Институт в фотографиях

2018 г.

Теоретическое и экспериментальное исследование внутренних свойств объемных решеток (структур) методом оптической гетеродинной томографии

 

 

Разработаны физические и экспериментальные основы лазерного гетеродинного метода послойного (по толщине образца) восстановления характеристик толстых отражающих дифракционных решеток. Теоретически определены и опытным путем подтверждены такие характеристики метода, как его чувствительность и разрешающая способность. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Исследование явления насыщения двухфотонного поглощения в нелегированных кристаллах танталата лития с использованием фемтосекундного лазерного излучения

 

Проведены измерения коэффициентов двухфотонного поглощения (ДФП) в нелегированных кристаллах танталата лития (LiTaO3) с молярной концентрацией лития 49,6 моль% в условиях мощного фемтосекундного лазерного возбуждения. Длительность импульсов 60 фс. Обнаружено, что значения коэффициентов ДФП зависят от интенсивности фемтосекундных лазерных импульсов и при значениях интенсивности 11 ГВт/см2 и более обладают свойством насыщения. Результаты компьютерного моделирования явления насыщения ДФП находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными. (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Сравнительный анализ двух (известной и предложенной) методик измерения дифракционной эффективности фотополимерных голографических отражательных решеток

 

 

Проведено сравнение значений дифракционной эффективности (ДЭ) объёмных отражательных голограмм, полученных с использованием известной двухпучковой и предложенной однопучковой схем записи. Теоретически и экспериментально показано, что при постоянстве характеристик фотополимерного материала (ФПМ) и режимов записи (интенсивности пучков и энергии экспозиции) наблюдается почти линейное соответствие значений ДЭ голограмм, полученных в сравниваемых схемах. Это означает, что по значению ДЭ голограммы, записанной в однопучковой схеме с полупрозрачным зеркалом, можно указать значение ожидаемой ДЭ голограммы в двухпучковой схеме. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Исследование процессов записи в халькогенидных стеклах глубокого фазового рельефа (4π и более) для получения дифракционных оптических элементов высоких порядков дифракции.

 

 

Предложена и апробирована технология лазерного гравирования глубокого треугольного геометрического рельефа на халькогенидных слоях с высоким показателем преломления. Обеспечена глубина гравировки, соответствующая разности фаз до 30π в видимом диапазоне излучения. C целью сокращения времени выбора режима записи треугольные профили штрихов формировались в виде фрагментов дуг шириной 30 мкм, достаточных и удобных для интерференционных измерений. (Отв. исполнитель – к.т.н. В.И. Наливайко)

2017 г.

Разработка томографического метода исследования внутренней структуры объемного светочувствительного материала при нелинейном характере записи тестовой решетки-голограммы

 

 

Впервые иллюстрирована возможность применения технологии лазерной гетеродинной томографии для исследования нелинейных оптических свойств светочувствительных кристаллов фосфида кальция, легированного натрием. Исследование проведено путем послойного сканирования ранее зарегистрированной тестовой объемной решетки и определения амплитудно-фазовых характеристик каждого из ее слоев. Обнаружены первые три гармоники зарегистрированной объемной решетки, что является признаком нелинейного характера ее записи. Определены параметры гармоник: периоды, коллинеарность векторов, соотношения амплитуд, значения дифракционной эффективности по толщине. Показано, что исследуемая решетка имеет амплитудно-фазовую модуляцию с преобладанием дифракции на фазовой компоненте. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Исследование особенностей нелинейной (двухфотонной, пороговой) микромодификации в фотополимерных материалах на основе толстой малоусадочной эпоксидной матрицы

 

Проведено исследование распределения шумов рассеяния в толстой (450 – 500 мкм) эпоксидной матрице и характеристик фотополимерного материала с синглет–триплетным механизмом возбуждения красителя, созданном в НИОХ СО РАН на ее основе. Показано, что: 1) уровень шумов рассеяния такой матрицы на порядок превышает шум рассеяния качественной стеклянной подложки; 2) зависимость амплитуды модуляции показателя преломления фотополимера от интенсивности записывающих пучков имеет линейный характер, что свидетельствует о двухступенчатом механизме возбуждения красителя; 3) запись микрорешеток в таком материале без коррекции сферической аберрации можно проводить только в диапазоне глубин 30 – 280 мкм (ранее такой диапазон был доступен только в кристаллах ниобата и танталата лития). (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Развитие методик экспресс-тестирования свойств фотополимерных материалов (светочувствительности, дифракционной эффективности, усадки)

 

 

Разработаны методика и реализующее её устройство тестирования голографических фотополимерных материалов (ГФПМ), позволяющие сократить время испытаний за счёт упрощения оптической схемы и уменьшения количества юстировочных операций. При этом сохранены возможности для оценки степени усадки ГФПМ и величины дифракционной эффективности голограмм в процессе их записи. Указанные отличительные особенности устройства защищены патентом РФ на полезную модель. Проведено успешное тестирование ряда образцов ГФПМ, создаваемых в НИОХ СО РАН. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Поиск новых технологий синтеза халькогенидных стекол с целью получения оптических элементов для инфракрасного диапазона излучения

 

 

Предложена технология формования ИК-линз из халькогенидного стекла без внешнего давления с применением пресс-форм из хрупкого оксидного стекла (вместо сверхтвердых сплавов). Получен опытный образец плоско-выпуклой линзы с относительным отверстием 1 : 3 и весом 1,3 г. В дальнейшем планируется провести исследования аберраций таких линз и возможности их коррекции путем нанесения глубоких дифракционных рельефов. (Отв. исполнитель – к.т.н. В.И. Наливайко)

Разработка методов исследования рассеивающих свойств и микроструктуры прозрачной керамики (и других дисперсионных сред) путем трехмерного лазерного гетеродинного сканирования

 

 

Созданы действующий макет и программное обеспечение прецизионного 3D лазерного гетеродинного микрозонда для исследования и визуализации внутренних оптических свойств объемных материалов с фазовым характером микронеоднородностей. Показано, что из-за сферических аберраций продольный размер микрозонда на глубине до 630 мкм увеличивается в 2,44 раза, что следует учитывать при глубинном микрозондировании. По методике 3D микрозондирования получены двумерные и трехмерные изображения внутренних фазовых неоднородностей образцов лазерной керамики.

2016 г.

Исследование послойного восстановления двумерных изображений исследуемого 3D объекта в системе лазерной доплеровской томографии с матричным фотоприемником

 

 

Проведено исследование оптико-электронной томографической системы с матричным фотоприемником, позволяющей: а) восстановить поле рассеянного излучения в каждом из слоев изучаемой среды в виде двумерного изображения; б) измерить амплитудную и фазовую компоненты рассеянного излучения во всех «пикселах» таких изображений. Показано, что разрешающая способность системы по глубине материала не зависит от того какой из фотоприемников находится на ее выходе: фотодиод или фотоматрица. Создана компьютерная программа для первичной обработки информации с выхода видеокамеры (на основе ПЗС-матрицы). Экспериментально подтверждены правильность не только выбранного физико-технического решения, но и основных физико-технических положений, принятых при его разработке. Наиболее перспективная область применения предложенной оптико-электронной системы с матричным фотоприемником – детектирование рассеянных световых полей, пространственно некогерентных по апертуре фотоприемника. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Исследование влияния концентрации основных компонентов фотополимерного материала с синглет-триплетным механизмом возбуждения красителя на экспозиционные и шумовые характеристики материала при облучении мощными наносекундными импульсами лазера с длиной волны 532 нм

 

Совместно с НИОХ СО РАН найдено оптимальное значение концентрации компонентов фотополимерного материала с синглет-триплетным механизмом возбуждения красителя-сенсибилизатора, при котором чувствительность такого фотополимера повышается в 1,9 раза, а диапазон изменения показателя преломления – в 2,2 раза. Показано также, что путем совершенствования технологии изготовления таких фотополимеров уровень их шумов рассеяния может быть существенно уменьшен. ФПМ с синглет-триплетным механизмом возбуждения красителя-сенсибилизатора имеет хорошие перспективы для использования в качестве регистрирующей среды многослойной оптической памяти с высокой информационной емкостью и высокой защитой от несанкционированного доступа. (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Экспериментальные исследования спектральных свойств слоистых отражательных структур, состоящих из двух брэгговских голографических отражательных решеток, разделенных оптически однородным слоем

 

 

Экспериментально подтверждено, что спектр пропускания слоистых голографических структур, содержащих две объемные голографические отражательные решетки, разделенные оптически однородным слоем, состоит из множества узких спектральных полос пропускания, период расположения которых определяется оптической толщиной промежуточного слоя, а их огибающая совпадает с контуром спектральной селективности одиночной решётки. Анализ полученных спектральных характеристик показал их зависимость не только от параметров решеток и разделительного слоя, но и от неоднородности их внутренних свойств, вызывающих искажения контура спектрального отклика, уменьшение амплитуды локальных полос пропускания, ухудшение их разрешения. Путем сравнения экспериментальных и расчетных данных установлено, что наибольшее влияние оказывают изменения амплитуды модуляции показателя преломления светочувствительной среды по глубине решетки и нарушение ее периодичности из-за усадки толщины регистрирующего слоя в процессе записи и постобработки голограмм. Области применения результатов – фотоника, прикладная оптика, материаловедение. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Исследование характеристик бимодовых волноводных сенсоров для измерения концентраций водных растворов путем компьютерного моделирования

 

 

Проведен сравнительный анализ бимодовых сенсоров с волноводами из оксидного и халькогенидного стекол. Показано, что бимодовые халькогенидные сенсоры жидких растворов в сравнении с оксидными обладают преимуществами по чувствительности и возможностям миниатюризации конструкции. Расчетная чувствительность халькогенидного сенсора на 3 порядка выше чувствительности оксидного сенсора, а толщина халькогенидного волновода и длина вводных/выводных элементов сенсора в 20 раз меньше, чем у сенсора с волноводом в оксидном стекле. Область применения – биология, медицина, мониторинг окружающей среды. (Отв. исполнитель – к.т.н. В.И. Наливайко)

2015 г.

Поиск путей снижения порога чувствительности коллинеарного гетеродинного метода детектирования амплитуды и фазы рассеянного оптического излучения

 

 

Создана экспериментальная установка (с кольцевым фотодетектором) для измерения спектральной плотности шумов малоуглового рассеяния (энергетических спектров Винера) элементов оптики. С её помощью получены значения спектральной плотности монокристаллов парателлурита, стекла ТФ-7, линз, а также шумов (флуктуаций мощности) полупроводниковых лазеров. Полученные данные позволили провести оптимизацию параметров оптической системы лазерной доплеровской томографии с гетеродинным фотодетектором. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Исследование особенностей интерференционной микромодификации фотополимерного материала с синглет-триплетным механизмом возбуждения красителя при облучении мощными наносекундными импульсами лазера с длиной волны 532 нм

 

Проведена запись объемных микрорешеток размером 0,8 × 1,2 × 4,5 мкм3 на глубине 40 – 60 мкм нового фотополимера (тощина 100 – 150 мкм), в режиме возбуждения запрещенных синглет-триплетных переходов красителя при облучении мощными (до 10 ГВт/см2) импульсами излучения с длиной волны 532 нм. Подтверждено, что в этих материалах запись микрорешеток с амплитудой модуляции показателя преломления на уровне Δn = 1,3 × 10-3 происходит за один импульс длительностью 1,7 нс. (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Разработка методики определения параметров эффективной усадки фотополимерных материалов, учитывающей фотоиндуцированные значения как физической (геометрической) толщины, так и среднего значения показателя преломления светочувствительного слоя

 

 

Разработана новая методика определения параметров эффективной усадки голографических фотополимерных материалов (с учетом изменения среднего значения показателя преломления и толщины регистрирующего слоя). Успешная экспериментальная апробация этой методики проведена на фотополимерных материалах фирмы Bayer MaterialScience (Германия) и образцах фотополимеров (созданы НИОХ СО РАН) с различными типами мономеров. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Исследование характеристик внеосевых фокусирующих голографических зеркал сканеров в режиме отражения от нелинейной поверхности

 

 

Проведен анализ оптических схем микросканеров на основе нелинейных (в частности, сферических) зеркал. Путем компьютерного моделирования показано, что с помощью таких устройств можно обеспечить отклонение пучков света шириной порядка десятков микрон до углов ~ 90°. При кривизне зеркала в 200 мкм и его линейном перемещении на 50 мкм расчетное значение угла отклонения составляет 23°. Апробация принципа работы микросканера проведена на голографических (халькогенидных) зеркалах. (Отв. исполнитель – к.т.н. В.И. Наливайко)

2014 г.

Разработка метода коллинеарного гетеродинирования для измерения амплитуды и фазы малоуглового рассеяния света

 

 

Предложена структура оптико-электронного канала коллинеарного гетеродинного детектирования малоуглового рассеянного света и разработан новый метод улучшения его разрешающей способности, который основан на снижении уровня перекрытия зондирующих пучков и интенсивности бегущей считывающей решетки в зоне рассеяния. Область применения результатов: физическое материаловедение, анализ структуры оптических материалов, дефектоскопия. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Исследование экспозиционных характеристик фотополимерных материалов с катионным механизмом полимеризации в режиме двухфотонного возбуждения

 

Определена экспозиционная характеристика катионно-инициируемого фотополимерного материала (ФПМ) в режиме двухфотонной записи микрорешеток. Показано, что насыщенное значение амплитуды модуляции показателя преломления Dn = 3.3×10-3 достигается при интенсивности света I = 7 ГВт/см2, а минимальное характерное время записи микрорешеток, составляющее 17.3 нс, в 2.3 раза меньше, чем в случае применения ФПМ со свободно-радикальным механизмом фотополимеризации (при том же значении голографической чувствительности). Впервые обеспечена запись трехмерного массива из 2160 микрорешеток в 10 слоях с использованием четырехуровневого фазового кодирования. Достигнутая при этом плотность записи – 7 × 1010 бит/см3. ФПМ с катионным раскрытием цикла перспективны для создания многослойных систем оптической памяти. (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Исследование особенностей голографической записи изображений в цветных слоистых фотополимерных материалах

 

 

Совместно с НИОХ СО РАН исследованы свойства слоистых голографических фотополимерных материалов, созданных на основе новых патентоспособных мономеров и красителей. Экспериментально установлено, что дифракционные эффективности монохромных голограмм в однослойных ФПМ и голограмм каждого из трех цветов в слоистых ФПМ примерно одинаковы и составляют 70 – 80 %. Слоистые ФПМ могут найти применение в изобразительной и защитной голографии, а также при создании нового поколения дисплеев и систем голографической памяти. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Получение халькогенидных слоев сложного состава с высоким пространственным разрешением для записи внеосевых фокусирующих голографических зеркал

 

 

Подтверждена возможность синтеза из смеси составов As2S3 и As2Se3 в одном технологическом цикле халькогенидных слоев сложного состава As2S3×As2Se3 для записи объемных голограмм излучением с λ = 532 нм. На их основе изготовлены плоские голографические фокусирующие зеркала с параметрами: диаметр – 5 мм, фокусное расстояние – 30 мм, угол между падающим плоским и дифрагированным лучами ~ 90°, дифракционная эффективность на λ = 532 нм – 50%. Экспериментально реализованы возможности: а) сканирования светового пучка с помощью плоского дифракционного внеосевого зеркала; б) изготовления на основе такого зеркала малогабаритного скоростного сканера. Область применения: фотоника, волоконные системы связи, медицина. (Отв. исполнитель – к.т.н. В.И. Наливайко)

Измерение энергетических спектров малоуглового рассеяния и распределения оптических микронеоднородностей лазерной керамики

 

 

Получены энергетические спектры малоуглового (0.5º ÷ 6º) рассеяния света в дисперсных средах отечественных (0.8% Nd:YAG, №8 и №10) и зарубежного (1% Nd:YAG, R10097) образцов лазерной керамики и на основе этих данных установлено, что характерные размеры «зёрен» находятся в диапазоне 3 ÷ 22 мкм. Показано, что уровень спектральной плотности шумов рассеяния у образца керамики R10097 примерно в 5 ÷ 8 раз меньше, чем у отечественных образцов. Наличие в зависимостях Гинье трех участков, в том числе двух из них с достоверностью линейной аппроксимации ≈ 0.99, позволяет предполагать, что размеры «зёрен» у исследуемых образцов керамики R10097 и №8 распределены по закону трехмодальной функции, однако это предположение требует дальнейшей проверки. Предложена и введена в экспериментальную практику лазерная методика глубинного гетеродинного микрозондирования лазерной керамики, предусматривающая измерение амплитуды рассеянного света при больших (36º ÷ 42º) углах дифракции. Размеры светового зонда в объеме керамики Dx × Dy × Dz = 0.8 × 1.3 × 6.8 мкм3. Экспериментальным путем получены двумерные микроизображения флуктуаций показателя преломления (амплитуда модуляции на уровне 10-4) по толщине образцов керамики. Размер зоны сканирования y × z = 60 × 450 мкм2. Обнаружена зависимость генерационных характеристик (порога генерации, дифференциального КПД) от наличия и «концентрации» таких оптических микронеоднородностей. Показано, что наилучшими параметрами генерации обладает образец керамики R10097 с практически отсутствующими глубинными флуктуациями показателя преломления. (Отв. исполнители – к.т.н. Ю.А. Щепеткин, к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

2013 г.

Метод лазерной доплеровской томографии для исследования внутренних шумов рассеяния объемных оптических материалов

 

 

Экспериментально подтверждено, что размеры аппаратной и автокорреляционной функций доплеровского томографа по толщине исследуемого оптического материала являются в первом приближении одинаковыми. Это означает, что такой томограф может быть использован не только для восстановления характеристик внутренних регулярных структур, но и случайных (шумовых). В этом случае разрешающая способность томографа по толщине материала будет определяться интервалом корреляции спектров выходных доплеровских сигналов, получаемых от разрешаемых слоев. Область применения – создание конкурентоспособных методов и средств для исследования внутренних свойств и характеристик оптических материалов, в том числе лазерной керамики. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Особенности двухфотонной интерференционной микромодификации фоторефрактивных полимерных материалов с полимеризацией путем катионного раскрытия цикла

 

В результате лазерной двухфотонной микромодификации образцов толстых (до 120 мкм) фотополимерных материалов с катионным механизмом полимеризации (разработка НИОХ СО РАН) показано, что зависимость показателя преломления этого материала от интенсивности записывающих пучков имеет квадратичный характер. В этом случае размеры регистрируемых микрорешеток по осям X, Y, Z уменьшаются и, как следствие, увеличивается плотность их размещения в объеме светочувствительной среды. Запись носит пороговый характер. Показано также, что темновое усиление, свойственное такому материалу, приводит к повышению дифракционной эффективности микрорешеток более чем в 2 раза. На основе таких материалов можно планировать создание новых многослойных оптических носителей сверхбольшой емкости. (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Анализ и синтез компонент цвета голографических изображений

 

 

Определена степень кроссобесцвечивания цветных фотополимерных материалов, разрабатываемых в НИОХ СО РАН, при их возбуждении синим, зеленым и красным излучением. Экспериментально показано, что излучение красного лазера мало влияет на обесцвечивание «зеленого» красителя, а излучение зеленого лазера приводит к уменьшению поглощения «красного» красителя почти в 1.5 раза, что, в конечном счете, ведет к уменьшению дифракционной эффективности «красной» голограммы примерно на 10%. Найдены способы компенсации искажающего влияния усадки фотополимерных материалов на соотношение основных цветов в изображениях, восстановленных с фотополимерных голограмм. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Экспозиционные свойства цветных голографических фотополимерных материалов в режиме непрерывных экспозиций

 

 

Дано экспериментальное подтверждение справедливости ранее предсказанного эффекта (Gleeson M.R. and Sheridan J.T, 2009) зависимости дифракционной эффективности пропускающих фотополимерных голографических решеток от времени экспозиции при различных значениях суммарной интенсивности записывающих пучков. Найдено оптимальное суммарное значение интенсивности пучков для получения защитных и изобразительных голограмм с максимальной дифракционной эффективностью. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Моделирование спектров пропускания неоднородных фотонных структур с различной пространственной симметрией

 

 

Разработана методика расчета спектральных характеристик голографических фотонных кристаллов (ФК) с «дефектами» пространственной структуры (неоднородным изменением показателя преломления и фазового контраста между элементами в объеме ФК). Исходные данные – расчетное распределение показателя преломления структуры ФК вдоль выбранного кристаллографического направления. Методика апробирована на примерах расчета спектральных характеристик ряда модельных ФК. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен, к.т.н. М.Ю. Родионов)

Измерение основных характеристик образцов отечественных керамик

 

Предложены измерительные методики и аппаратно-программные средства (в том числе новые) для измерения основных характеристик оптической керамики: пропускания по свету, шумов рассеяния (при прохождении света и при его отражении) и распределения оптических микронеоднородностей по толщине таких керамик. Эти методики и средства прошли успешную апробацию на образцах отечественной керамики (Института электрофизики УрО РАН и Института радиотехники и электроники РАН). (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин, к.т.н. И.Ш. Штейнберг)