Трехмерная лазерная микро- и макромодификация объемных светочувствительных сред

Рис. 1

Разработаны физические и экспериментальные основы трехмерной лазерной микро- и макромодификации светочувствительных сред в режимах линейного и нелинейного (двухфотонного, двухступенчатого) поглощения. Опытным путем подтверждена возможность глубинной записи/гетеродинного детектирования  однородных микро- и макрорешеток во всём светочувствительном объеме изучаемых сред: фотополимерных материалов и электрооптических кристаллов ниобата и танталата лития. Пример трехмерной двухфотонной записи матрицы из 5 × 5 × 10 объемных микрорешеток в фотополимере показан на рис. 1. Предложены методы синтеза «толстых» фотополимерных материалов с малой усадкой, фотоиндуцированным изменением показателя преломления, механизмами линейного и нелинейного поглощения и т.п., включая томографические методы исследования их пространственных, в том числе послойных, свойств. Работы выполнены в рамках междисциплинарных интеграционных проектов Президиума СО РАН 2006 – 2011 гг. На основе полученных результатов подготовлена коллективная монография «Трехмерная лазерная модификация объемных светочувствительных сред», авторы – Твердохлеб П.Е., Пен Е.Ф., Щепеткин Ю.А., Штейнберг И.Ш., Шелковников В.В. и др. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2012 г., 450 стр. (в печати). Они отмечены среди основных научных результатов Сибирского отделения РАН в 2011 году (СО РАН в 2011 году. 1. Основные научные результаты. Физико-технические науки // Новосибирск: Издательство СО РАН, 2012, с. 46-48).

Глубинная двухфотонная микромодификация фотополимерных материалов на основе тиоксантеновых хромофоров

Измерены сечения двухфотонного поглощения тиаксантеновых хромофоров
(d_max = 252·10^-50 см⁴·с/фот). Проведена запись последовательности микрорешеток в произвольных по глубине слоях фотополимера излучением второй гармоники Nd:YVO₄лазера с длиной волны 532 нм. Размер микрорешетки –  1,0 × 1,4 × 6,4 мкм³. Их селективное по глубине детектирование проводилось путем оптического коллинеарного гетеродинирования. Важной особенностью двухфотонного поглощения является то, что в отличие от случая линейного поглощения в каждом слое может быть достигнуто максимальное значение амплитуды модуляции показателя преломления, а глубинная запись проходит однородно по глубине. Показано, что хромофоры обеспечивают высокие значения голографической чувствительности фотополимерного материала (S = 1,2 см/Дж) и амплитуды модуляции показателя преломления (Δn = 4,8·10^-3). Сообщений о получении однородной записи и отмеченных значений параметров S и Δn в научной литературе пока нет.

Проект «Многослойная голографическая память на основе двухфотонных регистрирующих материалов» (Штейнберг И.Ш., Щепеткин Ю.А., Вьюхина Н.Н. и др.) отмечен Дипломом II степени и Серебряной медалью на XVIII Международной выставке – конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 13 – 15 марта 2012 г.) «за лучший инновационный проект и лучшую научно-техническую разработку года».

Лазерная доплеровская томография объемных светочувствительных материалов

Рис. 2

Предложен новый метод лазерной доплеровской томографии для послойного измерения шумов рассеяния, усадки, показателя преломления и коэффициента поглощения, а также других оптических характеристик объемных (толстых) светочувствительных сред. Он основан на формировании в объеме среды сканирующей интерференционной решетки с переменной по глубине скоростью движения, вследствие чего каждому слою по толщине среды соответствует свой доплеровский сдвиг частоты света. Путем коллинеарного гетеродинного детектирования определяется содержимое  (амплитуда и фаза) записанной решетки в каждом слое. Оптико-электронная система для экспериментальной реализации метода представлена на рис. 2. Получены формулы для оценки пространственной разрешающей способности метода, оптимального периода тестовой решетки, максимального количества детектируемых слоев и указана их связь с параметрами элементов оптической системы. Восстановлены значения амплитуды и фазы рассеянного света в глубинных слоях объемной тестовой решетки, записанной в фотополимере НИОХ СО РАН толщиной 130 мкм. Впервые установлен характер продольной усадки светочувствительного слоя такого материала, находящегося между стеклянной подложкой и защитным слоем. Метод защищен патентом РФ на изобретение №2377539 от 09 июля 2008 г. (автор – Ю.А. Щепеткин).

Неоднородные объемные голограммы и искажение их пространственных решеток

Экспериментально установлено, что искажения пространственной структуры решеток неоднородных голограмм существенно влияют на характеристики угловой и спектральной селективности многослойных структур, состоящих из нескольких объемных неоднородных пропускающих или отражательных голографических решеток, разделенных промежуточными оптически однородными слоями. Путем компьютерного моделирования найдены параметры неоднородностей голографических решеток, в наибольшей степени влияющих на селективные свойства исследуемых структур. Их следует учитывать при изготовлении дифракционных расщепителей пучков, спектральных фильтров, защитных и изобразительных голограмм (Отв. исп. – Е.Ф. Пен, М.Ю. Родионов).

Получение фотонных квазикристаллов путем трехмерной лазерной стереолитографии

Рис. 3а

Рис. 3б

Освоена технология получения образцов фотонных квазикристаллов (ФК) [Robert C. Gauthier and Alexei Ivanov. Production of quasi-crystal template patterns using a dual beam multiple exposure technique// Optics Express, 2004, V. 1, № 6. P. 990-1003] на толстых фотополимерных материалах методом голографической литографии (Отв. исп. – Пен Е.Ф, Шаталов И.Г.). Изготовлен экспериментальный образец ФК в виде пяти аксиально наложенных объёмных голографических решеток, при этом один из интерферирующих пучков ориентирован перпендикулярно к поверхности регистрирующей среды, а второй составляет с ним угол 39°. Шаг поворота регистрирующей среды  в аксиальном направлении – 72°. На рис. 3а) показана пространственная структура этого квазикристалла (получена путем компьютерного моделирования), а на рис. 3б) изображена  картина дифракции пучка белого света, падающего по нормали к поверхности ФК. Видны пять дифракционных лепестков, каждый из которых представляет собой спектральное распределение прошедшего пучка света. Отличия в степени интенсивности обусловлены разной дифракционной эффективностью наложенных голограмм из-за нелинейной экспозиционной характеристики образца фотополимерного материала.

В 2010 году работы лаборатории в области исследования и применения толстых фотополимерных материалов, проводимые совместно с НИОХ СО РАН, отмечены: Серебряной статуэткой (2 место) XI Международного форума «Высокие технологии XXI века» (г. Москва); Дипломом X Московского международного салона инноваций (г. Москва); Дипломом VII Международной конференции «Голография Экспо – 2010» (г. Москва).

Акустооптический дисперсионный фильтр для управления формой фемтосекундных лазерных импульсов

Разработан и создан макет акустооптического дисперсионного фильтра для управления формой фемтосекундных лазерных импульсов (к.т.н. А.В. Трубецкой, Н.Н. Вьюхина, В.Н. Затолокин). Прибор-фильтр позволяет независимо управлять амплитудой и фазой каждой спектральной составляющей фемтосекундного лазерного импульса (см. ссылку). Благодаря этому открываются возможности коррекции дисперсионных искажений световых импульсов, возникающих в усиливающих лазерных средах и оптических элементах, а также формирования фемтосекундных лазерных импульсов заданной формы. По дифракционной эффективности и оптической полосе созданный фильтр почти в 2 раза превышает параметры зарубежного аналога. Области применения – фемтосекундные лазерные системы для научных исследований.