Ученые Пензенского государственного университета и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова совместно с коллегами из Шанхайского университета Китая разработали тонкопленочные покрытия с дифракционными решетками для современных нанотехнологий. Научная коллаборация поможет двум дружественным странам — России и Китаю увеличить энергию лазерных установок за счет сложения лазерных лучей. В дальнейших планах российско-китайского научного коллектива продолжить сотрудничество. Об этом написало электронное периодическое издание «Научная Россия».
Международный проект выполнялся в 2021–2022 годах при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Россия) и Государственного фонда естественных наук Китая.
От Пензенского госуниверситета над проектом «Фундаментальные основы проектирования тонкопленочных покрытий с дифракционными решетками для современных технологий» трудилось семь ученых под руководством доктора физико-математических наук, профессора, заведующего кафедрой «Математика и суперкомпьютерное моделирование» Юрия Смирнова.
Тонкопленочные оптические покрытия с дифракционными решетками создают уникальные перспективы для развития прорывных современных технологий. Они используются для усиления коротких лазерных импульсов до петаваттных и сверх-петаваттных уровней мощности. С их помощью производится спектральное сложение лазерного излучения, при котором многие некогерентные лазерные лучи различной длины волны складываются в один мощный луч. Благодаря спектральному сложению появляется возможность использования диодных лазеров при обработке материалов и в медицинских приложениях.
Над проектированием диэлектрических дифракционных решеток трудился международный коллектив ПГУ, МГУ имени М. В. Ломоносова и Шанхайского университета, а также Шанхайского института оптики и точной механики Китайской академии наук.
Задача российских ученых заключалась в разработке математической модели для создания диэлектрических дифракционных решеток. Они математическим методом рассчитали все ее параметры: расстояние между штрихами, их высоту, подходящие материалы для штрихов, слои зеркал и другие.
Диэлектрические дифракционные решетки применяются повсеместно, начиная от поляризационных очков и заканчивая такими серьезными проектами, как лазерный термоядерный управляемый синтез. Решетки собирают лазерные лучи в один луч для значительного увеличения его энергии.
«Подобные решетки находят широкое применение не только для заявленной работы, но они необходимы в оптике, лазерной технике. В создании модели математика занимает главное место в этих расчетах. Разработчики всегда хотят добиться высоких результатов, чтобы КПД решетки был большой, большее отражение в требуемый порядок, сложение лазерных лучей и так далее. И только после этого можно реализовывать эту решетку уже в материале», — рассказал Юрий Смирнов.
Российская и китайская сторона отлично дополнили друг друга, результат — удачный эксперимент. Экспериментальное исследование и проектирование решеток проводилось в Китае. Была доказала эффективность разработанной технологии — отклонение от расчетных величин составило 5–7%. Это значительно превосходит предыдущие результаты.
Со стороны России ученые смогли оптимизировать диэлектрические дифракционные решетки. Численно-аналитические методы при их разработке значительно сокращают время на их расчет.
Сотрудничество ученых из ПГУ, МГУ имени М. В. Ломоносова с коллегами из Китая продолжается, в планах разработать двумерные диэлектрические дифракционные решетки. По исследованию опубликовано более семи работ в российских и зарубежных высокорейтинговых журналах.
Сейчас российские ученые подали заявку на свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Инновационным решением заинтересовалась госкорпорация «Росатом», которая специализируется на создании нано-покрытий для лазерных технологий.