Создание управляемых элементов для прецизионной фотоники на основе электрооптических градиентных структур

Резюме проекта, выполняемого в рамках ФЦП

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы»

по этапу № 3

Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.578.21.0071

Тема: «Создание управляемых элементов для прецизионной фотоники на основе электрооптических градиентных структур»

Приоритетное направление: 17 Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов

Критическая технология: Индустрия наносистем (ИН)

Период выполнения: с 23.10.2014 г. до 31.12.2016 г.

Плановое финансирование проекта: 56,55 млн. руб

Бюджетные средства 39,25 млн. руб.,

Внебюджетные средства 17,3 млн. руб.

Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Индустриальный партнер: Общество с ограниченной ответственностью «Градитон»

Ключевые слова: Оптико-механические системы, электрооптический эффект, прецизионная оптика, адаптивная оптика, сегнетоэлектрическая поляризация.

1. Цель проекта

Проблема, на решение которой направлен проект, заключается в отсутствии технологии роста градиентных структур с электрооптическим эффектом. В настоящее время технология роста градиентных структур (пленок) освоены лишь на нескольких предприятиях в мире. При этом методики получения электрооптических структур на основе таких технологий не разработаны.

• Разработка методов синтеза тонкопленочных кристаллографически ориентированных сегнетоэлектриков на аморфных и кристаллических подложках, а также способов их послеростовой обработки с целью формирования заданной коэрцитивной силы и исследование физических механизмов и технологических параметров, определяющих величину этой силы.
• Разработка технологии получения многослойных тонкопленочных градиентных электрооптических структур, предназначенных для создания оптических прецизионных приборов с перестраиваемыми (подстраиваемыми) характеристиками под действием внешнего электрического поля.

2. Основные результаты проекта

На первом этапе выполнения проекта выполнены следующие работы: проведен аналитический обзор научно-технической литературы на предмет создания и применения электрооптических покрытий, осуществлено патентное исследование по тематике проекта, выбраны направление и методика получения и исследования многослойных электрооптических покрытий, разработана математическая модель и проведено компьютерное моделирование электродных структур систем прецизионной перестраиваемой электрооптики, проведена пробная наработка однослойных структур и их исследование методом эллипсометрии.

На втором этапе выполнения проекта выполнены следующие работы: разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы многослойных тонкопленочных электрооптических градиентных структур, разработана эскизная конструкторская документация на макет функционального элемента узкополосного оптического фильтра на основе многослойной тонкопленочной электрооптической градиентной структуры, рассчитаны рабочие характеристики макета функционального элемента узкополосного оптического фильтра на основе многослойной тонкопленочной электрооптической градиентной структуры, проведены экспериментальные исследования по созданию многослойных тонкопленочных электрооптических градиентных структур, наработаны (резка, шлифовка, полировка и химическое травление пластин) и проведены исследования (методами атомно-силовой микроскопии) подложек для экспериментальных образцов многослойных тонкопленочных электрооптических градиентных структур. Количество наработанных образцов, отобранных в качестве подложек для многослойных электрооптических градиентных структур, — 5 шт. из сапфира, 5 шт. из кремния.

В качестве наиболее оптимальных для получения электрооптических структур выбран метод магнетронного распыления. Патентное исследование показало высокий технический потенциал и актуальность проекта. Для исследования планируемых к получению многослойных структур предложены методы сканирующей зондовой микроскопии, рентгеновского фазового анализа и эллипсометрии. Математические расчеты показали возможность изменения показателя преломления электрооптической пленки под действием поля, при этом выяснено наличие необходимости создания электродов на первой стадии создания многослойного покрытия. В результате наработки обозначено следующее направление получения покрытий: выращивание электрооптических пленок ниобата лития на холодных корундовых подложках.

На третьем этапе выполнения проекта выполнены следующие работы: изготовлены образцы многослойных тонкопленочных электрооптических градиентных структур; разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов многослойных тонкопленочных электрооптических градиентных структур; наработаны (резка, шлифовка, полировка и химическое травление пластин) и проведены исследования (методами атомно-силовой микроскопии) подложек для макета функционального узкополосного фильтра на основе многослойной тонкопленочной электрооптической градиентной структур. Получены подложки из сапфира для макета функционального элемента узкополосного оптического фильтра на основе многослойной тонкопленочной электрооптической градиентной структуры Средние значения шероховатости Rms для подложек составили 1,1±0,2 нм. Качество подложек удовлетворяет требованиям ГОСТ 11141-84: размер дефектов на поверхности не 0,068 мм, царапины и скопления дефектов не наблюдаются. Изготовлены 4 образца с многослойными тонкопленочными электрооптическими градиентными структурами, из них 2 на подложке из кремния, 2 на подложке из сапфира. Синтезированные образцы представляют собой шестислойную структуру с чередующимися слоями SiO₂ и LiNbO₃ с толщинами 100 и 150 нм соответственно. Толщины слоев задавались временем их роста с учетом скоростей роста, которые составляли 80 нм/час для ниобата лития, что соответствует п.4.2.2 ТЗ, и 11 нм/мин для SiO₂.

Информация о получении многослойных тонкопленочных градиентных электрооптических структур в мировой периодической литературе отсутствует.

Полученные на третьем этапе результаты соответствуют плану-графику и требованиям проекта.

3. Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

В рамках третьего этапа подана одна заявка на регистрацию результатов интеллектуальной деятельности. Получено свидетельство о регистрации коммерческой тайны (ноу-хау) за номером 34-339-2015
от 06 октября 2015 г., РФ, правообладатель — НИТУ «МИСиС».

4. Назначение и область применения результатов проекта

Разрабатываемая технология создания электрооптических градиентных структур предназначена для использования: в квантовой электронике — для точной настройки лазерных резонаторов; в оптическом приборостроении и в военной технике — создание перестраиваемых фильтров, поляризаторов, зеркал и других адаптивных элементов; в информационных системах — модуляция оптического сигнала; в медицинской промышленности — приборы ранней амбулаторной диагностики ряда трудно диагностируемых заболеваний по составу выдоха человека; в атомной промышленности — обнаружение малых концентраций водорода в области атомных реакторов. Способ использования — изготовление на предприятии, являющимся индустриальным партнером, перестраиваемых оптических элементов для приборов точной оптики.

Выполнение проекта будет способствовать появлению новых приборов прецизионной оптики с высокими эксплуатационными характеристиками.

5. Эффекты от внедрения результатов проекта

Научно-техническим эффектом от внедрения результатов проекта станет получение технологических приемов создания управляемых элементов для прецизионной фотоники на основе электрооптических градиентных структур. С помощью разрабатываемой технологии будут созданы новые более точные системы лазерной гироскопии, перестраиваемые высокодобротные резонаторы, лазерные системы, потребность в которых существует в ряде отраслей народного хозяйства.

В качестве экономического эффекта от внедрения результатов проекта ожидается получение прибыли от коммерциализации результатов научной работы и, как следствие, получение прибыли от продажи на российском и мировом рынке конкурентоспособной высокотехнологичной продукции.

Возможно использование разрабатываемых систем в военной технике, что обуславливает эффект увеличения оборонного потенциала страны.

6. Формы и объемы коммерциализации результатов проекта

Объектом коммерциализации является набор технологических приемов получения управляемых элементов для прецизионной фотоники на основе электрооптических градиентных структур. Прогнозируемый объем продаж управляемых элементов 700 шт./год, предполагаемые сроки окупаемости 5 лет. Основным направлением для коммерциализации будут предприятия промышленности, выпускающие измерительную аппаратуру для медицинских учреждений и научно-исследовательских лабораторий. Доля рынка лазерной техники в данных отраслях составляет более 600 млн. $ в год.

7. Наличие соисполнителей

Соисполнителей нет.