Nume proiect: Acoperiri antireflex pentru laseri de mare putere in pulsuri ultra-scurte

Acronim: ARCOLAS

Contract nr. 38/01.07.2014

Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-1870

Denumirea Programului: PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE

Autoritatea contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

Coordonator: Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei (INFLPR)

Valoarea contractului: 1.437.500 lei

Bugetul de stat: 1.250.000 lei

Cofinanţare proprie: 187.500 lei

Data inceperii proiectului: 01/07/2014

Data incheierii proiectului: 30/09/2017

Durata contractului: 39 luni

Consortiul:
CO - INFLPR – Director proiect: Dr. Mihaela FILIPESCU

P1  - INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR (INCDFM) – Responsabil proiect: Dr. Sergiu NISTOR

P2  - INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE- DEZVOLTARE PENTRU MICROTEHNOLOGIE  (IMT) – Responsabil proiect: Dr. Cristian KUSKO

P3  - PRO OPTICA SA – Responsabil proiect: Georgeta SOROHAN

 

Rezumatul proiectului:

Proiectul ARCOLAS se incadreaza in aria tematica specifica de Noi Materiale Fotonice, si isi propune proiectarea si testarea ca demonstrator de acoperiri performante antireflex (AR) rezistente ce urmeaza a fi folosite la generarea de oglinzi de plasma pentru sistemele laser de mare putere in pulsuri ultrascurte.

Proiectul, bazat pe existenta unei retele performante de facilitati cu laseri de mare putere in pulsuri ultra-scurte din cadrul INFLPR (CO), are ca scop obtinerea de componente optice pentru facilitatile existente si pentru ELI-NP, care va fi construita in zona de cercetare Magurele si in care INFLPR este implicat ca partener.

Proiectul raspunde cererii de componente optice folosite la sisteme laser de mare putere in pulsuri ultra-scurte datorita numarului in continua crestere de astfel de facilitati si tinand cont ca de faptul ca in lume exista doar doi furnizori calificati.

Proiectul va fi dezvoltat in etape precise, urmarind conceptul atat in aspectele sale teoretice cat si practice. Va fi studiata compozitia/combinatia de materiale dielectrice cu indici de refractie diferiti pentru a fi utilizate ca filme subtiri si/sau ca heterostructuri cu proprietati antireflex. Straturile subtiri vor fi obtinute prin depunere laser pulsata (PLD) si prin PLD asistat de descarcare in radio-frecventa (RF-PLD). Parametrii experimentali de obtinere a fiecarui strat si a structurilor combinate vor fi stabiliti dupa caracterizarea acestora prin tehnici specifice ca AFM, XRD, spectroellipsometrie, SIMS, SEM, HR-TEM, cu aparatura de inalta performanta apartinand partenerilor implicati.

Componente optice-demonstratori cu proprietati antireflex controlate vor fi apoi obtinute pe baza straturilor dielectrice cu proprietati optimizate si in configuratia arhitecturala (heterostructura) potrivita scopului de a fi compatibile cu generarea de oglinzi de plasma, capabile sa reziste la energii mari ale laserilor in pulsuri ultra-scurte.

In acelasi timp se va realiza simularea matematica/teoretica a fenomenelor care apar atunci cand un laser de PW interactioneaza cu un material, folosind metoda denumita Particle in Cell-Finite Difference Time Domain. De o importanta cruciala in cadrul proiectului va fi testarea demonstratorului pentru oglinda de plasma in domeniul laser de mare intensitate in pulsuri ultra-scurte, in regim relativist (intensitati de 10^18W/cm^2 - 10^20W/cm^2). Acest lucru se va face la INFLPR, unde exista o retea de sisteme laser in pulsuri ultra-scurte precum GIWALAS (GW), TEWALAS (TW) si CETAL (1 PW). Posibilitatea de acces direct la aceste instalatii va permite un feedback rapid in ceea ce priveste comportamentul stratului AR in regim de oglinda de plasma.

Un aspect important este legat de potentialul de a folosi in viitor demonstratorul la facilitatea ELI-NP (10 PW), unde se asteapta sa se faca trecerea catre regimul ultra-relativist (10^23 - 10^24 W/cm^2). Partenerul industrial are capacitatea de a proiecta si produce suporturile pentru componentele optice capabile sa reziste la puteri mari ale laserilor in pulsuri ultra-scurte.

Rezultatele obtinute vor fi in primul rand obiectul unor brevete, deoarece subiectul este de avangarda si vor fi publicate in reviste de mare impact.

 

Obiectivul general al proiectului propus este de a proiecta, a construi si de a dezvolta dispozitive optice (oglinzi antireflex) pentru laseri de mare putere cu pulsuri ultra-scurte, in intervalul 1-10 sau chiar mai multi petawatti.

 

Obiectivele specifice proiectului:

O1 – Proiectarea acoperirilor antireflex performante, durabile pentru oglinzi de plasma pentru sistemele de laseri TW / PW

O2 – Identificarea metodei potrivite de crestere reproductibila de filme subtiri si heterostructuri cu proprietati adecvate pentru a fi folosite ca strat antireflex pentru generarea de oglinzi de plasma in regim ultrascurt de mare putere. Vor fi testate si studiate doua tehnici de crestere: depunerea laser pulsata (PLD) si PLD asistat de o descarcare de radio-frecventa (RF-PLD)

O3 – Obtinerea de straturi subtiri cu grosimea controlata si uniforma

O4 – Obtinerea heterostructurilor din compusi diferiti, cu grosime controlata si uniforma si fara strat de interdifuzie

O5 – Investigatii si masuratori efectuate asupra acoperirilor obtinute in scopul de a determina proprietatile morfologice, structurale, compozitionale, optice si electrice

O6 – Obtinerea de acoperire antireflex complet caracterizate

O7 – Efectuarea de studii de simulare a fenomenelor ce apar in timpul interactiei unui laser PW cu un material tinta

O8 – Obtinerea de acoperiri AR pentru oglinzile de plasma capabile sa reziste la pulsuri laser ultra-scurte cu energii mari

O9 – Diseminarea rezultatelor la nivel national si international prin participarea la conferinte si ateliere de lucru; aplicatii pentru obtinerea de patente

O10 – Conceperea planului de afaceri

O11 – Indeplinirea tuturor sarcinilor de proiect si rapoarte stiintifice

 

Rezultatele estimate:

Proiectul va aduce informatii si cunostinte cu privire la aceste materiale complexe si date fundamentale cu privire la fenomenele care apar atunci cand pulsuri laser ultra-scurte cu energii mari interactioneaza cu ele. Dispozitive optice avansate (bazate pe oglinzi de plasma) vor fi dezvoltate pentru laseri PW, conducand la cresterea vizibilitatii cercetarii romanesti la nivel international.

Acest proiect va reinvia linia de productie de dispozitive optice pentru laseri din cadrul INFLPR si va crea oportunitati pentru noi colaborari si proiecte multidisciplinare intre partenerii implicati in proiect si alte grupuri de cercetare.

Partenerul industrial are capacitatea de a proiecta si produce suporturile pentru componentele optice capabile sa reziste la puteri mari ale laserilor in pulsuri ultra-scurte .
De fapt, dezvoltarea acestui proiect va contribui intr-o mare masura si la realizarea celui mai mare proiect al deceniului, si anume ELI-NP.

Diseminarea rezultatelor stiintifice va spori vizibilitatea internationala a membrilor consortiului.

 

Etapa I - 31.12.2014

Model de acoperiri antireflex (AR) pentru optica laserilor de mare putere in pulsuri ultra-scurte functionand la lungimi de unda centrate pe  800 nm

Suma : 89.006 lei

>>Rezumatul etapei I<< (click pentru vizualizare)

Activitati:

1.1 – Alegerea materialelor folosite ca substrate (sticla, cuart, safir sau MgO) pentru acoperirile dielectrice anti-reflex (AR), stabilrea cerintelor pentru substrat si a tehnologiei de prelucrare si verificare

1.2 –  Alegerea modelului de strat dielectric – multi-straturi (heterostructuri)

1.3 – Modelarea, simularea si proiectarea prin  Finite Difference Time Domain (FDTD) a straturilor antireflex pentru oglinzi de laser de mare putere cu pulsuri ultra-scurte

1.4 – Caracterizarea substratelor flosite pentru depuneri, inainte de a fi procesate (AFM, SE, SEM)

1.5 – Coordonarea stiintifica a proiectului

Rezultate obtinute: Model de acoperiri anti-reflex;  Raport stiintific si economic catre UEFISCDI



Etapa II - 31.12.2015

Depunere si caracterizare de heterostructuri pentru acoperiri AR compatibile cu generarea de oglinzi de plasma; Intitiere elaborare model teoretic interactie laser de mare putere cu pulsuri ultrascurte – material 

Suma: 442.556 lei

>>Rezumatul etapei II<< (click pentru vizualizare)

Activitati:

Activitatea 2.1 – Prepararea, procesarea si caracterizarea substratelor pentru depuneri
Activitatea 2.2 – Depuneri preliminare de oxizi simpli pe diferite substraturi prin PLD; tratamente termice post-depunere
Activitatea 2.3 – Depunerea de heterostructuri oxidice prin PLD pentru obtinerea de straturi AR
Activitatea 2.4 – Investigatii morfologice (Microscopie de Forta Atomica – AFM si Microscopie Electronica cu Baleiaj – SEM) ale suprafetelor straturilor subtiri obtinute prin PLD
Activitatea 2.5 – Investigatii structurale ale probelor obtinute, prin Difractie de raze X (XRD) si Spectroscopie Raman
Activitatea 2.6 – Determinarea proprietatilor optice prin spectroelipsometrie
Activitatea 2.7 – Investigarea distributiei elementelor chimice in straturile depuse prin Spectrometrie de Masa a Ionilor Secundari (SIMS)
Activitatea 2.8 – Determinarea impuritatilor prin SIMS si Rezonanta Electronica de Spin (RES)
Activitatea 2.9 – Determinarea comportamentului dielectric al straturilor obtinute, prin efectuarea de masuratori electrice
Activitatea 2.10 – Initierea integrarii metodei Particle in Cell cu metoda Finite Difference Time Domain (PIC-FDTD) in vederea simularii interactiei laser – plasma
Activitatea 2.11 – Diseminarea rezultatelor in reviste internationale/nationale de specialitate si participarea la conferinte nationale si internationale cu respectarea dreptului de proprietate intelectuala
Activitatea 2.12 – Pregatirea set-up-ului experimental pentru cresterea de straturi oxidice prin RF-PLD; Stabilirea parametrilor experimentali pentru efectuarea de depuneri preliminare de oxizi simpli pe diferite substraturi prin RF-PLD
Activitatea 2.1.3 – Procesarea substratelor pentru realizarea de componente optice (straturi AR dielectrice)
Activitatea 2.1.4 – Studii asupra pragului de distrugere indus laser
 

Etapa III - 31.12.2016

Realizarea si testarea componentelor optice bazate pe straturi functionale AR pentru oglinzi de plasma. Elaborare model teoretic interactie laser de mare putere cu pulsuri ultrascurte – material

Suma: 448.823 lei

>>Rezumatul etapei III<< (click pentru vizualizare)

Activitati:

Activitatea 3.1 – Depuneri preliminare de oxizi simpli pe diferite substraturi prin RF-PLD; tratamente termice

Activitatea 3.2 – Depunerea de heterostructuri oxidice prin RF-PLD pentru obtinerea de straturi AR

Activitatea 3.3 – Studii de aderenta a filmelor la substrat obtinute in cadrul Activitatilor 2.2, 2.3, 3.1, 3.2

Activitatea 3.4 –  Investigarea proprietatilor straturilor subtiri obtinute cu RF-PLD, prin AFM, SEM, XRD, Spectroscopie Raman, elipsometrie, SIMS, RES; determinarea comportamentului dielectric

Activitatea 3.5 – Masuratori de transmisie si absorbtie a straturilor oxidice in cadrul Activitatii 2.3 si 3.2, prin spectroscopie optica

Activitatea 3.6 – Analizarea prin Microscopie Electronica prin Transmisie de Inalta Rezolutie (HR-TEM) a straturilor obtinute in cadrul Activitatilor 2.3 si 3.2

Activitatea 3.7  – Studii preliminare de iradiere a structurilor obtinute in cadrul Activitatii 2.3 si 3.2 cu fascicule ultrascurte  de zeci de TW

Activitatea 3.8 – Integrarea metodei Particle in Cell cu metoda Finite Difference Time Domain (PIC-FDTD) in vederea simularii interactiei laser – plasma

Activitatea 3.9 –  Initiere studiu de fezabilitate privind realizarea acoperirilor AR pentru componente optice

Activitatea 3.10 – Realizarea de acoperiri AR cu proprietati functionale (secventa prestabilita a heterostructurii pentru laseri de mare putere in pulsuri ultra-scurte) (partial)

Activitatea 3.11 –  Investigatii morfologice (AFM si SEM) ale suprafetelor straturilor subtiri obtinute prin PLD, RF-PLD (partial)

Activitatea 3.12 –  Investigatii structurale ale probelor obtinute prin XRD si Spectroscopie Raman (partial)

Activitatea 3.13 – Determinarea proprietatilor optice prin spectroelipsometrie (partial)

Activitatea 3.14 –  Diseminarea rezultatelor in jurnale de specialitate si participarea la conferinte nationale si internationale cu respectarea dreptului de proprietate intelectuala

 

Rezultate obtinute:

Mostre de laborator crescute ca heterostructuri;

Raport de experimente;

Raport de cercetare privitor la rezultatele obtinute in urma investigatiilor;

Fisa tehnica cu paremetrii de depunere capabili sa duca la obtinerea de straturi dielectrice

functionale pentru oglinzi de plasma;

Date numerice FDTD despre stratul de plasma (oglinda de plasma) generat pentru oglinzi laser de mare putere;

Rapoarte tehnice referitoare la calitatea straturilor AR pentru oglinzi de plasma;

1 articol stiintific ISI;

1 capitol carte;

13 prezentari  la conferinte si  expozitii internationale;

Raport stiintific si economic catre UEFISCDI;

 

DISEMINARE

1) Conferinta XXXII ICPIG Iasi, Romania 26-31 Iulie 2015 (poster presentation) - Abstract (click)

2) Conferinta de Ablatie Laser (COLA-2015), Cairns, Australia, 31 August – 4 Septembrie 2015 (poster presentation) - Abstract (click)

3) Filipescu M., Palla Papavlu A., Dinescu M., Chapter 3: Functional metal oxide thin films grown by pulsed laser deposition, Book: Crystalline and Non-crystalline Solids (2016) InTech, pp. 37-55 DOI: http://dx.doi.org/10.5772/62986 ISBN 978-953-51-4721-3

4). E.S. Bârca, M. Filipescu, C. Luculescu, R. Birjega, V. Ion, M. Dumitru, L.C. Nistor, G. Stanciu, M. Abrudeanu, C. Munteanu, M. Dinescu,  Pyramidal growth of ceria nanostructures by pulsed laser deposition, (2016) Applied Surface Science, 363, pp. 245-251. DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.12.064

5) 16th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science (IBWAP), 7-9 Iulie, 2016, Constanta, Romania, PREZENTARE ORALA Dielectric materials grown as thin films by pulsed laser deposition, M. Filipescu, S. Nistor, L. C. Nistor, V. Ion, M. Dinescu

6) High Power Laser Ablation and Directed Energy Symposium (HPLA), 4 - 7 Aprile 2016, Santa Fe, New Mexico, POSTER Dielectric materials grown as thin films by pulsed laser deposition, M. Filipescu, S. Nistor, L. C. Nistor, V. Ion, C. Luculescu, M. Dinescu

7) Advanced Functional Materials (AFM), Symposium: S2: Metal oxide, carbon, nitrides etc based thins films, 8-11 August 2016, Coreea, Jeju, POSTER Antireflective coatings grown as thin films by pulsed laser deposition M. Filipescu, V. Ion, F. Stokker-Cheregi, C. Luculescu, M. Dinescu

8) 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications (ICPEPA), August 29 – Septembrie 2, 2016, Brasov, Romania, POSTER Dielectric thin films obtained by laser-plasma methods for high power laser optics, M. Filipescu, A. Bercea, S. Nistor, L. C. Nistor, V. Ion, M. Dinescu

9) E-MRS Spring Meeting Conference, 2 – 6 Mai 2016, Lille, Franta, POSTER Antireflective thin films obtained by laser-plasma methods for high power laser optics, M. Filipescu, A.I. Bercea, S. Nistor, L. C. Nistor, V. Ion, M. Dinescu

10) The 6th International Conference on Nanostructures and Nanomaterials Self-Assembly (NanoSEA 2016), 3-8 Iulie 2016, Sicilia, Italia, LECTIE INVITATA A new perspective on incorporation, localization and interaction of Mn2+ ions in self-assembled cubic ZnS:Mn quantum dots and their influence on the optical and magnetic properties, S. V. Nistor, L. C. Nistor, M. Stefan, D. Ghica, I. D. Vlaicu

11) The 6th International Conference on Nanostructures and Nanomaterials Self-Assembly (NanoSEA 2016), 3-8 Iulie 2016,  Sicilia, Italia, POSTER Aggregation  of Mn2+ ions in a separate phase in the pores of heavily doped cZnS:Mn nanocrystals self-assembled in a mesoporous structure, L. C. Nistor, S. V. Nistor, I. D. Vlaicu,  M. Stefan, and D. Ghica

12) The 19th International Conference on Defects in Insulating Materials ICDIM 2016, 10-15 Iulie 2016, Lyon, Franta, PREZENTARE ORALA The main role of extended lattice defects in the localization and interaction of Mn2+ ions in cubic ZnS quantum dots, S. V. Nistor, M. Stefan,  L. C. Nistor, D. Ghica, and I. D. Vlaicu

13) The 19th International Conference on Defects in Insulating Materials ICDIM 2016, 10-15 Iulie 2016, Lyon, Franta, PREZENTARE ORALA Collective magnetism from aggregated Mn2+ activating ions in self-assembled cZnS quantum dots at high doping levels, M. Stefan, S. V. Nistor, L. C. Nistor, V. Kuncser, and I. D. Vlaicu

14) The 19th International Conference on Defects in Insulating Materials ICDIM 2016, 10-15 Iulie 2016, Lyon, Franta, POSTER Paramagnetic defects produced by high-radiation doses in silicon detector material, A.C. Joita, S. V. Nistor and I. Pintilie

15) The 19th International Conference on Defects in Insulating Materials ICDIM 2016, 10-15 Iulie 2016, Lyon, Franta, POSTER Structure and localization of aggregated Mn2+ ions as a separate phase in the mesoporous assembly of cZnS:Mn QDs, L. C. Nistor, S. V. Nistor, M. Stefan and I. D. Vlaicu

16) Expozitia internationala  Black Sea Defense & Aerospace, 18-20 mai 2016, Bucuresti, Romania - au fost prezentate pliante cu rezultatele cercetarii obtinute in cadrul societatii, inclusiv  pentru proiectul ARCOLAS (PRO OPTICA)

17) Expozitia internationala Eurosatory, 13-17 iunie 2016, Paris, Franta – PRO OPTICA a participat si a prezentat rezultatele obtinute in cadrul proiectului la urmatoarele conferinte: i) Technology trends – Innovation and threats, threats and attacks detection; ii) International Technology Cooperation.