ГлавнаяУниверситет ИТМО
2019-04-05
В лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО открылся комплекс по изготовлению изобразительных голограмм.
  В корпусе Университета ИТМО, расположенном на Кадетской линии В.О. д.3 к.2, известном в мире учёных-оптиков, как «Красный Домик», открылся уникальный комплекс по изготовлению изобразительных голограмм. Это событие имеет огромное практическое значение для развития изобразительной голографии. Но не менее значимо и символическое значение открытия комплекса, именно, в этом здании. В настоящее здесь располагаются лаборатории Международного института Фотоники и оптоинформатики. А в 70-х годах в «Красном Домике» находился отдел голографии Государственного оптического института им. С.И. Вавилова, которым руководил Юрий Николаевич Денисюк – выдающийся русский ученый, основоположник объемной голографии. В 1962 году он показал возможность восстановления голограммой, зарегистрированной в трехмерной среде, не только амплитуды и фазы волны, но также и ее спектрального состава. Научное достижение Ю.Н. Денисюка было признано научным открытием, и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 88 с приоритетом от 1 февраля 1962года. Эта работа стала фундаментом нового научного направления - трехмерной голографии.

«Красный Домик»

  Николай Петров, руководитель лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, рассказал о ключевых моментах, которые необходимо было учитывать при создании комплекса цифровой и изобразительной голографии.
  «Профессиональное изготовление высококачественных изобразительных голограмм трудоемкий процесс, требующий строгого соблюдения многих технологических требований, среди которых, прежде всего, следует отметить высококачественную виброизоляцию процесса записи голограмм, а также специальные температурные и климатические условия. Таким образом, одной из важнейших задач была – минимизации вибраций стендов комплекса».
  «С химической точки зрения процесс записи голограммы аналогичен фотографическому процессу: на фоточувствительный материал попадает свет, который формирует в нем определенную структуру. При экспонировании фотоматериала нужно обеспечить попадание на него определенного количества квантов света. Отличия заключаются в том, что в случае записи голограмм разрешающая способность фотоматериала должна быть намного выше, а вместо обычного света используется когерентное лазерное излучение. Как и в аналоговой фотографии - материал потом подвергается фотохимической обработке: проявлению, фиксированию, отбеливанию».
  «В результате облучения лазерным светом, внутри среды формируется определенная структура, которую можно схематически представить в виде черно-белых полос. Эти полосы очень тонкие, в среднем около ста нанометров (что примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса), и чтобы они зарегистрировались внутри среды, она должна быть абсолютно неподвижной».

Схематическое представление интерференционных полос при записи голограмм. Иллюстрация из книги Ю.Н. Денисюка «Принципы голографии».

  «Смещение лазерного луча в процессе записи вследствие какой-нибудь паразитной вибрации приведет к попаданию светлой полосы на место темной, и голограмма не запишется - поясняет Николай Петров. Проблема эта очень существенная, так как лазерный луч, прежде чем достигнуть светочувствительной среды, проходит большое расстояние через оптические элементы и становится сильно восприимчивым к мельчайшим сотрясениям, к незначительным звуковым колебаниям, и даже к дрожанию самого здания. Здесь уместна аналогия с лазерной указкой, наведенной на удаленный предмет: если вы держите ее в руках, то видно, как дрожит лазерный луч - это проявляются мельчайшие вибрации внутри вашего тела - движение крови по сосудам, микронапряжения мышц».
  Чтобы преодолеть эту проблему, необходимо расположить интерферометрический стол в подвальном помещении здания, и развязать с его фундаментом. В месте расположения интерферометрического стола был выкопан приямок, в котором из специальных виброизолирующих материалов и амортизирующих опор были устроены основания для него. Таким образом, интерферометрический стол был, практически полностью, развязан с землей, что обеспечило надлежащее подавление вибраций. Кроме того, в помещении был выполнен ремонт, учитывающий все особенности технологического процесса.
 

  Лабораторный комплекс включает в себя следующие установки:

  • Стенд для записи крупноформатных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка.
  • Стенд для копирования импульсных внеосевых голограмм.
  • Стенд для прямой записи отражательных голограмм.
  • Стенд для тиражирования голограмм с эталонов.

  Стенд для записи крупноформатных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка.
  Отличительной особенностью голограмм Ю.Н.Денисюка является возможность считывания изображений с использованием привычных источников света, таких как галогеновые лампы и светодиоды. Для большинства изобразительных голограмм источник точечный должен быть точечным, а чтобы восстановленное изображение не содержало геометрических искажений при считывании голограммы, источник должен помещаться в то место, где располагался центр расходящейся опорной волны при записи голограммы.
  В схеме Ю.Н. Денисюка расширенный пучок освещает жестко закрепленную стеклянную пластину с фоторегистрирующей средой и записываемый объект. Лазерный свет отражается от объекта и приходит на среду с обратной стороны. Таким образом, в плоскости фотопластинки встречаются два лазерных пучка: идущий от лазера, он называется опорным, и объектный. Формирующаяся в результате сложения этих пучков интерференционная картина представляет собой объемную голограмму. Имеются определенные требования к объектам, используемым для записи голограмм: материалы из которых состоит объект, должны быть «оптически жесткими», например, сталь, керамика, камень и т.д.. Связано это с тем, что регистрирующая голограмму среда, как и обычная фотопленка, обладает определенной чувствительностью. А так как в данной схеме пучок лазерного излучения, прежде чем попасть на объект расширяется, то количество энергии, приходящей в каждую часть поверхности фотоматериала, уменьшается пропорционально квадрату радиуса пучка. Потерю энергии можно скомпенсировать увеличением времени облучения светочувствительной среды (экспозиции). Таким образом, при неизменной плотности мощности лазерного источника излучения, для засвечивания большой площади требуется большее время экспозиции, и выше требования к виброизоляции. Согласно проведенным измерениям виброобстановки, время экспозиции на созданном интерференционном столе может достигать одного часа, а размеры записываемых голограмм 60 × 80 см. Примером крупноформатных голограмм, ранее записанных с использованием аналогичного стенда, является голограмма кубка УЕФА, выставленная в музее Оптики Университета ИТМО.

Интерферометрический стол и установка для записи изобразительных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка, а также стенд для копирования голограмм.

  Стенд для записи импульсных внеосевых голограмм.
  Экспонирование голографических материалов в течение продолжительного времени, осуществляемое с использованием лазеров, работающих в непрерывном режиме, сильно сужает класс пригодных для голографической записи объектов. Все живые объекты, изделия из мягких материалов, таких как бумага, картон, ткани с оптической точки зрения являются нестабильными и не могут быть записаны на аналоговые изобразительные голограммы с использованием относительно маломощных лазеров, поскольку засветка светочувствительного слоя требует времени, за которое такие объекты приобретут микроискажения. Поэтому для записи голограмм таких объектов используется мощный импульсный лазер.
  Ключевым элементом данного стенда является импульсный неодимовый лазер, излучающий наносекундные импульсы зеленого света (длина волны 532 нм), и обладающий достаточной энергией для одноэкспозиционной записи голограмм размером до 28×40 см. Стенд рассчитан на запись тонких изобразительных голограмм по внеосевой схеме Лейта и Упатниекса. Для считывания голограммы необходимо использовать расширенный лазерный луч монохроматического излучения.
  Наиболее востребованным направлением работ оказывается изготовление голографических портретов людей, однако производятся и другие работы, такие как запись цветов, художественных композиций.

  Стенд для копирования голограмм.
  Считывание голограмм, записанных во внеосевой схеме Лейта и Упатниекса с использованием лазерного излучения, оказывается неудобным с практической точки зрения. Чтобы восстанавливать изображения, записанные на этой установке с помощью широкополосных источников света, таких как белые светодиоды и галогеновые лампы, прибегают к процедуре копирования на толстую голограмму. Для этого используется специальная крупноформатная установка. Лазерный луч расщепляется на 2 пучка с использованием светоделительной пластины. Один пучок служит для восстановления изображения, второй используется для записи голограммы по схеме Ю.Н. Денисюка. При этом на голограмму записывается уже не сам объект, а лишь его объемный световой образ (волновой фронт). Такой двухступенчатый способ записи открывает возможности для осуществления удивительных эффектов: при копировании голограммы фотопластину можно располагать не только перед изображением объемного объекта, но прямо внутри его. Тогда, после проявления и обработки скопированной голограммы, часть изображения будет вынесена из голограммы.

Стенд для копирования изобразительных голограмм.
Слева: копируемое изображение объекта, сформированное при считывании изобразительной голограммы, записанной во внеосевой схеме Лейта и Упатниекса.

  Стенд для тиражирования голограмм с отражательных эталонов.
  Процесс записи и копирования внеосевых голограмм очень трудоемкий. Настройка всех параметров схемы занимает очень много времени, что делает такие работы эксклюзивными, и дорогостоящими. Чтобы обеспечить возможности для тиражирования голограмм, изготавливается одна голограмма с особенно тщательно подобранными и оптимизированными параметрами, которую называют «отражательным эталоном». Далее, с помощью такого эталона, голограммы можно легко тиражировать, избежав сложного процесса настройки оптической схемы.

Стенд для тиражирования голограмм с отражательных эталонов.

  Все установки располагаются в одном помещении. Для обеспечения возможности одновременного использования сразу нескольких стендов помещение разграничено на три секции, в каждой из которых реализовано независимое, неактиничное (т.е. не оказывающее негативное воздействие на светочувствительные среды) освещение. В настоящее время запущен стенд для тиражирования голограмм. Другие стенды лабораторного комплекса находятся в режиме поэтапного запуска.
 

  Как создавался «Комплекс».


  Краткая историческая справка.
2005 год, Николай Петров – магистрант физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.
2011 год, Николаю Петрову присуждена степень кандидата физико-математических наук.
2015 год, Николаю Петрову присваивается звание доцента по направлению оптика.
2016 год, Николай Петров – известный в мире специалист в области голографии, руководитель лаборатории Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.
2019 год, Николай Петров открывает единственный в России, уникальный лабораторный комплекс по записи широкоформатных изобразительных голограмм.
  Список значимых достижений и наград:
Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области образования 2010 года.
Лауреат молодежной премии Санкт-Петербурга в области образования 2012 года.
Лауреат премии Правительства Санкт-Петербурга в области научно-педагогической деятельности 2015 года.
Двукратный лауреат премии имени профессора Ю.И. Островского за лучшие научные работы в области оптической голографии и интерферометрии.
Обладатель медали Ю.Н. Денисюка «За большой вклад в развитие голографии в части восстановления волновых фронтов из распределения интенсивностей в видимой и терагерцовой областях спектра».
Автор и соавтор более 200 публикаций, в том числе 30 статей в высокорейтинговых реферируемых журналах, имеет опыт руководства 12-ю проектами. Индекс Хирша (h-index) – 13.

  Три составляющие успешной карьеры Николая Петрова.
  «Здесь нет никаких особых секретов. Прежде всего, должно быть очень интересно то, чем Ты занимаешься, во-вторых, этим надо заниматься целеустремлённо, с полной самоотдачей, в-третьих, необходимо постоянно совершенствовать свой профессионализм». Эти базовые установки Николай усвоил ещё в школе, и приверженность им помогла ему, выпускнику обычной средней школы города Мончегорска, поступить в 2001 году на физический факультет одного из лучших университетов России - Санкт-Петербургского государственного университета. «Также очень важно, чтобы повезло с учителем в школе и научным руководителем в университете».
 
  От волонтёра Студии голографии к руководителю Международной лаборатории.
 «Физика занимала меня со школьной скамьи. А голографией я увлёкся во время учебы в университете. Окончательно был очарован ей, когда в 2005 году, проходя по Биржевой линии В.О., совершенно случайно зашёл на выставку «Мир голографии». Волшебная магия мира голограмм произвела на меня глубочайшее впечатление». Это была абсолютно уникальная, единственная в России, в прямом смысле, передвижная выставка голографии, которую организовала и проводила Н.Г. Анисимова (сейчас директор Музея Оптики Университета ИТМО). В 2005 году, экспозиция выставки, можно сказать, тоже почти случайно была представлена в здании Университета ИТМО на Биржевой линии д.16. «И с этого самого момента я решил связать свою профессию с голографией. Всё свободное от учебы в СПбГУ время я посвятил изучению теории и практики голографии. Практикой я занимался в качестве волонтера в Голографической студии, которая работала в то время в ГОИ им. Вавилова, и была создана учениками выдающегося русского ученого Ю.Н. Денисюка, основоположника отечественной школы объемной голографии. Равных этой студии, по своему техническому оснащению и возможностям в России, тогда не было. Например, только здесь можно было записывать крупноформатные голограммы».
  Во время волонтерской работы в студии Николай познакомился, со своим будущим научным руководителем, профессором факультета Фотоники и оптоинформатики Виктором Георгиевичем Беспаловым, под руководством которого в 2007 году защитил степень магистра физики в СПбГУ, и поступил в аспирантуру Университета ИТМО. Параллельно Николай продолжал работать в Голографической студии, уже в качестве инженера, занимаясь записью крупноформатных изобразительных голограмм. Профессиональные знания и умения обеспечили ему место в научной группе, занимающейся в 2007-2008 годах разработкой экспозиции голографии Музея Оптики Университета ИТМО. В том числе, Николай участвовал в изготовлении знаменитой голограммы кубка УЕФА, который впервые в своей истории, завоевал ФК «Зенит» в 2008 году.

Голограмма кубка УЕФА
Юлия Вавилова, Людмила Селявко, Николай Петров
 
  Область научных исследований Николая связана с разработкой и применением методов цифровой голографии - интенсивно развивающегося направления в голографии. Это направление не только существенно расширяет возможности создания трёхмерных изображений, но обеспечивает ученых новыми мощными техниками, востребованными в самых разнообразных научных исследованиях. В 2011 году Николай Петров успешно защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по направлению «Оптика». А в 2016 году Николай инициировал создание, организовал, и был назначен руководителем лаборатории Цифровой и изобразительной голографии. За три года упорного труда при поддержке руководителя Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, профессора С.А.Козлова, был создан один из крупнейших в России, уникальный лабораторный комплекс цифровой и изобразительной голографии.
 Мы уверены, что работа этого комплекса откроет новую веху в истории изобразительной голографии, и даст мощный импульс к прогрессу в научных исследованиях, в том числе, в смежных областях. Пожелаем Николаю Петрову и коллективу сотрудников его лаборатории дальнейших замечательных свершений и новых научных открытий!
Design by Anton Alfimov         Powered by MagicTeam