2023

Исследование характеристик экспериментального прототипа гетеродинного «томографа» и его элементов

Исследованы характеристики экспериментального прототипа гетеродинного «томографа» и его элементов. Подтверждена возможность послойного томографического анализа внутренней структуры объемных тестовых решеток в режиме формирования бегущих зондирующих решеток с частотами от 3450 до 3520 л/мм и одновременного поворота в пределах нескольких градусов. Успешно апробирована методика тестирования интерференционного объема «томографа» с помощью тонкого прецизионно перемещаемого зеркала. Подтвержден практически линейный закон изменения частоты выходного сигнала фотодетектора в зависимости от глубины залегания отражающего слоя в анализируемой тестовой решетке. Получены оценки чувствительности исследуемого «томографа» (экспериментальное значение – 241,5 Гц/мкм, расчетное – 244,1 Гц/мкм) и его пространственной разрешающей способности по двойному критерию Рэлея (экспериментальное значение – 4,84 мкм, расчетное 4,1 мкм).

Исследование свойств внутренней структуры тестовых образцов оптических рассеивающих материалов и объемных голографических решеток

Совместно с НИОХ СО РАН исследованы дифракционные и спектральные свойства объемных отражательных решеток, изготовленных с использованием толстослойных (30–50 мкм) фотополимерных материалов (ФПМ). Найдены условия формирования ангармонического распределения профиля показателя преломления, из-за чего возникают высокие порядки дифракции. Установлено: 1) с увеличением интенсивности падающего излучения величина второго порядка дифракции сначала возрастает, достигает максимального значения в окрестности 24 мВт/см², а затем снижается; 2) полимерная матрица на основе поливинилацетата (ПВА) позволяет получить голографические решетки с существенно большим ангармоническим распределением профиля модуляции показателя преломления, чем в ФПМ с полиуретановой матрицей. Получены образцы решеток с эффективностью 90% первого и второго порядков дифракции. Запись голограмм осуществлялась по двухпучковой схеме с использованием DPSS лазера с длиной волны излучения 639 нм. Интенсивность падающего излучения составляла 12 мВт/см² (в одном пучке), экспозиция — 30 мДж/см².

Исследования новых светочувствительных оптических материалов в режимах одно- и двухфотонной многослойной записи больших объемов информации

Ключевым элементом многослойной оптической памяти является “толстая” светочувствительная среда, которая должна удовлетворять двум противоречивым требованиям: она должна быть “прозрачной”, чтобы проводить однородную запись объемных микрорешеток по всей ее толщине и вместе с тем “поглощающей”, чтобы обладать приемлемой светочувствительностью. На основе анализа многолетних результатов 3D лазерной микромодификации “толстых” слоев электрооптических кристаллов и ФПМ показано, что такие противоречия могут быть преодолены за счет легирования известных и/или синтеза новых светочувствительных сред и их работе в нелинейных режимах двухступенчатого и двухфотонного поглощения. Экспериментально подтверждено, что: 1) при легировании танталата лития железом до уровня 66х10¹⁷/см³ и реализации режима двухступенчатого поглощения при наносекундной записи микрорешеток необходима энергия порядка 0.2 мкДж. Для сравнения отмечено, что при записи такой же микрорешетки в нелегированных образцах танталата лития, работающих в режимах линейного поглощения, требуется энергия на порядок больше; 2) при экспонировании в режиме двухфотонного поглощения образцов ФПМ с катионным раскрытием цикла (созданы в НИОХ СО РАН) четырьмя наносекундными импульсами с интенсивностью световых пучков 9.5 ГВт/см² амплитуда модуляции показателя преломления составляла Δn = 1.5x10^-3 , а энергия записи одной микрорешетки равнялась 0.76 мкДж; 3) при экспонировании образцов новых ФПМ, представляющих собой раствор органических компонент в матрице поливинилацетата, одним наносекундным импульсом (при суммарной интенсивности записывающих пучков 8 ГВт/см² достигнута Δn = 3.1x10^-3. Запись проводилась в режиме двухступенчатого синглет – триплетного поглощения. В этом случае энергия записи микрорешеток составляла 0.043 мкДж, что является рекордным значением для всех проведенных нами исследований.

2022

Исследование характеристик тестовых объемных отражающих и пропускающих голографических решеток, предназначенных для лазерной гетеродинной томографии и спектроскопии

Совместно с НИОХ СО РАН исследовано влияние термической постобработки на спектральные характеристики объёмных отражательных голографических решёток (голограмм), изготовленных на фотополимерных материалах. Установлено, что прогрев таких решеток (с защитной лавсановой пленкой) при температуре 80 – 90°C в течение нескольких часов обеспечивает длительную сохранность (не менее года) их дифракционной эффективности на уровне 90% и не приводит к дополнительной усадке.

Развиты аппаратно-программные средства для определения дифракционной эффективности, угловой селективности и других параметров объёмных пропускающих решеток (голограмм), получаемых на фотополимерных материалах. В отличие от ранее применяемой методики, основанной на измерении интенсивностей нулевого и первого порядков дифракции, в созданном стенде проводится регистрация интенсивности только одного пучка света, прошедшего через голограмму без дифракции. Это позволило уменьшить размеры оптической системы и упростить получение и обработку экспериментальных данных без потери полноты необходимой информации.

Разработка технологии синтеза дифракционных решеток высокого порядка на основе халькогенидных материалов

С целью нанесения высокотемпературных халькогенидных составов диапазон работы испарителя расширен от 600°C до 900°C. Обеспечена устойчивая работа оптико-электронной системы экстремального регулирования и стабилизации интерференционного поля при голографической записи решеток. В полученных халькогенидных слоях состава As₂S₃ толщиной 5 мкм проведена запись брэгговских решеток второго порядка дифракции с наблюдением процесса перекачки энергии из первого порядка во второй. Максимальная дифракционная эффективность решеток (порядка 80%) контролировалась на длине волны 650 нм в течение 30 мин последовательно во времени для обоих порядков дифракции. При этом фотоструктурные изменения показателя преломления достигали значений Δn = 0,2.

Исследование характеристик новых оптических светочувствительных материалов для многослойной записи информации

Проведено исследование внутренних шумов рассеяния толстой (порядка 500 мкм) малоусадочной эпоксидной матрицы, полученной по новой технологии, и регистрирующих свойств фотополимера с синглет-триплетным механизмом возбуждения красителя на ее основе. Образцы эпоксидной матрицы и фотополимеров созданы в НИОХ СО РАН. Измерение уровня шумов проведено по методике 3D лазерного гетеродинного микрозондирования по толщине образца. Сканирование проводилось в диапазоне 350 мкм (первые 50 мкм – в воздухе, остальные 300 мкм – в среде с показателем преломления n = 1,5) и осуществлялось световым микрозондом – объемной микрорешёткой с размерами Δx × Δy × Δz = 0,8 × 1,2 × 6 мкм³. Среднеквадратичное значение амплитуды сигнала рассеяния внутри образца матрицы (область 50 – 350 мкм) составляло 4,6 – 6 мВ, что соответствует эквивалентной дифракционной эффективности шумовых решеток 2,2 × 10^-8 и соизмеримо с уровнем шумов рассеяния в стеклянных положках, применяемых в микроскопии. Показано, что в исследованном фотополимере запись информационных микрорешёток можно проводить без коррекции сферической аберрации в диапазоне 30 – 280 мкм, который ранее наблюдался только в качественных кристаллах ниобата и танталата лития. Исследования будут продолжены в 2023 году.

2021

Изучение процессов доплеровского послойного кодирования и коллинеарной гетеродинной обработки восстановленных и референтных волновых фронтов путем компьютерного моделирования. Разработка действующего прототипа лазерного гетеродинного томографа и его программного обеспечения

На примере послойного анализа рассеивающих свойств оптических материалов (толстых решеток) в режиме прохождения двух когерентных световых пучков показано, что при применении многоэлементного гетеродинного приемника матричного типа возможно проводить послойное восстановление поля рассеянного излучения в виде двумерного изображения, измерять амплитуду и фазу рассеянного излучения в каждом из пикселей таких изображений и наблюдать динамику изменения рассеянного поля во времени. Разработана структурная схема прототипа (макета) лазерного гетеродинного томографа с матричным ПЗС-фотоприемником размера 744 × 576. Созданы аппаратные и программные средства автоматизации процессов: проверки (тестирования) готовности элементов к работе; установки, перемещения и юстировки исследуемых образцов; генерации, частотной модуляции, пространственного перемещения освещающих лазерных пучков; послойного анализа внутренних рассеивающих свойств образцов; обработки и отображения результатов томографического анализа. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Исследование механизма записи объемных микрорешеток в толстых фотополимерных материалах на основе синглет-триплетного поглощения красителя при мощном импульсном возбуждении

Совместно с НИОХ СО РАН проведено исследование механизма записи объемных микрорешеток в толстых (100 – 150 мкм) слоях фотополимерного материала (ФПМ) в режиме экспонирования мощными наносекундными импульсами света. ФПМ представлял собой новый полимерный раствор органических компонент в матрице поливинилацетата. Запись микрорешеток проводилась в ФПМ на глубине 40 – 60 мкм одним световым импульсом (λ = 532 нм) при нескольких значениях интенсивности интерферирующих пучков, считывание – на длине волны 660 нм. Размер микрорешетки в плоскости среды составлял X × Y = 0,8 × 1,2 мкм², а по глубине – Z = 4,5 мкм. Было показано, что: полимеризация в ФПМ проходила в режиме одноступенчатого синглет-триплетного поглощения; чувствительность материала, определяемая как отношение амплитуды модуляции показателя преломления к суммарной световой энергии записывающих пучков, в 10 раз выше чувствительности известных ФПМ с двухфотонным катионным раскрытием цикла и в 60 раз выше, чем у ФПМ с двухфотонной свободнорадикальной полимеризацией; изменение показателя преломления достигало Δn = 1,3 × 10^-3. (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Создание тестовых объёмных отражательных решёток

Предложены методы голографической записи на толстых (~ 50 мкм) фотополимерных материалах тестовых объёмных отражательных решёток с периодами от 100 до 500 нм, предназначенных для исследования процессов лазерной гетеродинной томографии в отражающих пучках. Увеличение периода решеток обеспечено за счет применения призм ввода излучения в регистрирующую среду. Получены: 1) образцы тестовых одночастотных решёток с периодами 283 нм и 500 нм и амплитудой модуляции показателя преломления ~ 0,006; 2) образцы с наложением двух решёток с периодами 283 и 290 нм и амплитудой модуляции показателя преломления соответственно ~ 0,0035 и ~ 0,0017; 3) образцы со сложной пространственной структурой, сформированной путём интерференции референтной волны и излучения, рассеянного поверхностью диффузного предмета (с периодами в диапазоне от 120 до 500 нм и амплитудами модуляции показателя преломления – от 0,0015 до 0,006). Характеризация толстых тестовых решеток проведена с помощью современных высокоразрешающих спектральных приборов, позволяющих установить длины волн и степень отражения главных рефлексов, обнаружить их гармоники, оценить величину эффективной усадки фотополимерных материалов, а также идентифицировать характер искажений пространственной структуры решёток. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Создание образцов тестовых тонких решеток пропускающего типа для исследования аппаратной функции томографа

Созданы образцы тонких (0,5 мкм) высококачественных дифракционных решеток с синусоидальным фазовым профилем. Параметры решеток: период – 2 мкм, толщина регистрирующего слоя – 0,5 – 5 мкм, подложка – оксидное стекло К-8 толщиной 1,5 мкм, дифракционная эффективность от 1% до 30%, уровень паразитного рассеяния на длине волны 650 нм – 5 × 10^-6. Решетки предназначены для тестирования оптической передаточной функции лазерных гетеродинных томографов в проходящих пучках. Это стало возможным благодаря использованию в качестве регистрирующей среды халькогенидных слоев состава As₂S₃ c показателем преломления ~ 2,5 и его высоким фотоиндуцированным изменением ~ 10%, а также автоматизации процесса напыления слоев и стабилизации интерференционного светового поля при голографической записи таких решеток. (Отв. исполнитель – к.ф.-м.н. В.И. Наливайко)

2020

Экспериментальное исследование процессов коллинеарного гетеродинного детектирования света, рассеянного в мутных средах

Созданы макет лазерного «томографа» с двухканальным гетеродинным фотодетектором, предназначенный для послойного исследования рассеивающих свойств мутных сред, и соответствующая методика обработки экспериментальных данных. Предложена и апробирована методика определения аппаратной функции лазерного «томографа» и дана оценка его разрешающей способности по толщине исследуемых тестовых образцов. При выбранных параметрах оптико-электронной системы расчетное значение разрешающей способности «томографа» находятся на уровне 12,2 мкм, а экспериментально подтвержденное – 13,8 мкм. (Отв. исполнитель – к.т.н. Ю.А. Щепеткин)

Восстановление внутренней структуры объемной фазовой решетки путем глубинного лазерного гетеродинного микрозондирования

Путем лазерного гетеродинного микрозондирования решена задача восстановления внутренней структуры объемной голографической решетки в кристалле фторида кальция (CaF₂) и измерения (оценки) её характеристик на микроскопическом уровне. Получены 3D изображения фрагмента такой решетки размером Δx × Δy × Δz = 20 × 7 × 60 мкм³, а также 2D изображения её продольных и поперечных сечений. Установлены несинусоидальный характер профиля решетки и значительная продольная неоднородность интерференционных полос. Даны оценки значений периода и полуширины полос. Используемый метод гетеродинного микрозондирования может быть использован при оптимизации процессов записи объемных голографических решеток в различных светочувствительных материалах (преимущественно фазовых). (Отв. исполнитель – к.т.н. И.Ш. Штейнберг)

Экспериментальное исследование динамики одновременной записи наложенных голографических решёток в толстослойных фотополимерных материалах

Получены новые экспериментальные данные о процессах одновременной записи наложенных объёмных отражательных голографических решёток в толстых слоях фотополимерных материалов, что позволило уточнить существующие уравнения кинетики фотополимеризации. (Отв. исполнитель – к.т.н. Е.Ф. Пен)

Разработка проекционного ИК объектива из халькогенидного стекла

Получены тонкие халькогенидные слои (~ 5 мкм) с прецизионной однородностью по толщине и на них реализована прямая лазерная запись зонных пластинок с фазовым профилем глубиной до 15 длин волн оптического диапазона. На основе объёмной халькогенидной линзы и халькогенидной фазовой зонной пластинки с разными знаками дисперсии продемонстрирована возможность создания малогабаритного ИК-объектива-ахромата. Дальнейшая оптимизация конструкции объектива может быть проведена путем записи зонной структуры на поверхности объёмной линзы. (Отв. исполнитель – к.ф.-м.н. В.И. Наливайко)