Совместный проект СГАУ с ALTAIR Center, LLC (США) “Синтез элементов дифракционной микрооптики и

фотонных кристаллов ИК-диапазона для технологических и телекоммуникационных

приложений”

Самарский государственный аэрокосмический университетимени академика С.П. Королева (СГАУ)

Самара 2011

В.С. Павельев, директор НОЦ НТ СГАУС.Г. Кривошлыков, президент ALTAIR Center, LLC (США)

2

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

Целью проекта является разработка методов расчета и технологий изготовления фокусирующих элементов дифракционной оптики, а также двух и трехмерных фотоннокристаллических решеток инфракрасного диапазона (1,06 – 10,6 мкм) для технологических и телекоммуникационных приложений.

Задачи проекта:

-разработка и исследование методов расчета топологии двух и трехмерных дифракционных структур, управляющих излучением ИК диапазона, с учетом погрешностей используемой технологии;

-разработка и исследование технологий микроструктурирования оптических материалов ИК диапазона (алмазные пленки, кремний, селенид цинка, галогениды серебра) на основе методов плазмохимического травления, голографической литографии и УФ-абляции;

-разработка и создание новых классов оптических устройств ИК-диапазона.

3

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЯВИТЕЛЯ НОЦ НТ СГАУ

Сверхвысоковакуумный нанотехнологический комплекс

НАНОФАБ-100 в СГАУ

В Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) с 1980-х годов проводятся исследования по направлению «Компьютерная оптика». За это время разработаны математические методы, программное обеспечение и технологии для расчета, формирования и исследования дифракционного микрорельефа в задачах управления лазерным излучением.

В рамках выполнения ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы» создан НОЦ «Нанотехнологии» СГАУ.

4

Funding Agencies:

BMDO/MDA, Air Force, Army,

NAVY, NASA, DoE, NSF

2 Projects for LANL

2 Projects for major Japanese Company

ALTAIR Center, LLC

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЯВИТЕЛЯ

14 Years of R&D

>$8M of R&D funds

Over 40 SBIR/STTR Projects

including 9 Phase II projects

5

• Innovative Idea on Enabling Technology • Feasibility Study • Conceptual Design of new Device• Development of Prototype • Commercialization

Strategy:

Company Mission

Development and Commercialization of Nano-Technologies,

Nano-Materials and Nano-Devices

R&D/Consulting Service

Technology Incubator

6

ALTAIR Center Expertise

• Semiconductor Nano-Photonics,

• Photonic Crystal Lasers

• Nonlinear QD Nano-Materials, All-Optical Devices

• IR Diffractive Optics and Detectors

• Nanocrystal Solar Cells and LEDs

• Carbon Nanotube Actuators

• Chemical sensors

7

3,500 sq. ft. of Own Lab and Office Space in Shrewsbury, MA

Laser Lab

Optoelectronics Lab

Spectroscopy Lab

Materials Lab

Chemical Facility

R&D and Prototyping Facilities

ALTAIR Center Facilities

8

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

F 2F 1

Иллюстрация фокусировки гауссова пучка в область в виде буквы с помощью дифракционного микрорельефа

Применение дифракционной оптики ИК диапазона позволяет эффективно решать следующие задачи лазерных технологий: резка, маркировка, сверление, гибка и т.д.

Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, Ed. Soifer, V.A. (New York: John Wiley & Sons, Inc.), 2002

9

АНАЛИЗ РЫНКА ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ ИК-ДИАПАЗОНА

Ежегодный объем продаж лазерных систем на рынке ЕС превышает 6,1 млрд. евро (в основном это CO2 – лазеры и NdYAG ИК-лазеры ). Российский потенциал оценивается примерно в 10% мирового рынка. Объем экспорта российских станков для лазерной резки, сварки и маркирования составляет 70 млн. долларов США.

Распределение мирового рынка недиодных лазеров по видам применений

10

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА С ПОМОЩЬЮ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ (СГАУ)

Субволновая дифракционная решетка на поверхности алмазной пленки, сформированная с помощью плазмохимического травления

Formation of diffractive microrelief on diamond film surface / Pavelyev V.S., Borodin S.A., Kazanskiy N.L., Kostyuk G.F., Volkov A.V. //Optics & Laser Technology, Elsevier

2007, vol.39, № 6, pp.1234-1238

11

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: МЕТОДЫ СИНТЕЗА МИКРОРЕЛЬЕФА НА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ

(СГАУ СОВМЕСТНО С ИОФ РАН)

Алмазная линза Френеля до (а) и после отжига графита (б)

V. S. Pavelyev, V. A. Soifer, V. I. Konov et al. in: High-Power and Femtosecond Lasers, Editor: Paul-Henri Barret and Michael Palmer, 2009, Nova Science Publishers, Inc.

а а б б

12

0 мкм

0,95 мкм

1,89 мкм

2,84 мкм

3,78 мкм

4,73 мкм

5,67 мкм

6,62 мкм

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: ФОКУСАТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ CO2-ЛАЗЕРА НА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ (СГАУ СОВМЕСТНО С ИОФ РАН)

100 мм 110 ммz=90 мм

а) b)

c)

(а) рассчитанный микрорельеф;(b) измеренный микрорельеф;(c) распределение интенсивности излучения СО2 лазера в плоскости фокусировки: экспериментальное (сверху) расчетное (снизу).

13

ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ИК-ДИАПАЗОНА

Разработка методов синтеза двух и трехмерных фотонных кристаллов позволит формировать перспективную элементную базу лазерных технологий и построения оптических информационных систем ИК-диапазона (делители пучка, спектральные мультиплексоры, волноводы, резонаторы, сенсоры и т.д.).

Фотонно-кристаллический делитель пучка

14

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: СИНТЕЗ ТРЕХМЕРНЫХ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ИК-ДИАПАЗОНА

(СГАУ)

Спектры отражения фотонного кристалла (ФЗЗ на =2.8 мкм).

P. N. Dyachenko, S. V. Karpeev, E. V. Fesik, Yu. V. Miklyaev, V. S. Pavelyev, G. D. Malchikov Optics Communications, V. 284, Issue 3, p. 885-888 (2011).

15

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОЕКТА: СОЗДАНИЕ АКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ НАНОФОТОНИКИ ИК-ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ

ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ

Задача: Разработка нового класса нелинейных фотоннокристаллических устройств для обработки информации с малыми энергетическими затратами

J. of Photochemistry and Photobiology A: 183 (2006) 329-333

Первые результаты исследования нелинейного отклика фотонных кристаллов с квантовыми точками (ALTAIR Center, LLC, США)

16

Резюме проекта

Выполнение проекта позволит

-начать выпуск элементов дифракционной микрооптики для управления излучением технологических лазеров ИК диапазона (делителей пучка, линз Френеля, фокусаторов в продольный отрезок, фокусаторов в различные фокальные области);

- начать выпуск фотоннокристаллических волноводных устройств ИК-диапазона;

-создать новый класс нелинейных фотоннокристаллических устройств для обработки информации с малыми энергетическими затратами

для российского и мирового рынков.