Сектор "Голографические нанотехнологии и нейрочипы"
(Проект РФФИ 01-07-90134)

В течение ряда лет в ИОНТ РАН проводятся исследования по созданию оптических элементов на основе компьютерно-синтезированных голограмм (HOE) для управления лазерным излучением видимого светового диапазона , а также разработка электронно-лучевой технологии изготовления голографических наноструктур.

1. Разработка методов расчета голографических наноструктур.

Разработаны специализированные компьютерные программы синтеза и моделирования разнообразных многоуровневых фазовых голографических наноструктур (HOE), осуществляющих преобразование лазерного излучения в заданное распределение как в дальней (Фраунгофер) области, так и в ближней (Френель) области дифракции. В программах реализованы оригинальные итерационные алгоритмы и многоэтапная оптимизация параметров синтезируемых фазовых наноструктур.

2. Создание специальной технологии для изготовления голографических наноструктур.

Для изготовления новых оптических элементов на основе голографических наноструктур в ИОНТ РАН была разработана оригинальная технология прямой электронно-лучевой записи многоуровневого рельефа в слое электронного резиста с последующей химической и плазмо-химической обработкой. Разработанная технология обеспечивает нужные для изготовления голографических наноструктур точности реализации рельефа на плоскости и по глубине (порядка ~20 нм).Технология реализована на уникальном комплексе, созданном в институте на базе прецизионного электронного сканирующего микроскопа ZRM-20, который дополнительно оснащен специальной системой управления электронным лучом - генератором изображения, разработанным Институтом Проблем Технологии Микроэлектроники  (ИПТМ) РАН (http://www.ipmt-hpm.ac.ru), г. Черноголовка ,  и рядом других вспомогательных устройств. Технологический комплекс позволяет изготавливать многоуровневые фазовые наноструктуры с практически произвольной формой топологических элементов, а также эталонные шаблоны для наноэлектроники.

3. Результаты разработки оптических элементов на основе голографических наноструктур.

В результате проведенных работ в ИОНТ РАН были разработаны и экспериментально исследованы образцы новых оптических элементов, некоторые из которых не реализуются методами традиционной оптики. Это, например различные многофокусные голографические микролинзы и растры на их основе, пространственные расщепители лазерного луча и другие устройства. Изготовлен ряд расщепителей, многофокусных голографических элементов и растров для длин волн 532, 633, 650 нм с апертурами от ~ 0.2 мм² до 6 мм².

4. Области применения голографических наноструктур.

Разработанные голографические наноструктуры могут применяться качестве многофункциональных микрооптических элементов, в устройствах многоканальной записи информации, в системах уплотнения и разветвления потоков информации для волоконных линий, в проекционных системах, в устройствах распознавания изображений, для организации оптических межсоединений в чипах и между чипами компьютеров, а также для обеспечения межслойных связей в нейрокомпьютерах, и в других подобных устройствах.

Многофункциональность голографических элементов, их специфика и разнообразие сферы применения в оптических устройствах не позволяют заранее изготовить универсальный набор таких элементов, который мог бы удовлетворить потребности разработчиков оптических систем. 

В рамках данного проекта проводится попытка организации в Интернете поиска наиболее перспективных и востребованных областей применения. Вы можете дать свои предложения по конкретному интересующему Вас применению голографических элементов, которые будут внимательно рассмотрены. Оставьте свой e-mail адрес и мы постараемся Вам ответить. По уточненным конкретным данным мы можем провести расчеты и оценить ожидаемые параметры и сложность изготовления голографического элемента. Возможно изготовление макетных образцов HOE. Результаты всех расчетов и полученные экспериментальные данные будут представлены на этом сайте. 

5. Технологии  электронолитографии, вакуумного и магнетронного нанесения оптических и проводящих покрытий, плазменного травления.

Электроннолучевой комплекс и технологии электроннолитографии используются также для изготовления фотошаблонов высокого разрешения для целей микроэлектроники и акустоэлектроники, интегральной оптики, исследований и совместного с ИПТМ РАН изготовления образцов рентгеновских фотонных кристаллов. Имеющаяся технологическая база позволяет изготавлисать разнообразные проводящие, диэлектрические и многослойные оптические покрытия с использованием методов вакуумного электроннолучевого,  магнетронного плазменного и реактивного напыления. Плазмохимическое травление используется для изготовления методами прямой и обратной электронной литографии структур высокого разрешения на металлических и оптических покрытиях.

6.Измерительная аппаратура.

Измерение оптических параметров образцов новых оптических элементов на основе голографических наноструктур требует специального измерительного оборудования. Для этого применяются оптические стенды и методы, позволяющие измерять положение фазовых уровней для многоуровневых фазовых структур. Измерения выходных световых распределений для многофокусных элементов и их микрорастров осуществляется на оптическом микроскопе оборудованном компьютерной системой анализа изображений. Измерение оптических параметров и толщин слоев электронных резистов, оптических просветляющих и интерференционных покрытий осуществляется спектроинтерференционным методом с использованием компьютерного спектрофотометра и программ расчета и синтеза многослойных оптических покрытий.

7. Перспективные исследования.

Рассмотренные голографические наноструктуры представляют собой статические элементы ( т.е. они один раз синтезированы по соответствующим исходным данным ). В последнее время появился ряд публикаций по исследованию и созданию динамических устройств построенных на принципах компьютерно-синтезированных голограмм. Для этого применяются динамически управляемые фазовые среды такие например , как жидкие кристаллы, электрооптические материалы, используются принципы акустооптики. Некоторые варианты построения динамических устройств на принципах акустооптики были нами ранее рассмотрены и результаты опубликованы в материалах ICO [ 4 ]. 

Предполагается провести некоторые теоретические и экспериментальные исследования в ряде новых направлении :

-расчет и изготовление ряда экспериментальных HOE для коротковолновой части видимого диапазона (460 нм),

- исследование фокусирующих HOE с микроапертурами и малыми фокусными расстояниями,

- исследования управляемых фазовых голограмм на поверхностных акустических волнах,

- исследования возможности оптического копирования наноструктур с использованием фазовых фотошаблонов,

- изучение возможности использования периодических структур типа "фотонных кристаллов" и "плазмонных структур" для управления световым излучением.

8. Литература.

В приведенном списке литературных источников можно ознакомиться с основными монографиями и обзорами посвященными данной тематике, а также нашими публикациями, в которых более подробно описаны результаты проведенных исследований. 

Проведенные исследования выполнены при поддержке гранта РФФИ № 01-07-90134 и программы <Интеллектуальные компьютерные системы> (проект 4.5)