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 университет имени академика С.П. Королева (СГАУ) Самара 2011 В.С. Павельев, директор НОЦ НТ СГАУ С.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 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 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 CO 2 – 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

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 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 CO 2 -ЛАЗЕРА НА АЛМАЗНЫХ ПЛЕНКАХ (СГАУ СОВМЕСТНО С ИОФ РАН) 100 мм110 ммz=90 мм а)b)b) c)c) (а) рассчитанный микрорельеф; (b) измеренный микрорельеф; (c) распределение интенсивности излучения СО 2 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 (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) 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.