Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С П

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (СГАУ) Совместный проект СГАУ с ALTAIR Center, LLC (США) “Синтез элементов дифракционной микрооптики и фотонных кристаллов ИК-диапазона для технологических и телекоммуникационных приложений” В. С. Павельев, директор НОЦ НТ СГАУ С. Г. Кривошлыков, президент ALTAIR Center, LLC (США) Самара 2011 1

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 УФабляции; -разработка и создание новых классов оптических устройств ИК-диапазона. 2

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЯВИТЕЛЯ НОЦ НТ 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. Сверхвысоковакуумный нанотехнологический комплекс НАНОФАБ -100 в СГАУ 3

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЯВИТЕЛЯ ALTAIR Center, LLC 14 Years of R&D >$8 M of R&D funds Over 40 SBIR/STTR Projects including 9 Phase II projects Funding Agencies: BMDO/MDA, Air Force, Army, NAVY, NASA, Do. E, NSF 2 Projects for LANL 2 Projects for major Japanese Company 4

Company Mission Development and Commercialization of Nano-Technologies, Nano-Materials and Nano-Devices R&D/Consulting Service Technology Incubator Strategy: • • • Innovative Idea on Enabling Technology Feasibility Study Conceptual Design of new Device Development of Prototype Commercialization 5

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 6

ALTAIR Center Facilities 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 7

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Применение дифракционной оптики ИК диапазона позволяет эффективно решать следующие задачи лазерных технологий: резка, маркировка, сверление, гибка и т. д. Иллюстрация фокусировки гауссова пучка в область в виде буквы с помощью дифракционного микрорельефа Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, Ed. Soifer, V. A. (New York: John Wiley & Sons, Inc. ), 2002 8

АНАЛИЗ РЫНКА ДИФРАКЦИОННОЙ ОПТИКИ ИК-ДИАПАЗОНА Ежегодный объем продаж лазерных систем на рынке ЕС превышает 6, 1 млрд. евро (в основном это CO 2 – лазеры и Nd. YAG 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 9

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 10

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: МЕТОДЫ СИНТЕЗА МИКРОРЕЛЬЕФА НА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ (СГАУ СОВМЕСТНО С ИОФ РАН) а б 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. 11

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: ФОКУСАТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ CO 2 -ЛАЗЕРА НА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ (СГАУ СОВМЕСТНО С ИОФ РАН) 0 мкм 0, 95 мкм 1, 89 мкм 2, 84 мкм 3, 78 мкм 4, 73 мкм 5, 67 мкм 6, 62 мкм а) b) z=90 мм 100 мм 110 мм c) 12 (а) рассчитанный микрорельеф; (b) измеренный микрорельеф; (c) распределение интенсивности излучения СО 2 лазера в плоскости фокусировки: экспериментальное (сверху) расчетное (снизу).

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 13

ЗАДЕЛ ПО ПРОЕКТУ: СИНТЕЗ ТРЕХМЕРНЫХ МЕТАЛЛОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ ИК-ДИАПАЗОНА (СГАУ) Спектры отражения фотонного кристалла (ФЗЗ на l=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). 14

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 Первые результаты исследования нелинейного отклика фотонных кристаллов с квантовыми точками (ALTAIR Center, LLC, США) J. of Photochemistry and Photobiology A: 183 (2006) 329 -333 15

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 ИКдиапазона; -создать новый класс нелинейных фотоннокристаллических устройств для обработки информации с малыми энергетическими затратами для российского и мирового рынков. 16