(1) Проведен цикл фундаментальных исследований и разработок лазерно-информационных
технологий формирования субмикронных структур, создания новых элементов
оптоэлектроники и базовых элементов для оптических информационных систем:
- Выполнены разработки теории и технологии процессов создания субмикронных структур
на поверхности полупроводников, металлов и диэлектриков. С этой целью была разработана
аналитическая теория, на основе которой создана безмасочная мультипучковая технология
формирования субмикронного (0,23мкм) рельефа на поверхности полупроводников. В рамках
этой теории рассмотрена дифракция плоских электромагнитных волн, ограниченных световых
пучков и сверхкоротких световых импульсов на поверхностном рельефе, представляющем
собой суперпозицию произвольного числа произвольно ориентированных дискретных решеток.
Теория справедлива в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных
волн (ПЭВ) как на металлах, так и на диэлектриках, является нелинейной по амплитуде
модуляции поверхностного рельефа и учитывает сильные многократные перерассеяния
между различными порядками дифракции. Выявлены оптимальные условия для проявления
аномалий Вуда - эффектов полного подавления зеркального отражения, аномально
высокого (почти 100%-ного) поглощения света поверхностью и резкого (примерно 20-ти
кратного) возрастания амплитуды поля вблизи поверхности.
- Создана теория образования поверхностного периодического рельефа (с периодом
порядка длины волны падающего излучения) на металлах, полупроводниках, диэлектриках
под действием одного мощного (>106-108Вт/см2) лазерного пучка
(а) при вынужденной генерации резонансных ПЭВ и поверхностных акустических волн
в твердых телах в режиме до плавления;
(б) при вынужденной генерации резонансных ПЭВ, поверхностных капиллярных волн и
волн испарения в расплавах. Развита теория лазерно-индуцированной генерации
поверхностного периодического микрорельефа при пиролитическом травлении и осаждении
металлов, полупроводников, диэлектриков и фотохимическом травлении полупроводников
под действием излучения непрерывного лазера с мощностью порядка или меньше 1 Вт.
- С целью разработки технологии лазерного напыления субмикронных и нанометровых
пленок методом лазерно - индуцированной люминесценции были экспериментально найдены
функции распределения атомов и ионов по скоростям в факеле, возникающем при абляции
твердой мишени под действием наносекундных лазерных импульсов. Показано, что на больших
расстояниях от мишени (более 40мм) при плотности энергии аблирующего лазерного
излучения F = 1-2 Дж/см2 в ионизированном состоянии находится 1-3 % общего
количества частиц, а для функции распределения атомов по скоростям характерно
бимодальная структура, то есть часть частиц имеет относительно низкую скорость
(2-3·105см/с), а вторая часть более высокую
(5-6·105см/c). Количество высокоэнергетичных частиц растет с
увеличением F и при F = 5Дж/см2 может достигать 40% общего количества
частиц. При расширении факела в буферный газ влияние процесса ускорения ионов
уменьшается и при плотности буферного газа около 0,1Торр функция распределения
частиц по скоростям отличается от максвелловской не более чем на 10%. С помощью
напыления пленок на вращающийся диск было исследовано распределение микрочастиц
по скоростям. Было показано, что при лазерной абляции наносекундными импульсами
для любых мишеней скорости разлета микрочастиц (капель) на порядок меньше, чем
скорости разлета атомов, или ионов. По форме скоростных функций распределения,
а также по распределению микрочастиц по размерам, можно сделать заключение, что
механизм образования капель определяется материалом мишени. Предложен механизм
сепарации микрочастиц и создано устройство (сепаратор), позволяющее напылять
пленки свободные от микрочастиц.
- В результате этих исследований были разработаны технологии лазерного напыления
тонких пленок из следующих материалов: ВТСП пленки, GaAs, InGaAs, PbTe, Bi,
ZrO2, SrTiO3, ZnO и алмазоподобные пленки. На сверхтонких
пленках PbTe было показано влияние размерного квантования на нелинейную оптическую
восприимчивость третьего порядка, в сверхтонких пленках висмута экспериментально
наблюдалось размерное квантование проводимости и квантовый эффект Холла.
Технология напыления ВТСП пленок, алмазоподобных пленок используются в настоящее
время для изготовления ВТСП СКВИД'ов (совместно с МГУ им.М.В.Ломоносова).
Разработаны технологические лазерные напылительные установки (многоцелевые и для
напыления оксидов). Установки выдержали международный тендер, две установки были
поставлены в Словакию, где успешно эксплуатируются в течение двух лет.
- С целью создания частотно-селективных элементов оптических
мультиплексоров/демультиплексоров было проведено теоретическое моделирование
распространения электромагнитных волн в неоднородных почти периодических средах
с фазовыми сдвигами для различных материалов, в том числе полупроводники (показатель
преломления 1,8 - 3,5), стекла (показатель преломления 1,53) и полимеры
(показатель преломления 1,47 - 1,56). Показано, что такие структуры обладают
высокими частотно-селективными свойствами и могут быть использованы для создания
пассивных избирательных устройств волоконных сетей связи. Также теоретически были
исследованы особенности распространения пикосекундных световых импульсов в
периодических средах с изменяющимися в пространстве параметрами. В результате
была разработана конструкция узкополосного оптического фильтра, имеющего близкую
к прямоугольной форму полосы отражения/пропускания, созданы узкополосные отражающие
фильтры для телекоммуникационного диапазона длин волн 1.5мкм, включающие
одномодовое кварцевое волокно с боковой полировкой и периодическую рельефную
Брэгговскую решетку, расположенную в области распространения моды волокна.
Фильтры имеют коэффициент отражения R > 98% и близкую к прямоугольной форму
полосы отражения шириной 0.4 - 0.8нм. Эти фильтры могут быть использованы в
качестве частотно-селективных элементов оптических мультиплексоров/демультиплексоров
для объединения и разделения сигналов в высокоскоростных многоканальных
волоконно-оптических линиях связи.
Следующий важный результат института в области лазерно-информационных технологий
приведен в "Отчете о деятельности РАН в 2003 году":
Разработаны тонкопленочные лазеры с распределенной обратной связью.Изготовлен
брэгговский резонатор с решеткой первого порядка на гетероструктурах InР/InGаАs
и GаАs/GаАlАs. Собран и тестирован одночастотный лазер, излучающий в диапазоне
1,5мкм. (ИПЛИТ РАН)
(2) Разработана концепция лазерно-информационных технологий дистанционного создания
трехмерных объектов и биомоделирования.
С этой целью были созданы физико-химические и информационные основы лазерной
стереолитографии как технологии оперативного изготовления вещественных копий
трехмерных компьютерных моделей. Были созданы новые материалы, программное
обеспечение и оборудование, необходимые для реализации этой технологии,
организовано малосерийное производство установок для лазерной стереолитографии
и расходных материалов для них, продемонстрирована высокая эффективность
использования стереолитографии для моделирования и изготовления элементов
машиностроительных и аэрокосмических конструкций, оснастки для разных видов
прецизионного литья, штампов и пресс-форм.
В области лазерной компьютерной стереолитографии микронного разрешения были
получены приоритетные результаты. С этой целью выполнено экспериментальное и
теоретическое исследование фотоинициированной импульсным и непрерывным лазерным
излучением полимеризации акриловых мономеров и олигомеров и композитов на их основе.
Эти исследования позволили разработать эффективные методы расчета
молекулярно-массовых распределений при инициировании полимеризации произвольной
последовательностью лазерных импульсов и создана соответствующая программа, которые
позволяют определять кинетические константы радикальной полимеризации по
экспериментально полученным распределениям. Фотоинициированная лазерным излучением
полимеризация была локализована в пространстве с объемом менее 10 мкм3.
В результате была изготовлена трехмерная структура с минимальным линейным размером
элемента равным 2.5мкм.
В настоящее время в институте ведется разработка технологии фемтосекундной
наностереолитографии, которая, по оценкам, позволит изготавливать трехмерные объекты
с разрешением в несколько десятков нм.
Недавно была создана установка и разработана технология выращивания трехмерных
объектов непосредственно из рабочего материала (металл, керамика, биосовместимые
композиции) путем послойного спекания порошков.
(3) Разработаны принципы адаптивной коррекции излучения высокомощных промышленных
лазеров и лазеров, применяемых в фундаментальных исследованиях. На основе
разработанных корректоров волнового фронта биморфного типа, датчика волнового фронта
Шак-Гартмановского типа и оригинального программного обеспечения для управления
была создана адаптивная оптическая система, позволяющая корректировать аберрации
волнового фронта до 6-го порядка. Основные параметры адаптивной системы: входная
апертура до 100мм; диапазон коррекции до 15мкм; точность коррекции 1/10; частота
корректируемых аберраций 12.5Гц. Применение такой системы в титан:сапфировом лазере
АТЛАС, Германия (импульсы с энергией 1.5Дж, длительностью 130фс и частотой повторения
10Гц) позволило повысить фактор Штреля излучения с 0.1 до 0.8 и получить плотность
интенсивности в фокусе параболического зеркала 4·1019Вт/см2.
При облучении поверхности дейтериевой мишени это привело к увеличению нейтронного
выхода за импульс излучения в тысячу раз.
(4) Разработан новый подход к локальной модификации нано-пористых и полимерных
материалов, основанный на сверхкритической импрегнации органических соединений и
нелинейном УФ фотолизе импрегрированных соединений. Разработан и создан оптоволоконный
денситометр фазового контроля фазового поведения многокомпонентных сверхкритических
сред.
(5) В интересах разработки оптимальных методов управления процессами в твердом теле
с помощью внешних потоков энергии, включая лазерное излучение, а также для
прогнозирования поведения материалов, эксплуатируемых в экстремальных условиях
выполнено исследование процессов пространственной и временной самоорганизации
нанокластеров и нанодефектов и локализованных структур в конденсированных средах.
В данном цикле исследований проведено моделирование процессов самоорганизации
нанодефектов и наночастиц, и найдены механизмы и условия возбуждения локализованных
состояний (солитонов и волны переключения концентрации) в подсистеме точечных
дефектов.
В результате раскрыт физический механизм и разработана аналитическая модель
формирования наноскопических (нанометровых) пространственно-периодических
структур нанодефектов в облучаемых твердых телах, как процесса самоорганизации
открытой диссипативной системы в условиях, далеких от термодинамического равновесия.
Установлено, что основной причиной самоупорядочения нанодефектов является
нелинейное динамическое взаимодействие нанодефектов с точечными дефектами и их
диффузионная подвижность.