поверхности волноводной пластины. ДОЭ и пластина образует волноводный голографический элемент, позволяющий передавать виртуальное изображение в глаза пользователю. Для проверки возможности реализации такого элемента на основе записанных ППС было проведено моделирования процесса формирования виртуального изображения на выходе волноводной пластины. Предложена схема построения HMD-дисплея на базе подготовленного интегрального оптического устройства на основе ППС, записанных на поверхности флюорита. Для волновода, выполненного из флюорита, с периодом 400 нм, возможна передача изображения в видимом спектральном диапазоне до длины волны 560 нм. По материалам проекта опубликовано 9 статей с благодарностью Российскому научному фонду, в журналах, входящих в наукометрические базы данных «Web of Science» и Scopus, 2 из которых в журналах из квартиля Q1. Анонс выполнения второго этапа проекта сделан в СМИ: “Миниатюрные интегральные элементы в стекле: в ИТМО изучили прямую лазерную запись нанорешеток”, ссылка на источник: https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/12563

Публикации

1. - Миниатюрные интегральные элементы в стекле: в ИТМО изучили прямую лазерную запись нанорешеток Сетевое издание ITMO.NEWS, опубликовано: 6 Мая 2022 (год публикации - ).

2. Бибичева С.А., Рупасов А.Е., Данилов П.А., Ионин А.А., Смирнов Н.А., Кудряшов С.И., Шелыгина С.Н., Заколдаев Р.А. Самоорганизующиеся субволновые периодические решетки на поверхности кварцевого стекла Оптика и спектроскопия, том 130, вып. 4, стр. 555-558 (год публикации - 2022).

3. Быков Е.П., Заколдаев Р.А., Андреева Н.В., Шишкина А.С., Яндыбаева Ю.И., Андреева О.В. Изготовление нанопористых силикатных матриц: вопросы оптической однородности Оптический журнал, Том 89, номер 3, С. 56–67 (год публикации - 2022).

4. Заколдаев Р.А., Лицзин Ч., Якимук В.А., Яндыбаева Ю.И., Шишкина А.С., Андреева О.В. Direct Laser Writing of Functional Optofluidic Elements in Porous Silicate Matrix Journal of Laser Micro Nanoengineering, Выпуск 16, номер 3 (год публикации - 2021).

5. Копенкин, С.С., Кесаев, В.В., Путилин, А.Н. Метод измерения периодов волноводных дифракционных оптических элементов Письма в ЖТФ, том 47, вып. 23, с. 48-50 (год публикации - 2021).

6. Костюк Г.К., Шкуратова В.А., Петров А.А., Мещеряков Д.А., Елисеев К.В., Степанюк Д.С. Multisector binary phase plates on fused silica for generation of optical vortex beams superposition: Fabrication, characterization, and applications Optics & Laser Technology, 152, 108161 (год публикации - 2022).

7. Костюк Г.К., Шкуратова В.А., Петров А.А., Сергеев М.М. ФАЗОВЫЕ МАСКИ ИЗ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩИХ ПЛАСТИН ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАДАННОГО ОЧЕРТАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ С УЛЬТРАКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ ПРИ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ В ПЛОСКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 65,2,101-111 (год публикации - 2022).

8. Кудряшов С.И., Данилов П.А., Рупасов А.Е., Смаев М.П., Кириченко А.Н., Смирнов Н.А., Ионин А.А., Золотько А.С., Заколдаев Р.А. Birefringent microstructures in bulk fluorite produced by ultrafast pulsewidth-dependent laser inscription Applied Surface Science, Том 568,150877 (год публикации - 2021).

9. Кудряшов С.И., Данилов П.А., Рупасов А.Е., Смаев М.П., Смирнов Н.А., Кесаев В.В., Путилин А.Н., Ковалев М.С., Заколдаев Р.А., Гончуков С.А. 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, вып. 19, номер 6, стр 065602 (год публикации - 2022).

10. РУПАСОВ А.Е., ДАНИЛОВ П.А., КУДРЯШОВ С.И., ЗОЛОТЬКО А.С., СМАЕВ М.П., ИОНИН А.А., ЗАКОЛДАЕВ Р.А GENERATION OF BIREFRINGENT NANOGRATINGS IN THE BULK OF TRANSPARENT DIELECTRICS UNDER THE ACTION OF ULTRASHORT LASER PULSES OF VARIABLE DURATION Тезисы II Международной конференции ФКС-2021, посвященной 90-летию со дня рождения академика Ю. А. Осипьяна (1931-2008). Издательство: Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, стр 230-231 (год публикации - 2021).

11. Шишкина А.С., Яндыбаева Ю.И., Якимук В.А., Алсаиф Я., Заколдаев Р.А., Андреева О.В. Прямая лазерная запись и исследование оптофлюидных элементов внутри нанопористой силикатной матрицы Оптика и спектроскопия, том 130, вып. 5, стр. 779-786 (год публикации - 2022).