Schválené projekty 2019

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2019

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 55 404 010 Kč

Z toho 0,18 % - 99 192 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 433 100
EKF  3 711 635
FAST  2 600 000
FS   8 127 164
FEI 15 797 594
HGF   5 859 651
FMT  7 597 824
VC 10 177 850
CELKEM 55 304 818

KódSP2019/151
Název projektuNekoherentní jevy ve vrstevnatých strukturách s laterální periodicitou
ŘešitelCiompa Přemysl Ing.
Školitel projektudoc. Dr. Mgr. Kamil Postava<br />
Období řešení projektu01.01.2019 - 31.12.2019
Předmět výzkumuPředmět výzkumu v rámci projektu :

Projekt se zaměřuje na rozvinutí teorie nekoherentích jevů v optických periodických systémech. Toto téma bylo otevřeno v rámci modelování emisních profilů spinových laserů, ale je relevantní pro řadu dalších aplikací, kde nekoheretní jevy způsobené převážně přítomností tlustých substrátů hrají důležitou roli. Kromě spinových laserů se tedy jedná například o holografické bezpečnostní prvky, plasmonické struktury nebo absorbce nekoherentního záření v solárních článcích. Dosavadní způsoby modelování nekoherentních jevů v optických systémech spočívají na statistickém středování koherentních polí, které jsou výpočetně velmi náročné a stávají se neúnosné pro složitější 2D a 3D struktury a zabraňují efektivnímu vyhodnocení experimentálních dat a optimalizaci navrhovaných struktur. Z tohoto důvodu je potřeba vyvinout nové a efektivnější přístupy k modelování nekoheretních jevů pro budoucí výzkum a optimalizaci komplexních optických komponent. Navrhovaný způsob řešení tohoto problému spočívá v aplikaci formalismu Muellerových matic, který pracuje na rozdíl od amplitud studovaných polí s jejich intenzitami a tudíž se vyhne nutnosti statistického sředování a značně sníží výpočetní náročnost problému.

Kvalifikace řešitelského týmu:

Navrhovaný projekt je součástí doktorského studia Ing. Přemysla Ciompy pod dvojím vedením doc. Dr. Mgr. Kamila Postavy z VŠB-TUO a Dr. Henriho Jafrrése z Unité Mixte de Physique CNRS/Thales a také doktorského studia pod dvojím vedením Ing. Barbory Kacerovské vedené doc. Dr. Mgr. Kamilem Postavou z VŠB-TUO a prof. Michaelem Čadou z Dalhousie University v Kanadě. Projekt úzce souvisí s tématem práce obou řešitelů. S problémem nekoherentních jevů začal Ing. Přemysl Ciompa v rámci své diplomové práce za účelem modelování spinových laserů s periodickými strukturami, jejichž výsledkem je implementace kódu pro modelování lamelárních mřížek na tlustých substrátech v Pythonu. Tyto výsledky byly prezentovány na několika konferencích [4][5][6] a řešitel za svou práci získal 3. místo v kategorii Aplikovaná fyzika na 9. Česko-Slovenská studentské vědecké konferenci ve fyzice [7]. Výsledky dosavadní práce jsou také v procesu submitování do časopisu s impact factorem. Ing. Barbora Kačerovská má bohaté zkušenosti s modelováním plasmonických struktur pomocí metody konečných prvků v prostředí COMSOL, kterému se věnovala během své diplomové práce a nyní v daném tématu pokračuje v doktorském studiu. Díky těmto zkušenostem může demonstrovat aplikovatelnost vyvinuté teorie nekoherentních jevů v kombinaci s konvenčními metodami modelování EM polí a ukázat široké uplatnění vyvinutých metod. Díky doktorskému studiu pod dvojím vedením obou řešitelů existuje také možnost spolupráce se zahračními experty a uplatnění výsledků do dalších oblastí aktuálního výzkumu. Kokrétně spolupráce s laboratoří Unité Mixte de Physique (expertíza ve spintronice, Albert Fert - nobelova cena za objev obří magnetorezistance) otevírá možnost aplikace teorie nekoherentního šíření vln na problém částečně koherentních spinových proudů a navázání užší spolupráce s touto excelentní laboratoří.

Impakt navrhovaného projektu:

Impakt navrhovaného projektu spočívá v řadě aplikací, které se musí potýkat s nekoherentními jevy. Výsledek tohoto projektu má přesah do řady dalších výzkumných aktivit pracoviště, kterými se už delší dobu zabýváme, jmenovitě výzkum bezpečnostních holografických prvků, výzkum plasmonických struktur a modelování spinových laserů. Výsledné nástroje pro modelování pomůžou ke zkoumání vlivu nekoherentních jevů při návrhu optických komponent a přesnější optimalizi těchto struktur. Konkrétněji např. nové poznatky [8] ukazují na potenciál technologie spinových laserů překonat přenosovou rychlost konvenčních VCSEL systémů až o několik řádů za použití fotonických krystalů v kavitách laserů v kombinaci s kontrolou polarizačních stavů injekcí spinově polarizovaných proudů. Přesné modelování resonančních podmínek laserových kavit obsahující fotonické krystaly za pomocí vyvinuté teorie může pomoci při návrhu komplexních kavit spinových laserů s požadovanými vlastnostmi.

Souvislost s HPC:

Modelování optické odezvy periodických struktur, hlavně při přechodu od jednoduchých mřížek k složitějším fotonickým strukturám, a optimalizace modelů při vyhodnocování experimentálních dat jsou výpočetně velmi náročné problémy vyžadující paralelizaci, pro které je vhodné využití dostupné infrastruktury IT4I. K výpočtu budeme používat vlastní knihovny vyvinuté v Pythonu v kombinaci s konvenčními nástroji COMSOL a CST Studio Suite.

Odůvodnění požadovaných financí:

Žádané finanční prostředky budou použity k nákupu materiálů pro přípravu experimentálních vzorků (kovové terče, fotorezisty) a samotného experimetu, kde je potřeba nákupu drobných optických komponent pro přesnou manipulaci se vzorkem a kontrolu divergence měřícího paprsku, která je velmi důležitá při přesném měření difrakčních účinností vzorků. Formou stipendií budou podpořeni doktorští studenti Ing. Přemysl Ciompa a Ing. Barbora Kacerovská. Cestovní náklady budou využity pro výjezdy studentů do zahraničních pracovišť v rámci práce na projektu a studiu pod dvojím vedením. V prostředcích se také počítá s poplatky za 2 až 3 publikace v časopisech s impact factorem a prezentace výsledků na zahraničních konferencích. Jednou z plánových konferencí je 8th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry v Barceloně konající se 26. - 31. května.

Reference:

[1] W. Lee, S.-Y. Lee, J. Kim, S. C. Kim, and B. Lee, “A numerical analysis of the effect of partially-coherent light in photovoltaic devices considering coherence length,” Opt. Express 20, A941–A953 (2012).

[2] M. Sarrazin, A. Herman, and O. Deparis, “First-principle calculation of solar cell efficiency under incoherent illumination,” Opt. Express 21, A616–A630 (2013).

[3] K. Hingerl and R. Ossikovski, “General approach for modeling partial coherence in spectroscopic mueller matrix polarimetry,” Opt. Lett. 41, 219–222 (2016).

[4] P. Ciompa “Modelling of active and passive optical periodic structures“, 9. Česko-Slovenská studentská vědecké konference ve fyzice, MFF UK Praha

[5] K. Postava, P. Ciompa, J. Pištora, ”Modelling of ellipsometric response from periodic structures including incoherent propagation”, 10th Ellipsometry Workshop, 19th - 21st March, 2018 in Chemnitz, Germany

[6] P. Ciompa, K. Postava, T. Fordos, H. Jaffres, J. Pištora, ”Modelling of incoherent propagation in periodic structures”, 21st Czech-Polish-Slovak Optical conference on Wave and Quantum aspects of contemporary optics, 3. 7. September, 2018, Lednice, Czech Republic

[7] P. Ciompa, K. Postava, T. Kohut, H. Jaffres, T. Fordos, L. Kotačka, and J. Pištora ”Incoherent phenomena in anisotropic periodic structures: from modeling to experimental demonstration”, Optica, to be submitted

[8] Lindemann, Markus & Xu, Gaofeng & Pusch, Tobias & Michalzik, Rainer & R. Hofmann, Martin & Žutić, Igor & C. Gerhardt, Nils. (2018). Ultrafast spin-lasers.
Členové řešitelského týmuIng. Přemysl Ciompa
Ing. Mariusz Drong
Ing. Barbora Kacerovská
doc. Dr. Mgr. Kamil Postava
Shihao Zhang
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Hlavním cílem projektu je rozvinutí a experimentální ověření teorie nekoherentních jevů v periodických strukturách a zkoumání jejich vlivu na návrh optických komponentů. Část projektu bude probíhat ve spolupráci s mezinárodním pracovištěm Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, v rámci které se bude zkoumat přesah vyvinuté teorie do dalších oblastí aktuálního výzkumu, jmenovitě částečné koherence šíření spinových proudů ve spintronických zařízeních.

Harmonogram projektu:

leden - únor: Příprava Au a Pt mřížek na MgO substrátu UV litografií
březen - duben: Elipsometrie Muellerovy matice na připravených vzorcích - ověření vyvinutých kódů
květen - září: Implementace teorie nekohereních jevů v kombinaci s dalšími konvenčními metodami - FEM, FDTD. Zkoumání vlivu tlustých substrátu na optické komponenty.
říjen - prosinec: Aplikace vyvinuté teorie na problém šíření částečně koherenetních spinových proudů

Hlavními výstupy projektu budou:

1) Knihovny pro výpočet optické odezvy (Reflexe, transmise, Muellerovy matice, depolarize) 3D periodických struktur se započtením vlivu nekoherentních jevů v Pythonu a jejich následné experimentání ověření - publikace s impakt faktorem
2) Demonstrace kompatibility algoritmů pro výpočet vlivu nekoherentních jevů se stávajícími metodami modelování EM polí (RCWA, FEM, FDTD) a zkoumání vlivu tlustých substrátů na optické komponenty - publikace s impakt faktorem
3) Zkoumání přesahu vyvinuté teorie do problému šíření částečně koherentních spinových proudů - možná publikace s impakt faktorem

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia72000,-72000,-
3. Materiálové náklady72000,-26992,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek114000,-1147,-
5. Služby80000,-162239,-
6. Cestovní náhrady25000,-19804,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory44778,-32500,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)40000,-10316,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady447778,-
Uznané náklady324998,-
Celkem běžné finanční prostředky447778,-324998,-