Голография. Применение голограмм. Диффракционные решетки

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ФИЗИКИ

(визитная карточка)

МАЛОВ

Александр Николаевич

д.ф.-м.н., зав. лаб.

“Когерентной оптики”

Иркутский Филиал Института Лазерной Физики СО РАН

(в составе Иркутского научного центра СО РАН)

МАЛОВ

Сергей Николаевич

к.ф.-м.н., зав. лаб.

“Лазерной технологии”

Для начала немного истории. Многие помнят, наверное, что одной из последних компаний научно-технического прогресса в Советском Союзе накануне перестройки было увлечение всеобщей роботизацией промышленности. В ее рамках в 1985 году в лаборатории динамики роботов Иркутского вычислительного центра были сформулированы основные требования к связке "лазер-робот" и приобретен первый твердотельный лазер ЛТН-401 с удвоением частоты. В памяти хорошо отложились первые эффектные эксперименты по резке черной бумаги: манипулятор робота брал кусок бумаги, помещал его в фокальную плоскость оптической системы и перемещал бумагу по заданной программе под лазерным лучом, вырезая тем самым окружность. Хотя в дальнейшем процесс роботизации производства в России естественным образом прекратился, результаты и разработки по лазерным технологиям резки, сварки и упрочнению материалов оказались актуальными для предприятий Байкальского региона.

Понятно, что развитие этих исследований носит в основном экспериментальный характер, поэтому большое внимание все эти годы уделялось формированию экспериментальной базы - приобретению более мощных лазерных источников, разработке и конструированию опытных образцов и стендов, а также отработке конкретных технологий, основанных на взаимодействии высокоэнергетичных лазерных пучков с различными материалами. Малочисленная группа энтузиастов времен 1985 года за прошедшее время превратилась в мощное подразделение Иркутского научного центра – Филиал института Лазерной Физики - с развитым парком экспериментального оборудования, широким спектром фундаментальных и прикладных направлений исследований, хорошим кадровым потенциалом и разнообразными связями как в регионе, так и за рубежом.

Рис.1. Лазерная опытно-экспериментальная установка для резки металла толщиной до 3 мм. Мощность АИГ-Nd лазера в непрерывном режиме 250 Вт.

Рис.2. Лазерный экспериментальный стенд для сварки, прошивки отверстий и поверхностной закалки.

- длина волны 1,06 мкм,

- энергия в импульсе до 23 Дж

В настоящее время фундаментальные исследования в области лазерной физики проводятся в трех направлениях: изучается взаимодействие мощного лазерного излучения с веществом: когерентная оптика и голография; ведутся исследования в области создания новых регистрирующих сред для голографии.

Первое направление работ связано с такими уникальными свойствами лазерного излучения, как высокая концентрация энергии в малом объеме пространства, что позволяет бесконтактным образом обрабатывать различные материалы.

Рис.3. Лазерная экспериментальная гравировальная машина на базе установки ЛТ 16.

Технологии, основанные на этом эффекте, применяются для резки металлических листовых материалов (рис.1), сварки разнообразных металлов, упрочнения металлических поверхностей, прошивки отверстий с высоким соотношением глубина/диаметр (рис.2), гравировки изделий (рис.3), резки органических материалов (рис.4).

Рис.4. Лазерная технологическая установка для раскроя органических листовых материалов (пластики, фанера, дерево и т.п.)

- длина волны 10,6 мкм

- мощность лазера 40 Вт

Для проведения исследований в этом направлении и выполнения опытных работ имеется парк современных программно-управляемых лазерных технологических установок с рекордными характеристиками для такого класса оборудования. Достаточно сказать, что точность позиционирования лазерного луча относительно обрабатываемого материала составляет 5 мкм, что позволяет в процессе эксперимента получить высокий уровень повторяемости процесса, а при опытном производстве задать достаточно сложную траекторию движения луча. Используемые лазерные источники в этих установках относятся к классу твердотельных, генерирующих в ближней ИК-области (длина волны 1,06 мкм) как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Указанная длина волны хороша для обработки металлов, однако для органики (оргстекло, дерево и т.п.) коэффициент поглощения излучения оказывается низким, что приводит к резкому снижению эффективности технологического процесса. Поэтому недавно на одном из стендов (рис.4) был установлен маломощный (40 Вт) отпаянный газовый углекислотный лазер с длиной волны 10,6 мкм, с помощью которого получены обнадеживающие результаты по лазерной обработке органических материалов (рис.5).

Рис.5а

Рис.5б

Рис.5. Образцы опытных изделий, выполненных с помощью установки с углекислотным лазером: а – пластиковый витраж, б – изделия из фанеры и пластика.

Исходя из этих результатов было принято и реализовано решение о приобретении лазерного комплекса в составе более мощного (1200 Вт) углекислотного лазера и координатного технологического стола с увеличенным рабочим полем (2,5 х 3,0 м). Управление комплексом осуществляется с помощью специализированной ЭВМ, что позволит включить комплекс в существующую управляющую сеть. Таким образом, можно сказать, что за последние годы в Иркутском научном центре создан уникальный лазерный технологический комплекс в составе пяти установок, позволяющий решать практически любые задачи по лазерной обработке материалов и выполнять многие прикладные работы в интересах предприятий региона.

Второе направление фундаментальных исследований связано с работами в области когерентно-оптической обработки информации, в частности, с выполнением различных математических и иных операций с оптическими информационными массивами. За прошедшие годы выполнен цикл работ по исследованию голографических методов вычитания изображений, предложены некоторые новые способы, позволяющие реализовать вычитание волновых полей более просто и получать разностные изображения более высокого качества, чем известные. Кроме этого, проводятся исследования, цель которых - разработка новых голографических методов миниатюризации информационных массивов. Экспериментально получено 100-кратное голографическое сжатие исходного изображения, причем восстановление информации осуществляется с помощью источника белого света, а не лазером.

Рис.6. Структура поля, образованного лазерным излучением после прохождения биологического объект

Одним из наиболее интересных в фундаментальном и прикладном плане является эффект лазерной биостимуляции, наблюдающийся даже при очень низких (до 1 мВт) мощностях квантовых генераторов. Механизм и процессы, происходящие при этом, пока до конца неизвестны и интенсивно исследуются во всем мире. Иркутскими физиками показано, что при взаимодействии лазерного излучения с биовеществом происходит самоорганизующаяся подстройка пространственно-временного распределения интенсивности излучения к клеточной структуре биологической ткани (эффект Тальбота). В частности, экспериментально установлено, что модуляция лазерного излучения листом растения (рис.6) приводит к значительному ускорению роста и дифференциации клеток, что способствует возникновению новых ростков (побегов) растения. С точки зрения статистической физики явление лазерной биостимуляции является самоорганизующимся процессом неадиабатического возмущения открытой биологической системы и слабо зависит от абсолютного значения длины волны используемого излучения, но, в то же время, очень чувствительно к степени когерентности и монохроматичности лазерного излучения. Иными словами, в лазерной биомедицине важен не тип лазера, а его качество -- когерентность и монохроматичность излучения. В результате исследований выявлены причины селективной светочувствительности кк лазерному излучению здоровых и больных клеток организма -- "больные" клетки и биомолекулы, как правило, более чувствительны к действию когерентного облучения.

В последнее время разработан и исследован новый класс регистрирующих сред для записи голограмм -- самопроявляющиеся бессеребрянные биоподобные коллоидные системы. Запись на таких средах осуществляется по механизму изменения под действием света конформационных состояний желатиновых макромолекул. Регистрация голограмм (рис.7) при этом осуществляется в фазовом виде за счет изменения показателя преломления, что обеспечивает высокую яркость

Рис.7

Рис.7. Экспериментальная оптическая схема регистрации голограмм на базе нового класса регистрирующих сред -- самопроявляющихся бессеребряных биоподобных коллоидных систем.

восстанавливаемого голографического изображения, близкую к теоретически возможному пределу, при высокой разрешающей способности среды, работающей в реальном времени. Экспериментально обнаружено и исследовано явление фотоиндуцированного коллапса гелевой структуры желатиновых систем и реализована запись голограмм с использованием этого механизма. Разработанные коллоидные самопроявляющиеся регистрирующие среды уже нашли свое применение для записи сверхтолстых (до 5 мм и более) селектограмм в системах голографической памяти, разрабатываемых в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН под руководством академика Ю.Денисюка и при серийном производстве изобразительных голограмм.

На основе результатов исследований в области волоконной оптики и голографических регистрирующих сред разрабатываются датчики сверхслабых физических полей, пригодные для мониторинга различных природных объектов, таких как масштабная иерархия гидродинамических явлений в озере Байкал, регистрация сейсмических макро- и микроколебаний и др. Разработка способов управления структурой электромагнитного поля в волоконно-оптических световодах и, в частности, реализация так называемых сингулярных мод волновода позволит, наряду с повышением чувствительности световодных датчиков, увеличить и степень защищенности информации, передаваемой в волоконно-оптических телекоммуникационных системах от несанкционированного доступа (подслушивания).

Коллективом Иркутского филиала Института лазерной физики Иркутского научного центра СО РАН осуществляется широкое сотрудничество с ведущими научными коллективами России и зарубежья, такими как Институт общей физики РАН (Тарусский филиал), ФИАН (Самарский филиал), ФТИ им А.Ф.Иоффе РАН, Институт систем обработки изображений РАН (г.Самара), МИФИ, МФТИ, Московский институт электроники и математики, Иркутский и Самарский университеты, Самарский аэрокосмический университет, институт автоматики и электрометрии СО РАН, Научно-исследовательский фототехнологический институт АО "Славич" (г. Переславль-Залесский), Институт Физики НАН Украины, Институт прикладной оптики НАН Беларуси, Приднестровский и Молдавский университеты, Калифорнийский университет (г. Сан-Франциско США) и др.

Сотрудники уже более десяти лет оказывают методическую и практическую помощь предприятиям и организациям региона по использованию лазерных технологий. В списке партнеров можно отметить такие предприятия и организации, как НИИХиммаш, Иркутский завод тяжелого машиностроения, заводы "Радиан", кабельный, релейный, ИркАЗ, 403 ГА, коммерческие научно-производственные фирмы, ремонтные службы ВСЖД, Восточно-Сибирский центр стандартизации, метрологии и сертификации.

В медицинских учреждениях Иркутска и области успешно работают лазерные терапевтические установки серии "ПЛАТАН" (рис.8), разработанные и изготовленные в Иркутском научном центре, осуществляется научно-методическая помощь в процессе их эксплуатации.

Рис.8. Одна из модификаций лазерной терапевтической установки серии “ПЛАТАН”.

Кроме этого в ближайших планах -- проведение совместных с АО "Ростелеком" натурных экспериментов по исследованию новых методов диагностики волоконно-оптическких линий связи, с АО "Иркут-Инвест" -- по разработке новых филигранных технологий лазерного удаления многолетних органических наслоений на исторических памятниках и по отработке голографических методик исследования характеристик напряженно-деформированного состояния зданий для повышения их сейсмостойкости. Также в планах научных сотрудников разработка новых методов медицинской диагностики на основе анализа изображений кристаллограмм биологических жидкостей, создание новых моделей лазерных терапевтических приборов следующего поколения, разработка методов лазерной импульсной сварки тонколистовых материалов и многое другое. По результатам исследований в области лазерной физики уже защищено три кандидатских и одна докторская диссертации, а в настоящее время выполняется пять аспирантских работ.

Большая работа проводится сотрудниками лазерного подразделения Иркутского научного центра и по популяризации достижений лазерной физики. В течение последних десяти лет организуется и проводится Всесоюзный, международный, а в последнее время Межреспубликанский научно-технический семинар "Применение лазеров в науке и технике". Состоялось уже девять семинаров, выпущено девять сборников научных трудов, многие из которых стали настольными книгами специалистов - лазерщиков. В рамках программы "Интеграция высшей школы с фундаментальной наукой" организованы и проведены Школы молодых ученых "Люминесценция и сопутствующие явления", Байкальские Школы фундаментальной физики и др.

Коллектив Иркутского филиала Института лазерной физики Иркутского научного центра СО РАН открыт для взаимовыгодного сотрудничества как в фундаментальном, так и в прикладном плане с любыми организациями, заинтересованными во внедрении лазерной технологии.