ИСТИНА

Создание оптических режекторных фильтров на основе анодного оксида алюминия

Optical notch filters play an important role in optical systems due to their ability to selectively attenuate the intensity of transmitted light of certain wavelengths, almost without changing the intensity for other wavelengths within the operating range of the filter. Such filters are used in spectroscopy, optical communication systems and analytical measurements, due to their ability to effectively suppress uninformative radiation. They are used, for example, in Raman spectrometers, in which it is necessary to separate a rather weak useful signal from a strong initial laser radiation. Due to their properties, optical notch filters are used in industries such as telecommunications and medical imaging. Optical notch filters are films with a periodic structure. Their principle of operation is based on the interference of waves reflected from the elements of the filter structure. The filter is designed so that destructive interference is achieved for the wavelengths that need to be attenuated, which reduces the intensity of the transmitted radiation by orders of magnitude. Commercially available filters are produced using physical methods that require expensive equipment, which affects the cost of the final product. Optical notch filters are a special case of one-dimensional photonic crystals. The use of a simple, scalable and widely used in industry technology of aluminum anodizing can become the desired solution for the manufacture of photonic crystal structures and optical notch filters with low cost. As part of the project, it is planned to produce a new generation of photonic crystal structures based on anodic aluminum oxide (AAO), characterized by increased thickness, which will allow the use of the resulting materials as optical notch filters. To date, the feedback anodizing method, which allows voltage (U) modulation versus the optical path length (L) along the normal to the film plane, U(L), is the best for the formation of photonic crystal structures among all anodizing regimes, since it allows synthesizing materials with record quality factors and precisely controlled position of characteristic peaks (photonic band gap and resonance band). Chemical etching of the AAO pore walls in acidic electrolyte solutions during anodizing limits the maximum thickness of the photonic crystal structure, since from a certain point in time, the oxide layers of the structure formed at the beginning of anodizing have time to completely dissolve while new layers are formed during the anodizing process. The idea of the project is to solve the described problem by optimizing the composition of the electrolyte. The composition of the electrolyte affects both the rate of formation of AAO and the rate of its dissolution. The effect of the electrolyte on these rates is conducted by various factors, including the incorporation of acid anions into the walls of the AAO during anodizing and the change in pH. It is known that the presence of impurities in the AAO walls increases the rate of dissolution. And a decrease in pH increases the rate of AAO formation. Three approaches to changing the composition of the electrolyte will be tested, which will significantly increase the maximum thickness of the photonic crystal structure. This approach will make it possible to create photonic crystals with a large number of periods, which will reduce the intensity of the suppressed radiation. To implement the U(L) anodizing mode in new electrolytes, the necessary data on the morphology and optical properties of AAO will be obtained depending on the anodizing voltage and etching time in the anodizing electrolyte. Based on these experimental data, a model will be developed that allows calculating the optical path length of individual layers of the porous AAO structure. Optical notch filters based on AAO will be manufactured using the techniques developed as a result of the project.

Ожидаемые результаты выполнения проекта обладают фундаментальной научной новизной и практической значимостью. В результате выполнения проекта будут получены систематические данные о зависимости скорости формирования и растворения анодного оксида алюминия (АОА) в электролитах на основе серной и хромовой кислот, раскрывающие особенности механизма такого практически важного промышленного процесса как анодирование. Будет уточнена модель растравливания пор АОА в электролите анодирования, позволяющая рассчитывать значения толщины и эффективного показателя преломления отдельных слоёв пористой структуры АОА непосредственно в процессе анодирования. Эта модель будет применена для создания масштабируемой лабораторной методики синтеза оптических режекторных фильтров на основе АОА. Результаты проекта откроют возможность создания нового поколения одномерных фотонных кристаллов и оптических микрорезонаторов на основе АОА с рекордными функциональными свойствами, которые могут быть использованы в оптических фильтрах, высокочувствительных проточных сенсорах и узкополосных излучателях. Результаты проекта будут опубликованы в высокорейтинговых рецензируемых журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus, входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору.

Творческий коллектив проекта обладает опытом формирования пористых плёнок из анодных оксидов титана и алюминия, фотонных кристаллов на их основе, в том числе трёхмерных, а также большим заделом в области получения и исследования фотонных кристаллов на основе прямых и инвертированных опалов. Кроме того, имеется опыт в области создания оптических фильтров и химических сенсоров на основе АОА. А так же получен опыт создания новых люминесцентных материалов. Коллективом был создан значительный методический задел, который будет использован при реализации данного проекта: • Методика определения толщины и эффективного показателя преломления анодных оксидов алюминия и титана, основанная на анализе осцилляций Фабри-Перо на оптических спектрах. • Режим анодирования с модуляцией напряжения в зависимости от плотности заряда анодирования U(q), позволяющий с высокой точностью контролировать морфологию пористой структуры оксидов вентильных металлов по толщине плёнки. • Модели растравливания пор анодных оксидов алюминия и титана, а также основанный на этих моделях режим анодирования U(L), в котором модуляция напряжения происходит в зависимости от длины оптического пути света в плёнке. Данный режим анодирования позволяет с высокой точностью задавать положение фотонной запрещённой зоны. • Методики синтеза различных фотонно-кристаллических структур на основе анодного оксида алюминия, включая оптические микрорезонаторы с добротностью более 200 и фотонно-кристаллические гетероструктуры с 21 независимой фотонной запрещённой зоной (рекордное значение для материалов, получаемых анодированием). • Методика определения пористости и показателя преломления стенок пор плёнок анодных оксидов вентильных металлов. • Методика автоматизированной обработки изображений растровой электронной микроскопии для построения распределения диаметра пор и расстояний между соседними порами в плёнках анодных оксидов [http://www.eng.fnm.msu.ru/software/], а также плотности пор вдоль нормали к поверхности.