ИСТИНА

Актуальность исследования определяется тем, что оптические покрытия используются во всех лазерных системах большой мощности, а также тем, что современные технологии математического моделирования, ориентированные на использование параллельных вычислений, позволяют исследовать важнейшие свойства составляющих покрытия тонких пленок. Устойчивая работа оптических покрытий зависит от величины порога лазерного разрушения - мощности и длительности импульса, вызывающего необратимые структурные изменения и потерю функциональных свойств покрытия (прозрачности, высокого отражения в заданном диапазоне длин волн, и др.). Повышение порога лазерного разрушения (лучевой прочности) покрытий имеет критическое значение для развития лазерных систем большой мощности. Величина порога лазерного разрушения зависит от свойств материалов, из которых формируются покрытия и от условий их напыления. Такие зависимости могут изучаться как экспериментально, так и методами математического моделирования. Значительный рост мощности суперкомпьютеров и развитие технологий параллельных вычислений, в том числе с использованием графических процессоров, позволяют моделировать атомистические кластеры технологически значимых размеров для выявления зависимостей между технологическими параметрами напыления и структурными свойствами оптических тонких пленок, влияющими на порог лазерного повреждения. Таким образом, развитие методов математического моделирования существенно дополняет и расширяет возможности исследования свойств оптических тонких пленок. В проекте предполагается впервые провести многомасштабное исследование образования наноразмерных и точечных дефектов в оптических тонких плёнках и характеристик этих дефектов, влияющих на величину порога лазерного повреждения пленок. При этом впервые будут разработаны методы моделирования роста тонких оптических пленок при осаждении как отдельных атомов, так и молекулярных кластеров, формируемых из мишеней различного состава. Кроме того, будет разработана система моделирования роста пленок при ионном ассистировании процесса напыления. Научная новизна проекта состоит также в том, что впервые методами математического моделирования будет проведено многомасштабное исследование формирования дефектов в переходной области между пленками различных составов. В качестве объектов исследования будут выбраны пленкообразующие диэлектрические материалы как с высоким, так и с низким показателем преломления, широко используемые при изготовлении оптических покрытий различного назначения. Исследование зависимости концентрации структурных дефектов тонких пленок от технологических параметров различных методов напыления покрытий будет проведено с использованием технологий суперкомпьютерного моделирования, в том числе на основе графических процессоров. При моделировании будут использованы классические и квантовые методы атомистического уровня, а также континуальные методы, описывающие распространение лазерного излучения и тепловых потоков в многослойных оптических покрытиях. По результатам выполнения проекта будет создан программный комплекс, реализующий моделирование процессов напыления оптических тонких пленок различными методами, и позволяющий исследовать структурные свойства пленок, влияющие на величину порога лазерного повреждения.

The relevance of the study is determined by the fact that optical coatings are used in all high-power laser systems. Also, the modern mathematical modeling technologies focused on the use of parallel computing make it possible to investigate the most important properties of thin films composing optical coatings. The stable operation of optical coatings depends on the threshold of laser induced damage - the power and duration of the pulse, which causes irreversible structural changes and loss of the functional properties of the coating (transparency, high reflection in a specified wavelength range, etc.). Increasing the laser damage threshold of coatings is of critical importance for the development of high-power laser systems. The value of the laser damage threshold depends on the properties of the materials forming the coatings and on the conditions of their deposition. Such dependencies can be studied both experimentally and by mathematical modeling methods. A significant increase in the power of supercomputers and the development of parallel computing technologies, including those using graphic processors, make it possible to simulate atomistic clusters of technologically significant sizes to reveal the dependencies between the technological parameters of deposition and the structural properties of optical thin films affecting the laser induced damage threshold. Thus, the development of mathematical modeling methods significantly expands the possibilities of studying the properties of optical thin films. In the frame of the project, it’s supposed for the first time to carry out a multiscale study of the formation of nanosized and point defects in optical thin films and the characteristics of the defects acting the threshold of laser induced damage of films. The method for modeling the growth of thin optical films during the deposition of both individual atoms and molecular clusters formed from targets of various compositions will be developed for the first time. In addition, a system for simulating film growth with ion assisted deposition will be developed. The scientific novelty of the project also lies in the fact that, for the first time, a multiscale study of the formation of defects in the transition region between films of different compositions will be carried out. The objects of study will be film-forming dielectric materials with both high and low refractive index, widely used for producing of optical coatings for various purposes. The study of the dependence of the concentration of structural defects in thin films on the technological parameters of various methods of coating deposition will be carried out using supercomputer simulation technologies, including those based on graphic processors. The simulation will use classical and quantum methods of the atomistic level, as well as continuum methods that describe the propagation of laser radiation and heat transfer in multilayer optical coatings. Based on the results of the project, a software package allowing the simulation of the processes of deposition of optical thin films by various methods will be elaborated. This package makes it possible to study the structural properties of films affecting the value of the laser induced damage threshold.

К наиболее значимым ожидаемым результатам проекта относятся следующие: 1. Программный комплекс, реализующий моделирование процессов напыления, наиболее широко используемых на практике для создания оптических покрытий с высокими значениями порога лучевой прочности. Программный комплекс позволит варьировать при моделировании основные технологические параметры процессов напыления. 2. Зависимости влияющих на порог лазерного повреждения характеристик точечных и наноразмерных дефектов от технологических параметров процессов напыления. Такие зависимости будут получены как для отдельных пленок, так и для граничных областей между пленками из различных материалов. 3. Результаты континуально-атомистического моделирования нагрева и начальной стадии испарения пленки при поглощении лазерного излучения, включая временные зависимости распределения температуры в поглощающих слоях и параметры процесса испарения вещества пленки. Научная значимость ожидаемых результатов обусловлена возможностью установления закономерностей между физико-химическими условиями роста тонких оптических пленок и характеристиками структурных дефектов, определяющих величину порога лазерного разрушения пленок. Установление таких закономерностей способствует более глубокому пониманию механизма лазерного повреждения оптических тонких пленок. Предполагаемые результаты проекта существенно превысят достигнутый к настоящему времени мировой уровень исследований по тематике проекта. К настоящему времени проведено большое число экспериментальных работ, связанных с этой тематикой. Проводятся также исследования с использованием методов математического моделирования. Однако, многие исследования, основанные на технологиях математического моделирования, не используют или же используют в недостаточной мере современные возможности технологий параллельных вычислений. Уровень ожидаемых результатов определяется использованием многомасштабного подхода к моделированию: континуальные методы будут опираться на результаты классического молекулярно-динамического моделирования, результаты классического уровня атомистического моделирования будут использоваться также на квантовом уровне. При этом все вычисления будут проведены с использованием суперкомпьютерных технологий параллельных вычислений, реализованных в том числе и на графических процессорах. Общественная значимость предполагаемых результатов обусловлена быстрым развитием лазерных технологий высокой мощности для различных научных и промышленных приложений. Для дальнейшего развития этих технологий необходимы оптические покрытия с высоким порогом лазерного повреждения. Выявление зависимости между технологическими параметрами напыления оптических покрытий и структурными дефектами, влияющими на порог лазерного повреждения, позволит оптимизировать процесс проектирования и технологии изготовления оптических покрытий для лазерных систем высокой мощности.

У коллектива заявителей проекта имеется большой научный задел по тематике проекта, отраженный в более чем 30 публикациях в журналах из списков РИНЦ, Wed of Science, Scopus. Из них около половины – в журналах из первого и второго квартилей. Научный коллектив имеет многолетний опыт совместной реализации проектов, в числе двух проектов РНФ. Все эти проекты были выполнены успешно и со значительным превышением по планировавшимся результатам и числу публикаций. Наиболее значимый задел для выполнения данного проекта составляют следующие ранее разработанные методы: атомистического моделирования процесса высокоэнергетического напыления тонких оптических пленок, моделирования отжига пленок после напыления, получения структуры стеклообразного состояния из кристаллического, расчета поверхностной шероховатости и пористости, континуально-атомистический многомасштабный метод расчета тензора показателя преломления высокопористых анизотропных пленок, метод расплавления-отвердевания для изучения аморфных состояний пленкообразующих материалов, основанный на квантовой молекулярной динамике. Из полученных ранее результатов наиболее значимыми для выполнения настоящего проекта являются результаты исследования структуры высокопористых анизотропных пленок, полученных напылением под большим углом, GLAD (glancing angle deposition). Дополнительно, к важному заделу по проекту относится накопленный ранее опыт разработки программных комплексов, реализующих разработанные методы моделирования и ориентированных на использование технологий суперкомпьютерного моделирования, в том числе реализованных на графических процессорах.