Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Vlnové a částicové šíření světla, optické materiály a technologie

 Kód poskytovatele: AV0

 Identifikační kód: Z10100522

 Název výzkumného záměru: Vlnové a částicové šíření světla, optické materiály a technologie

 Uchazeč: Fyzikální ústav AV ČR Vykonavatel: Sekce optiky

 Řešitel: Ing. Alexandr Dejneka, Ph.D.

 Popis výzkumného záměru

 Vymezení předmětu výzkumné činnosti realizované ve výzkumném záměru Množství úloh teoretické i aplikované fyziky vyžaduje numerický přístup k řešení. Stále frekventovaněji je simulace fyzikálních problémů chápána jako numerický experiment často předcházející realizaci díky své ekonomické výhodnosti. V posledních letech byly numericky řešeny problémy kvantové a nelineární optiky, často spojené s analýzou vlastností kvantových stavů, od nichž se dají očekávat zlomové aplikace v komunikacích, kryptografii a výpočetní technice. Zvolené metody numerických analýz vycházejí z valné části ze známých principů (algebraické problémy vlastních čísel a vlastních vektorů mnohadimenzionálních matic, řešení soustav obyčejných diferenciálních rovnic apod.), které je nutno aplikovat téměř vždy novým způsobem. Množství dílčích algoritmů vyžaduje většinou heuristický přístup k přechodu od matematicko-fyzikálního popisu k použitelnému numerickému kódu. I v příštích letech lze očekávat trvalý zájem o řešení fyzikálně matematických problémů numerickými metodami. Využití numerického experimentu a modelování fyzikálních jevů, zákonitostí i konkrétních řešení lze vysledovat jako trvalý trend i v klasických optických disciplínách a aplikacích, včetně technologie. Předložený záměr předpokládá fundované teoretické zázemí, silně podpořené kvalitním experimentem, případně až do stádia aplikace, včetně realizace. V oblasti perspektivních materiálů, včetně materiálů pro optiku a optoelektroniku je kladen důraz na syntézu složitých vrstev a multivrstev nových typů materiálů a jejich kombinací. Studium vlastností tenkovrstvových materiálů přináší nové podněty pro rozvoj nových prvků součástkové základny optiky, optoelektroniky, senzorů, ap. S možností studia nových typů vrstev je nedílně spojen vývoj nových technologií umožňujících takovéto složité a materiálově různorodé vrstvy realizovat. V záměru je položen důraz na syntézu a studium vlastností nových typů vrstev a na vývoj vhodných technologií umožňujících vytvářet takovéto vrstvy jak pro potřeby výzkumu, tak i pro průmyslové aplikace. Synchrotronové záření (SZ) se stalo nepostradatelným nástrojem badatelského a aplikovaného výzkumu. Vývoj a realizace zdrojů SZ nové generace nutně vyžaduje i intenzivní vývoj příslušné optiky. Jelikož stále roste počet českých pracovníků, kteří SZ využívají, je žádoucí, abychom se také na vývoji optiky pro rentgenové SZ podíleli.

1. Kvantová optika

Bude provedena konstrukce různých typů zdrojů kvantově korelovaných fotonových párů založených na sestupné frekvenční parametrické nelineární konverzi typu I i typu II. V oblasti kvantové informace bude provedeno měření překryvů, fidelity a purity kvantových stavů, konstrukce kvantového multimetru a konstrukce zařízení k pravděpodobnostnímu kopírování kvantových stavů. Budou studovány statistické, prostorové a spektrální vlastností korelovaných párů fotonů, zejména statistiky počtu fotonů s využitím moderních statistických rekonstrukčních metod. Budou generovány vícenásobné páry korelovaných fotonů a detekovány vícenásobné (čtyřnásobné) koincidence s cílem demonstrovat neklasické vlastnosti kvantových stavů světla. K tomuto účelu budou zkonstruována speciální detekční zařízení. Pozornost bude věnována praktickým aplikacím výše uvedených témat. V teoretické rovině bude pokračovat intenzivní spolupráce s katedrou optiky UP. Budou studovány základní problémy kvantového počítání, kvantové teorie her aj., a to ve vztahu a užití v kvantové kryptografii. (Vztah mezi informací a fyzikou je znám již dávno, nicméně v posledních letech byl revolučně oživen díky rozvoji kvantové teorie informace.Ta začala s rozvojem kvantové kryptografie na začátku 90. let a později kvantového počítání, jakožto nového oboru mezi matematikou a kvantovou fyzikou s praktickými dopady možného řešení složitých matematických problémů na kvantových počítačích. Experimentální výzkum v oblasti kvantového počítání byl silným podnětem rozvoje v celé řadě oblastí fyziky, kde kvantovým dvoustavovým systémem lze realizovat kvantový bit. V současnosti probíhá intenzivní výzkum v oblasti entaglementu EPR, entaglementované entropie, kvantové teleportace, kvantové informace a speciální relativity, kvantové teorie her a v celé řadě kvantově-kryptografických aplikací. Díky kvantové teorii informace je v současnosti realizován rozvoj kvantové mechaniky, například jsou zkoumány důsledky redukované matice hustoty pro kvantovou informaci, jejíž vlastnosti jsou podstatně modifikovány relativistickými efekty, atd. Experimenty na ověření kvantové teorie informace je optimální realizovat na světelných kvantech.)

2. Vlnová a statistická optika, holografie

Výzkum optického jevu koherenční zrnitost a jeho vlastností bude zaměřen na: 

• Studium statistických vlastností polí koherenční zrnitosti pro případ částečně koherentního světla.
• Studium teorie tzv. fraktálové optiky pro modifikace měřící metody speklové dekorelace a s ní související teorie šíření polí koherenční zrnitosti.

 V oblasti optické interferometrie v bílém světle bude studováno pole koherenční zrnitosti, které se vyznačuje náhodnou fází a intenzitou a lze je tedy při splnění určitých podmínek využít pro účely měřící techniky. Při měření výškového profilu předmětu s drsným povrchem pomocí interferometrie v bílém světle se sice problém náhodné fáze neztratí, je však možné pozorovat interferenční proužky nultého řádu a tak měřit tvar předmětů s podélnou nejistotou měření přibližně 1 µm. Dosud není vysvětleno, jaký vliv mají singularity fáze pole koherenční zrnitosti na reprodukovatelnost měření. Z hlediska optických měření je tento jev velmi důležitý, protože experimenty prokázaly dosud nevysvětlitelné skoky v naměřených hodnotách. Interferometr s bílým světlem umožňuje snímat fázi pole koherenční zrnitosti s velkým rozlišením ve třech rozměrech a srovnáním lokální fáze s reprodukovatelností měření je možné zkoumat vliv singularit ve třech rozměrech. Tato oblast výzkumu je plánována ve spolupráci s univerzitou Friedricha-Alexandera v Erlangenu (SRN), a to včetně společného školení Mgr. A PhD. studentů. V oblasti holografie bude pokračováno v experimentálním studiu a ověřování metod návrhu a realizace holografických mřížek jako základu tzv. holografické optiky. Dále pak budou studovány moderní aspekty holografie, holografických záznamových materiálů a aplikační možnosti z pohledu užití nových optických a optoelektronických prvků a zařízení.

3. Aplikovaná optika, stavby přístrojů a zařízení na bázi optiky

Záměrem je systematicky vytvářet předpoklady k práci na návrzích, výpočtech a optimalizaci soustav, systémů a prvků pro transformaci optických svazků různých intenzit v širokém spektrálním rozsahu, včetně UV a IČ oblastí. Dále pak zejména bude pozornost zaměřena na nezobrazovací optické systémy, na jejich analýzu a syntézu, včetně toleranční analýzy soustav a optických prvků (vzhledem k technickým a technologickým mezím). Problematika ultralehkých zrcadlových prvků a dalších, dosud netradičních optických členů; fyzikální, technické a technologické aspekty problematiky tenkých optických vrstev, a to v komplexu zajištění jejich homogenity, energetických poměrů v mikro a nano rozlišení, vysoké reflektivity, špičkové odolnosti a životnosti; volba a typy netradičních materiálů, studium optických povrchů, parametrů optických vrstev (tvar, kvalita, rozptyl apod.). Problematika vybraných klasických i moderních optických technologií pro výrobu netradičních nebo atypických optických prvků a systémů, detektorů a měřicích zařízení. Problematika optických a optoelektronických detektorů se zaměřením na detekci slabých optických signálů (návrhy, měření a analýza). Studium fyzikálních aspektů interakce laserového záření a technických materiálů, včetně netradičních aplikací laserových technologií. Je předpokládána schopnost reagovat na požadavky praxe v oblasti stavby netradičních přístrojů a zařízení na bázi optiky s aplikacemi ve strojírenství, medicíně aj.

4. Optické materiály a struktury, tenké vrstvy a tenkovrstvé systémy, povrchové jevy; diagnostika

Budou studovány fyzikální vlastnosti tenkých vrstev připravovaných pomocí různě modifikovaných nízkoteplotních plazmatických technologií. Bude se jednat především o tenké vrstvy, vícevrstvé systémy či nanostruktury určené pro výzkum a aplikace v optice či optoelektronice. Vrstvy budou připravovány pomocí nízkotlakých systémů s nízkoteplotními plazmovými kanály v kombinaci s magnetronovým naprašováním dále pak ve vysokotlakých plazmatických systémech s proudícími plazmovými kanály pracujících v otevřeném prostředí za atmosférického tlaku. Excitace nízkoteplotního plazmatu bude prováděna vysokofrekvenčně, stejnosměrně, v různě modulovaných režimech a kombinací těchto typů excitace včetně mikrovlnného buzení plazmatu. Pomocí různých metod budou studovány fyzikální procesy v plazmových systémech a budou vytvářeny různé modely procesů v plazmatu a na přechodu plazma-pevný substrát. Parametry budou měřeny přímo při depozici vrstvy pomocí emisní spektroskopie, Langmuirovské sondy, energeticky rozlišené hmotnostní spektroskopie, mikrovlnné diagnostiky pracující v centimetrovém pásmu a měření impedancí plazmatu a rozhraní mezi plazmatem-pevnou fází. Různé diagnostické metody budou rozvíjeny a aplikovány na studium vlastností připravených tenkých vrstev či vícevrstvých systémů po depozici i přímo při depozičním procesu (in situ elipsometrie, luminiscence apod.). Bude prováděn výzkum základních mikromechanických parametrů optických funkčních tenkovrstvých systémů, nanokompozitů, rozhraní a nanostrukturovaných povrchů. Experimentální výzkum se soustředí především na struktury připravované na bázi různých forem dopovaného uhlíku, případně perovskitových oxidů včetně studia procesů difuze a adsorbce na definovaných površích. Budou vypracovány teoretické modely a realizovány nové experimentální techniky pro charakterizaci mechanických a tribologických vlastností zkoumaných struktur (mikrotvrdost, Youngův modul, adheze, vnitřní pnutí, frikční koeficient, otěruvzdornost). Sledována bude jejich závislost na depozičních parametrech, optimalizace depozice. Bude zkoumána jejich stabilita (časová závislost) v definovaném prostředí, termostabilita, apod. Budou rozpracovány opto-akustické diagnostiky tenkovrstvých systémů v lineární (a s přechodem do nelineární) oblasti. Budou rozvíjeny stávající depoziční metody založené na naprašování a vyvíjeny nové metody přípravy a optimalizace formování nanostrukturovaných materiálů, povrchů a tenkovrstvých systémů (multitryskové plazmatické technologie). Budou studovány optické vlastnosti, elektronová emise a případně další vlastnosti připravovaných struktur z hlediska jejich možných aplikací pro senzory, nové typy displejů, apod. Výzkum nových optických jevů, především v oblasti anomálního chování v okolí strukturních transformací, fázových přechodů vysoce polarizovatelných perovskitových (příp. perovskitům podobných) oxidů dopovaných různými kombinacemi a koncentracemi necentrálních dipólových příměsí. Budou studovány efekty samoorganizace, gigantické odezvy včetně doprovázejících jevů, efekty fázových přechodů a relaxačních procesů. Výzkum bude soustředěn především na následující formy optických materiálů: Krystaly, textury, keramiky, tenké vrstvy a jejich systémy, rozhraní, podpovrchové vrstvy a povrchové struktury, nanokompozity, nanočástice a nanoporézní systémy. V optické diagnostice bude soustředěno úsilí mj. na prohloubení aplikace interferometrie pro: 

• definici stavu a kvality povrchu vzorků (např. substrátů před depozicí)
• homogenitu deponované vrstvy interferenčním mikroskopem snímáním a vyhodnocováním obrazu z TV kamer
• výzkum vnitřního pnutí deponované vrstvy
• případně vyhodnocování struktury vrstev metodami obrazové analýzy za účelem optimalizace depozičních parametrů.

5. Laserové a hybridní technologie

Pozornost bude zaměřena do následujících oblastí: Studium možností a optimalizace hybridního systému pro depozici tenkých vrstev v in-situ kombinaci laserové ablace, magnetronu a radiofrekvenčních výbojů. Definovaný, reprodukovatelný a počítačem řízený depoziční proces. Vytváření nanokrystalických, nanokompozitních a gradientních vrstev nových a perspektivních materiálů v reaktivním okolním prostředí. Studium a optimalizace depozičního procesu s cílem vytváření stechiometrických a krystalických vrstev za nízkých depozičních teplot, na velkých plochách podložek (řádu 3 x 3 cm2), s tloušťkovou nehomogenitou menší než 10%. Pozornost se soustředí především na materiály C, Ti, Zr, Zn, Al, Fe, BN, Cr, Si, atd. Syntéza a studium aktivních a pasivních optických a vlnovodových vrstev a struktur s cílem docílení krystalicky vysoce orientovaných vrstev za nízkých depozičních teplot, případně s laserovou rekrystalizací amorfních vrstev. Studium růstu nanokrystalických vrstev v amorfních a polykrystalických vlnovodových vrstvách. Vytváření vrstev z aktivních laserových materiálů s cílem konstrukce tenkovrstvových planárních vlnovodových minilaserů. Pozornost se soustředí zejména na laserové materiály a na BaTiO3, PLZT, PZT, ZnO, SnO2 a Al2O3. Tenkovrstvová čidla (zejména plynů), s vysokou selektivitou, citlivostí a reprodukovatelnosti měření na bázi změny elektrických nebo optických vlastností v závislosti na typu plynu a jeho koncentraci. Pozornost se soustředí na anorganické materiály (SnO2), organika (SnAcAc, FeAcAc, atd) a legující prvky (Pt, Pd). Rozvoj metodiky depozice organických vrstev technologií MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/ Ionisation), tj. z rotačního terče chlazeného na teploty kapalného dusíku. Tato technologie by měla umožnit přenos celých neporušených řetězců organických molekul z terče na podložku. Tenké vrstvy biokompatibilních materiálů s optimálními biomedicínskými vlastnostmi při vysoké adhezi vrstvy k implantátu. Pozornost se soustředí zejména na gradientní kombinaci amorfních a krystalických fází bioaktivních a inertních materiálů (hydroxyapatit a ZrO2).

6. Rentgenová optika

V rentgenové optice se zaměříme především na krystalovou optiku pro synchrotronové záření. Soustředíme se na: 

• výzkum a vývoj difrakčně-refrakční optiky, rozšíření stávajících výsledků i na Laueho difrakci, vývoj technologie opracování povrchů Si monokrystalů, kterou tato optika vyžaduje.
• studium difrakce na dokonalých krystalech za normálních i extrémních podmínek (extrémní tepelná radiační zátěž) a na aplikaci výsledků pro konstrukci různých typů přímo chlazených Si rtg. monochromátorů pro synchrotronového záření zdrojů čtvrté generace.
• kromě Si monokrystalů se v některých případech soustředíme na možnost použití krystalů diamantu. 

Vedle krystalové optiky se budeme zabývat i některými problémy klasických rentgenových refrakčních čoček.