Голографический_фотоотверждаемый_нанокомпозит_и_оптические_элементы_на_его_основе__автореферат_дис_кандидата_физико-математических_на

1.

9 1 8 - 1 /9 6 7
Ш склан ова Е ли завета Борисовна
ГО Л О ГРА Ф И Ч ЕС К И Й Ф О ТО О ТВ ЕРЖ Д А ЕМ Ы Й Н А Н О К О М П О ЗИ Т И
О П Т И Ч Е С К И Е Э Л ЕМ Е Н Т Ы НА ЕГО О С Н О В Е
Специальность 01.04.05 - Оптика
А ВТО РЕФ ЕРА Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
С анкт-П етербург - 2018

2.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском
университете информационных технологий, механики и оптики
Научный руководитель:
д.ф.-м.н., профессор
Денисюк Игорь Юрьевич
Официальные оппоненты:
Михайлов Михаил Дмитриевич
Доктор химических наук, профессор
АО "ГОИ имени С.И. Вавилова"
Зам.
генерального
директора
по
научной работе и развитию
Петров Виктор Михайлович
Доктор физико-математических наук,
ФГАОУ ВО «СПбПУ»
Профессор Высшей школы прикладной
физики и космических технологий
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
образования «Московский государственный
университет имени М .В. Ломоносова»
Защита состоится 24 декабря 2018 г. в 15:50 на заседании диссертационного
совета
Д
212.227.02
при
Санкт-Петербургском
национальном
исследовательском университете информационных технологий, механики и
оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., ауд. 331.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных технологий,
механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49
и на сайте http://fppo.ifmo.ru/?pagel=16& page2=52& page_d=l& page_d2=134711
Автореферат разослан « * £ / > ,
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.227.02
к.ф.-м. н.
2018 года.
2018
Старовойтов A.A.

3.

3
РОССИЙСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
БИБЛИОТЕКА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Появление и развитие в последние десятилетия голографических
нанокомпозитов позволило значительно расширить область применения
голографических оптических элементов. Однако основные закономерности и
эффекты деградации дифракционной эффективности таких элементов мало
исследованы. В данной работе проведено исследование эксплуатационных
параметров голографических элементов записанных на нанокомпозиционном
полимерном материале. Рассмотрены конкретные применения полученных
голограмм, что является важным вопросом, как для науки, так и для техники.
Степень разработанности темы исследования
В данной работе проведено исследование деградации дифракционной
эффективности голограмм при различных воздействиях на материал, получены
зависимости, показывающие изменение дифракционной эффективности при
внешних
воздействиях
на
полученные
элементы.
Записаны
нанокомпозиционные голограммы на различных подложках, в том числе на
криволинейной
поверхности.
Показана
возможность
создания
голографического маркера оптической оси, в том числе с использованием
синтезированной апертуры и собран макет системы с матрицей, состоящей из
отдельных голограмм, однозначно показывающих положение наблюдателя
относительно оптической оси.
Цели работы
1.
Исследование
основных
процессов
и
закономерностей
и
оптимизация
голографических
нанокомпозиционных
материалов
применительно к их техническим областям применения, таким как защитные
голографические маркеры и голографические системы индикации глиссады.
2.
Исследование схем записи технических голограмм и определение
результирующих параметров.
Задачи работы
1. Проведение исследований записи голограмм в нанокомпозиционных
голографических материалах, включая запись на криволинейных поверхностях,
запись скрытой информации и плавающих визуальных изображений.
Исследование их стабильности и деградации при внешних воздействиях, таких
как термическое воздействие, воздействие УФ облучения, влажность.
Выявление основных процессов, ответственных за деградацию записанной 3D
голограммы.
2. Проведение исследований формирования защитных голографических
меток на основе 3D голограмм, исследование схем записи и воспроизведения и
возможных
параметров
исходя
из
применения
голографического
нанокомпозита как основного материала.
3. Проведение исследований голографических методов формирования
визуального маркера оптической оси объекта, методов записи маркера в
голограмму, формирование синтезированного изображения при компоновке

4.

4
нескольких голограмм, характеристики сформированного маркера и их связь со
схемой записи
Научная новизна работы
1.
Впервые выяснены
основные
зависимости,
связывающие
параметры исследуемого накомпозиционного материала, важные для его
применения, такие как термостабильность, влагостойкость, устойчивость к УФ
излучению с его компонентным составом.
2.
Впервые проведены исследования возможности записи голограмм
на криволинейной
поверхности.
Получены
образцы голографических
оптических элементов, записанных на криволинейных поверхностях. Запись
голограмм на криволинейных поверхностях позволяет персонифицировать
голограмму, привязать ее к поверхности объекта.
3.
Впервые проведено формирование оптического голографического
визуального
маркера
оптической
оси
объекта,
использующего
синтезированную апертуру.
Теоретическая и практическая значимость работы
1.
Проведено исследование процессов деградации дифракционной
эффективности голограммы под воздействием внешних факторов, таких как
повышенная влажность, температура и фотоактичничное излучение. По
результатам исследования
определены пределы областей применения
голограмм на основе нанокомпозиционного материала.
2.
Произведена запись голографических оптических элементов
непосредственно на объекте: криволинейные поверхности;
бумажные
материалы, стекло. Полученные голограммы пригодны для использования в
качестве защитных элементов.
3.
Создана оригинальная схема записи/считывания и проведено
макетирование для оптического голографического указателя оптической оси
объекта, использующего синтезированную апертуру. Макет, состоящий из
матрицы 2x2 элементов, пригоден для использования в формирователе
ближнего привода в системе глиссадных посадочных огней.
Методология и методы исследований
М етодологическую основу диссертационного исследования составляет
совокупность научных подходов и методов, соответствующих содержанию
исследуемых проблем.
Положения, выносимые на защиту
1. При записи голограммы в нанокомпозите на основе наночастиц S i0 2 ,
диспергированных в фотополимеризующемся акрилате, экспозиция запускает
начало процесса фото- термо- индуцированного перемещения наночастиц, в
результате дифракционная эффективность нарастает после окончания
экспозиции в течение 1 суток до максимального значения и далее не
изменяется.
2. При записи голограммы в нанокомпозите на основе наночастиц ZnO,
диспергированных в фотополимеризующемся акрилате, экспозиция запускает
начало процесса фото- термо- индуцированного перемещения наночастиц, в

5.

5
результате дифракционная эффективность не изменяется в течение первых двух
суток и далее нарастает в течение 14 дней д о максимального значения.
3. Голограмма мнимого изображения объекта может быть использована в
качестве визуального маркера оптической оси, в частности указателя угла
глиссады и курса летательного аппарата.
4. Нанесение жидкого нанокомпозита на криволинейные поверхности,
бумажные впитывающие носители позволяет осуществлять персонификацию
данного объекта, путем фиксации в голограмме на этапе записи формы
поверхности.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность подтверждается воспроизводимостью экспериментальных
данных, использованием современного оборудования и методов работы.
Полученные экспериментальные данные не противоречат данным, известным
из литературных источников.
Основные результаты и положения работы представлялись на 3
выставках и 7 конференциях в 8 докладах: X V Международная Конференция
«ГолоЭкспо 2018», Нижний Новгород, 2018; XLV11 Научная и учебно­
методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2018; X
М еждународная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2017», Санкт-Петербург, 2017; XIV Международная Конференция «ГолоЭкспо
2017», Звенигород, 2017; VI Конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2017;
VII международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики 2012»; V Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СанктПетербург, 2008; 20-й Московский международный Салон изобретений и
инновационных технологий «Архимед», Москва 2017; М еждународный военно­
технический форум «А РМ И Я-2017», Кубинка, 2017; 18th International
Conference on Laser Optics ICLO 2018, Санкт-Петербург.
Автор является руководителем гранта РФФИ 18-32-00861 «Запись и
восстановление 3D голограмм на криволинейных поверхностях», 2018.
Получены награды: Золотая медаль М еждународного салона "Архимед" и
Диплом к Золотой медали 20-го М осковского международного Салона
изобретений и инновационных технологий «Архимед»; Благодарность за
участие в VI Конгрессе молодых ученых, Секция 6. «ОПТОТЕХНИКА И
ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»; Диплом второй степени V Всероссийской
межвузовской конференции молодых ученых.
Публикации по теме работы
Основные научные результаты опубликованы в 12 печатных трудах, из
которых 2 входит в международные реферативные базы данных и системы
цитирования, один из них перевод статьи, 5 входящих в перечень российских
рецензируемых журналов, тезисов - 5, одна работа - учебное пособие. Список
работ приведен в конце автореферата.

6.

6
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Материалы
изложены на 94 страницах, включая 45 рисунков и 9 таблиц. Список
литературы составляет 83 наименования.

7.

7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
задачи, определена структура диссертации.
Первая глава посвящена:
- Обзору работ, п. 1.1.1, касающихся дифракционным оптическим элементам их
особенностям и возможностям применения.
- Голографическим оптическим элементам, п. 1.1.2. П одробно рассмотрены
такие системы, как голографические дисплеи и голографические прицелы.
Общий
подход,
относительно
голографических
прицелов,
можно
характеризовать как голографический м етод создания визуального маркера
оптической оси. Модификация этого метода исследована в данной работе. В
частности, исследован принцип и аппаратурная реализация формирования
мнимого изображения «висящего в пространстве» и связанного с положением
физического объекта, которое будет использоваться для формирования
визуальной информации о положении оптической оси объекта, например,
посадочной полосы при заходе самолета по глиссаде или оси крупноразмерных
деталей при точном совмещ ении и сборке. Этот вопрос актуален, но ранее
никем не рассматривался.
- Возможному применению голографических элементов в защитных целях. В
частности, запись на криволинейных поверхностях. Проведенный анализ
научной литературы показывает отсутствие работ в области записи голограммы
на криволинейной поверхности произвольного объекта, хотя задача
представляется решаемой и не противоречащей принципам голографической
записи.
- Анализу сущ ествую щ их материалов для голографической записи, п. 1.2.
Определению
принципа
работы
нанокомпозиционных
материалов
с
введенными наночастицами и их сравнение с классическими фотополимерами.
Рассмотрены механизмы диффузии наночастиц и мономерных компонентов
нанокомпозиционных материалов - при воздействии интерференционного поля
происходит процесс снижения химического потенциала мономеров в
освещенных областях, что вызывает диффузию мономеров из неосвещенных в
освещенные области, в тоже время происходит увеличение химического
потенциала у введенных неорганических наночастиц находящихся в светлых
областях, что вызывает их диффузию в темные области. Этот процесс приводит
к модуляции показателя преломления внутри материала.
Во второй главе рассмотрены материалы для голографической записи,
используемые в данной работе, и способы их приготовления. В работе
исследовались
несколько
составов
полимерных
нанокомпозиционных
материалов. В общем виде материал представляет собой смесь уретанакрилатных мономеров, наночастиц и фотоинициатора. Составы подбирались и
модифицировались с учетом того на какую поверхность (стекло, бумага,
криволинейные поверхности) предполагалось нанесение нанокомпозиционного
материала. В ходе модификации были подобраны оптимальные компоненты
полимерной матрицы, наночастицы и их процентное соотнош ение. Тип

8.

наночастиц, концентрация наночастиц, размер наночастиц влияют на
оптические и голографические свойства нанокомпозиционного материала, от
этого зависит, например, прозрачность материала и максимальные значения
дифракционной эффективности, которые можно получить на данном
материале, при оптимально подобранных условиях записи. Составы приведены
в Таблице 1.
Таблица 1 - Соотношение компонентов в составах для записи
дифракционных решеток______________ _________________ ______________________
Наночастицы
Инициатор
№
Соотношение мономеров
0,5 вес.% B is (eta 52,4-cyclopentadien2-Carboxyethyl acrylate (2Car)/
1-yl) B is [2,61 Bisphenol A glycerolate (B isA ) 6 вес.% SiOn
d ifluoro-3-(lH 70/30 вес.%
pyrrol-1-yl) phenyl]
titanium (Irg)
12-Carboxyethyl acrylate (2Car)/
10 вес% ZnO
0,5 вес.% Irg
2 Bisphenol A glycerolate (B isA ) 70/30 вес.%
Diurethane dimethacrylate
0,05 вес.%
(U D M A )/ Isodecyl acrylate
Phenanthrenequinone
3
9 вес.% SiOn
(ID A )/ 2-Phenoxyethyl acrylate
(In)
(PEA) - 75/20/5 вес.%
2Carb/U DM A /l ,6-Hexanediol
0,5 вес.% Irg
4 diacrylate (DIOL) - 10/80/10
6 вес.% БіОг
вес.%
UDM A/IDA/2Car - 75/18/7
0,5 вес.% Irg
5
13,5 вес.% S iÛ 2
вес.%
В третьей главе приведены схемы установок для голографической
записи. В зависимости от поставленной задачи установка для голографической
записи модифицировалась. Общим является использование одномодового
одночастотного H e-C d лазера с длиной волны 442 нм. При записи объектный и
опорный пучки имели равную интенсивность (распределение интенсивности в
близко к гауссову), диаметр 10 мм и вертикальную (s-) поляризацию (для
достижения этого использовалась пластинка Х/2). Полученные голографические
элементы - это пропускающие голографические дифракционные решетки
(запись в попутных пучках). Период полученных решеток составлял 2 мкм.
Плотность мощности излучения записи варьировалась от 2 до 10 мВт/см2 при
помощи светофильтров. П осле записи рассчитывалась дифракционная
эффективность:

9.

9
n
=
(1)
' f ,
где
r| - дифракционная эффективность; І_і интенсивность
дифрагированного пучка в -1 порядке; I - интенсивность падающего пучка.
Для измерения интенсивностей дифрагированного и падающего пучка
использовалось излучение вспомогательного лазерного источника KLM -635 с
длиной волны 635 нм, а также люксметр.
В четвертой
главе показано, что используемые
в
работе
нанокомпозиционные материалы с введенными наночастицами пригодны для
голографической записи. Важным параметром для нанокомпозиционных
голографических
решеток
является
значение
модуляции
показателя
преломления, поскольку по этому значению можно судить об эффективности
перераспределения в объем е материала наночастиц и мономеров. Модуляция
показателя преломления для исследуемых материалов рассчитана по формуле
Когельника (2):
Л со іѲ д a r c j i r ѵ г;
” “
nd
’
(2 >
где d - период записанной голографической решетки; Ѳв - угол Брэгга; X длина волны, ц - дифракционная эффективность.
Рассчитанная величина n составляет 0 ,0 4 8 -0 ,0 6 5 , что позволяет говорить
об эффективном перераспределении компонентов нанокомпозита. Полученные
голографические оптические элементы являются высоко селективными,
следовательно, в материале формируется объемная периодическая структура,
рисунок 1.
Отклонение от угла Брэгга, град.
Рисунок 1 - Угловая селективность дифракционной решетки, записанной на
материале № 3 толщиной 100 мкм
Пятая глава посвящена исследованию зависимости изменения
дифракционной
эффективности нанокомпозиционных
голографических
оптических элементов от времени воздействия на них таких факторов как
фотоактиничное излучение, повышенная температура и влажность. Подробно

10.

10
описаны методики исследований, п.5.1. Показано что температура 150°С предельная ожидаемая температура стабильности нанокомпозиционной
голограммы, рисунок 2, кривая 1, а температура стеклования составляет около
230°С , при более высоких температурах происходит деструкция с выделением
тепла.
20
40
60
80
100 120
140
160
180
200
220
240 260 280
300
320
340
360
380
400 420
I
Температура образца, °С
Рисунок 2 - Термограмма нанокомпозита BisA/2Carb 30/70, S i0 2 6%. Кривая 1
- разница температур образца и эталона; Кривая 2 - изменение веса образца
На рисунке 3 показан рост дифракционной эффективности в течение 14
суток. Для состава с наночастицами SiCb происходит небольшой рост
дифракционной
эффективности голограммы
в течение суток после
экспонирования, что
отражает медленную
диффузию
наночастиц в
нанокомпозите, тогда как рост дифракционной эффективности для состава с
наночастицами ZnO (№ 2) начинается только через сутки.
Рисунок 3 - Зависимость
дифракционной
эффективности эталонных
образцов
от
времени.
Кривая 1 состав с
наночастицами
SiCb;
Кривая 2 состав с
наночастицами ZnO
Врем я
На рисунке 4 представлены фотографии образцов. Оба эталонных
образца имеют четкую, хорош о различимую дифракционную решетку.

11.

11
liflj i î n P b l
iS 7
а) с наночастицами S i0 2
б) с наночастицами ZnO
Рисунок 4 - Фотографии эталонных образцов, период 2 мкм
Термодеградация голограмм имеет зависимость от типа наночастиц. Для
состава с наночастицами ZnO достигается полное сохранение дифракционной
эффективности голограммы после термообработки до 150°С в течение 5 минут,
а для состава №1 с наночастицами Si О: дифракционная эффективность падает
на 20%, рисунок 5. Однако оба состава обладают высокой термической
стабильностью
и пригодны для технических областей
применения.
Уменьшение дифракционной эффективности при увеличении температуры
может быть обусловлено увеличением скорости полимеризации и фиксацией
наночастиц образующ ейся полимерной сеткой.
Длительное воздействие влаги, совместно с повышенной температурой
или с фотоактиничным излучением способствую т значительной деградации
дифракционной эффективности, рисунок 5 и 6. Исследуемые образцы показали
падение дифракционной эффективности на 50% от начальной уже после
первых суток воздействия, рисунок 5.
0
5 м и н ут
15 м и н у т
30 м и н ут
60 м инут
Время
Рисунок 5 - Зависимость изменения дифракционной эффективности от времени
нахождения при высоких температурах. Кривая 1 - Состав BisA/2Carb 30/70,
SÎ02 6%, 100°С; Кривая 2 - Состав BisA/2Carb 30/70, ZnO 10%, 100°С; Кривая 3
- Состав BisA/2Carb 30/70, S i0 2 6%, 150°С; Кривая 4 Состав BisA/2Carb 30/70,
ZnO 10%, 150°С

12.

12
1 ч ас
1 сутки
7 суток
14 суток
Время
Рисунок 6 - Зависимость изменения дифракционной эффективности от времени
при повышенной влажности. Кривая I - Состав № 1, 35°С; Кривая 2 - Состав
№ 2, 35°С; Кривая 3 - Состав № 1, 50°С; Кривая 4 - Состав № 2, 50°С
Имеет место связь меж ду поглощением влаги и понижением
дифракционной эффективности. Один раз поглотив влагу, состав уже не
демонстрирует первичные показатели, рисунок 7.
н
о
£
;і5
з
У
«10
в «
я © _
£В *д 5
о В
В* о
5 в
к ЙI k h
1 час
5 с\ток
суток
Время выдержки в воде
2 сѵток
14 суток
I
Рисунок 7 - Зависимость отклонения от начальной массы составов (%) от
времени выдержки в воде

13.

13
6
5
11
іЗ
О
1 час
1 сутки
7 суток
14 суток
В р ем я
Рисунок 8 - изменение дифракционной эффективности под действием
ультрафиолета и естественного света. Кривая 1 - Состав № 1, диодная засветка;
Кривая 2 - Состав № 2, диодная засветка; Кривая 3 - Состав № 1, диодная
засветка в повышенной влажности; Кривая 4~ Состав № 2, 1 диодная засветка в
повышенной влажности; Кривая 5 - Состав № 1, естественное освещ ение;
Кривая 6 —Состав № 2, естественное освещ ение
Однако при кратковременном воздействии влаги, фотоактиничного
излучения, повышенной температуры по отдельности или в любой из
комбинаций этих факторов деградацию дифракционной эффективности для
исследованных образцов можно считать не большой, а сами образцы
устойчивыми к этим внешним факторам. Естественный и искусственный свет
не оказывают сущ ественного влияния на дифракционную эффективность
записанных голографических оптических элементов, рисунок 8. Характер
изменения дифракционной эффективности идентичен наблюдаемому для
эталонных образцов.
В главе 6 проведены экспериментальные исследования возможности
записи голографических элементов непосредственно на объекте, рисунок 9. Для
каждого типа подложки возможно подобрать состав нанокомпозиционного
голографического материала, в соответствии с требованиями, предъявляемыми
к конечному продукту: рисунок 9 (а) - голографический оптический элемент линза, записанный на плоской стеклянной подложке; рисунок 9 (б, в, г) голографическая дифракционная решетка на бумажной подложке, которую
невозможно снять без необратимых повреждений.

14.

14
Рисунок 9 - Голографические защитные элементы на различных подложках
Получена голограмма, содержащая не видимое глазом, скрытое
криптографическое изображение, рисунок 10 (а). Такая голограмма может быть
правильно
восстановлена
только
светом,
имеющим
определенные
характеристики, такие как угол падения пучка, диаметр пучка, расходимость,
длина волны, которые задаются при записи голограммы. При выполнении
заданных условий освещения, формируется машинно-читаемый qr-код, рисунок
10 (б). Схема восстановления такого элемента представлена на рисунке 10 (в).
б) распознанная
камерой
а) внешний вид
голограмма
в) схема восстановлени
Рисунок 10 - Голограмма, содержащая не видимое глазом, скрытое
криптографическое изображение (а, б), и схема восстановления скрытого qrкода (в)
Проведены экспериментальные исследования возможности записи
голографических элементов на криволинейных поверхностях, на рисунке 11 (а,
б) схематично представлен принцип записи и считывания голограммы на

15.

15
криволинейной
поверхности.
Запись
проводилась
на двух
составах
(UDM A /IDA /2C ar - 75/18/7 вес.% 13,5 вес.% S 1O2, рисунок 12 (а, в),
дифракционная эффективность 20%; 2Car/BisA - 70/30 вес.% 6 вес.% SiCK,
рисунок 12 (б), дифракционная эффективность 1,5%) непосредственно на
криволинейных поверхностях, показано, что используемые материалы
пригодны для этих целей.
Рисунок 11 - Принцип записи и восстановления голограммы на криволинейной
регистрирующей среде: а) запись; б) восстановление
Полученные
элементы
могут
применяться
в
качестве:
персонифицированной, не копируемой защиты для ценных бумаг и
документов; элементов, подтверждающих целостность упаковки; элементов
голографических систем контроля и управления доступа.
Вопрос
повышения
дифракционной
эффективности
голограмм
записанных на криволинейных поверхностях и исследования основных
эффектов при их записи будет подробно рассмотрен в ходе проекта 18-32-00861
«Запись и восстановление 3D голограмм на криволинейных поверхностях»,
2018 - 2020 гг, поддержаного РФФИ в 2018 году, руководитель - Шекланова
Е.Б.

16.

16
Рисунок 12 - Голографическая дифракционная решетка на криволинейной
поверхности, где а) - запись на часовом стекле; б) - запись на лабораторной
пробирке; в) - дифракционная решетка на часовом стекле в параллельном свете
Седьмая глава посвящена созданию голографического индикатора
оптической оси на основе синтезированной апертуры. По сути, это задача
является
обратной
по
отношению
к
голографическому
прицелу,
рассмотренному в Главе 1, п. 1.1.2.2. В главе 7 показан полученный
голографический маркер в виде линии, проведено его фотометрирование и
показано, что устройства, основанные на подобных голографических маркерах
безопасны для человеческого глаза, рисунок 13.
Рисунок 13 - Голографический указатель оптической оси - в виде линии, а)
восстановленное изображение; б) фотометрирование
На рисунке 14(a) представлен собранный макет системы на основе
матрицы голограмм 2x2. Запись голограмм массива проводилась на одной
установке, в схем е, рассмотренной в Главе 3, п 3.2, в соответствии с общей
схемой.

17.

Л1, Л2, ЛЗ, Л4 - система
подсветки: лазеры и линзы;
Г - синтезированная из 4ех
частей голограмма
а) фотография установки для б)
схематическое
восстановления
изображение
установки
голографического
для
восстановления
изображения маркера
синтезированного
голографического
изображения
в)
схематическое г)
фотография
изображение
маркера, восстановленного
одним
каждая
голограмма элементом
изображения
восстанавливает объект
маркера
Рисунок 14 - Голографический указатель оптической оси на
синтезированной апертуры
основе
Для
восстановления
изображения голографического
маркера,
использовались четыре записанные раздельные голограммы, каждая из которых
подсвечивалась своим лазерным источником, а при одновременной работе они
создавали видимое изображение большого маркера. При этом каждая
голограмма записывалась в той же схеме, но при индивидуальной настройке
углов записи, так, чтобы они формировали мнимое изображение в одной точке.
При
восстановлении
изображения
голограммы
устанавливались
на
индивидуальных подвижках, что позволяло подстроить их углы установки по
формируемому изображению, рисунок 14 (б, в, г).

18.

18
Перемещ ение маркера, по голограммам, включая промежутки между
ними внешне с расстояния, обеспечивающего апертурный угол наблюдения
матрицы голограмм менее 0,05°, воспринимается как плавное перемещения по
матрице одного маркера, что позволяет сформировать систему из многих
голограмм в матрице, имеющую значительную площадь, что позволяет
обеспечивать видимость маркера с больших расстояний, обычных для захода
по глиссаде.
Так, разрешающая способность человеческого глаза с нормальным
зрением соответствует разрешению 1-2' (около 0,02°-0,03°), что соответствует
30-60 см на 1 км расстояния. При этом формирование матрицы 3x3 метра,
состоящей из 5x5 голограмм, всего 25 голограмм, обеспечит наблюдение
маркера на дальности до 1 км и увеличение точности при уменьшении
расстояния, что достаточно для практических целей применения. Как видно из
рисунка 15, маркер однозначно показывает соотношение положения
наблюдателя в пространстве и оптической оси. При уходе с оси, рисунок 15 (а и
в), происходит сдвиг голографической марки пропорционально угловой
величине ухода с оси.
а)
наблюдатель
ушел б) наблюдатель на оси, в) наблюдатель ушел с
влево от оси
один элемент отключен
оси вправо и вверх
Рисунок 15 - Фотографии синтезированного голографического маркера
В заключении сформулированы выводы и положения, выносимые на
защиту в виде основных результатов работы.

19.

19
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
В данной работе проведены комплексные исследования и созданы
научные основы технологии и применения голографического нанокомпозита,
обеспечивающ его
запись
голограмм
с
высокой
дифракционной
эффективностью, обеспечивающ его ее работоспособность
в широком
интервале температур, д о 150°С и при иных внешних воздействиях —
ультрафиолетовое облучение, влажность, облучение видимым светом. Также
исследованы основные процессы и закономерности термо- и фотодеградации
голограмм, записанных в нанокомпозите, что позволило улучшить эти
параметры путем изменения состава материала.
Также проведено исследование двух областей технического применения
записанных голограмм: защитных 3D голограмм, со скрытым кодированием
записанной информации и систем формирования визуального маркера для
систем индикации оптической оси объекта, например, визуального определения
глиссады посадки летательного аппарата. Для обоих случаев разработана и
исследована
оптическая
схема
записи
и
восстановления,
включая
формирование синтезированного изображения индикатора оптической оси с
использованием матрицы из нескольких согласованных голограмм. Проведено
макетирование и измерения выходных характеристик приборов и элементов.
Выяснены основные зависимости, связывающие параметры материала и
возможностей его применения.
Проведено исследование возможности формирования голограммы в
тонком слое нанокомпозита, нанесенного на криволинейные поверхности,
бумажные материалы. Показана возможность применения в области защитной
голографии, в частности - персонификации объектов, когда голограмма,
записанная на криволинейной поверхности, восстанавливается только на ней и
необратимо искажается или разрушается при снятии в результате высокой
угловой селективности материала и записи в каждой точке криволинейной
поверхности с конкретным углом между лучами и материалом, определяемым
ее кривизной в данной точке. Дальнейшие исследования в этой области будут
проводится в ходе проекта 18-32-00861 «Запись и восстановление 3D
голограмм на криволинейных поверхностях», поддержанного РФФИ в 2018
году, руководитель - Шекланова Е.Б.
Результаты данной работы являются новыми, представляют интерес как в
научном плане для понимания процессов происходящих в голографическом
нанокомпозите при записи голограмм и создания возможных схем записи и
восстановления, так и в практическом плане с точки зрения применения
полученных элементов: для персонифицированной защиты, например,
музейных ценностей, товаров с возможностью записи в голограмме скрытой,
кодированной информации, обеспечивающей считывание информации на ПЗС
приемник при подсветке лазерным лучом в определенном диапазоне углов и
длин волн; для создания голографического указателя оптической оси объекта, в
том числе с использованием синтезированной апертуры, формирующий

20.

20
визуальную информацию о положении оптической оси объекта и отклонении
от нее наблюдателя.

21.

21
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Научные издания, входящие в перечень ВАК
1.
Шекланова
Е.Б., Денисюк
И.Ю ., Быков A .B.
Фотои
термодеградация голограмм, записанных в нанокомпозите // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики. —
2018, — Т. 1 2 5 , — № 4 , — С. 541-543.
2.
Баля В.К., Денисюк И.Ю ., Шекланова Е.Б., Ворзобова Н.Д.
Нерегулярная дифракционная решетка для лазерного генератора линии //
Известия высших учебных заведений. Приборостроение. — 2013. — Т. 56. — №
12, — С. 61-65.
3.
Шекланова
Е.Б. Применение
метода
наноимпринта
для
формирования пленочных ретрорефлекторов // Научно-технический вестник
Санкт-Петербургского
государственного
университета
информационных
технологий, механики и оптики. — 2008. — № 7(52). — С. 44-49.
Научные издания, входящие в перечень российских рецензируемых
журналов
1.
Шекланова Е.Б., Фокина М .И., Денисюк И.Ю. 3D защитный
голографический элемент с криптографической информацией // Оптика и
спектроскопия. — 2018. — Т. 125. — № 4 . — С. 541-543.
Научные издания, входящие в список Web of Science и Scopus
1.
Burunkova J.A ., Denisyuk I.Y., Zhuk D.I., Sheklanova E.B. Holographic
nanocomposite and a related diffraction element // Optics and spectroscopy, IET. —
2017. — Vol. 122. — N o. 2. — P. 341-343. (перевод статьи: Бурункова Ю .Э.,
Денисюк И.Ю ., Жук Д.И ., Шекланова Е.Б. Голографический нанокомпозит и
дифракционный элемент на его основе // Оптика и спектроскопия. — 2017. — Т.
1 2 2 , — № 2 , — С. 349-351)
2.
Litvinov Е.А., Demchenko P.S., Sheklanova E.B., Khodzitsky M.K.
Epsilon-near-zero copper-dielectric composite for terahertz frequency range //
Proceedings o f SPIE, IET. — 2018. — P. 11111.
Учебные пособия
1.
Бурункова Ю .Э., Денисюк И.Ю., Шекланова Е.Б., Фокина М.И.
Оптические полимерные нанокомпозиты: Учебное пособие. — СанктПетербург: Университет ИТМО, 2018. — 80 с.
Публикации в иных изданиях
1.
Шекланова Е.Б., Фокина М .И., Жук Д.И ., Бурункова Ю .Э., Калябин
В.О., Денисю к И.Ю. Трехмерные нанокомпозиционные голограммы //
Голография. Наука и практика: XIV международная конференция HOLOEXPO
2017: тезисы докладов (Звенигород, 12-14сентября 2017г.). — 2017. — С. 217218.
2.
Шекланова Е.Б., Фокина М .И., Бурункова Ю .Э., Калябин В.О.,
Денисюк И.Ю.
Голографический
нанокомпозиционный
материал
//
Голография. Наука и практика: XIV международная конференция HOLOEXPO
2017: тезисы докладов (Звенигород, 12-14сентября 2017г.). — 2017. — С. 215216.

22.

22
3.
Шекланова Е.Б., Денисюк И.Ю. Голографический защитный
элемент//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное
издание [Электронный ресурс]. — 2017.
4.
Шекланова
Е.Б.
Деградация
3D
нанокомпозиционной
голограммы//Сборник Трудов X М еждународной Конференции Молодых
Ученых и Специалистов «Оптика - 2017». — 2017. — С. 594.
5.
Баля В.К., Шекланова Е.Б. Лазерный генератор линии на базе
дифракционных решеток со сбитым периодом//Сборник трудов VII
международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики - 2012»
Санкт-Петербург 15-19 октября 2012. — 2012. — С. 193-195.

23.

Подписано в печать 19.10.2018 г. Формат: 60x84 1/16. Печать цифровая.
Т ипография на Биржевой, ООО «Университетские телекоммуникации»
Санкт-Петербург, Биржевая линия, д. 16, + 7 (8 1 2 )9 1 5 -1 4 -5 4 , zakaz@ tibir.ru , w w w .tibir.ru

24.

^Р-п-іе0 0 9 8 7 g
2
395
2 0 18 573753
2018573753