В Университете ИТМО открылся научно-производственный комплекс по изготовлению изобразительных голограмм

На территории «Красного Домика» (Кадетская линия д. 3 корпус 2) — исторического места, где с 1975 года располагался организованный Ю.Н. Денисюком отдел голографии государственного оптического института открылся участок по изготовлению изобразительных голограмм. Комплекс организован лабораторией Цифровой и изобразительной голографии Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.

Корпус Университета ИТМО по адресу Кадетская линия д. 3 корпус 2

Ранее на Биржевой линии Васильевского острова находилась голографическая студия, которая относилась к государственному оптическому институту им. С.И. Вавилова, а впоследствии стало независимым подразделением Университета ИТМО. Сотрудники голографической студии долгое время являлись “хранителями уникальной технологии” производства широкоформатных изобразительных голограмм, однако студию нельзя было назвать динамично развивающейся: в подразделении работали три, а затем два сотрудника, не было молодежи и преемственности поколений, затраты на инфраструктуру не оправдывались.

Поэтому было принято решение о реформировании подразделения, и голографическая студия была включена в состав создаваемой в тот момент лаборатории цифровой и изобразительной голографии. Параллельно была проведена оптимизация рабочих условий: участок по производству голограмм был перенесен в исторические стены здания на Кадетской линии.

Профессиональное изготовление высококачественных изобразительных голограмм — трудоемкий процесс, требующий строгого соблюдения технологических требований. Прежде всего необходимо обеспечить высококачественную виброизоляцию процесса записи голограмм, а также специальные температурные и климатические условия.

«С химической точки зрения процесс записи голограммы аналогичен фотографическому процессу: на фоточувствительный материал попадает свет, который формирует в нем определенную структуру, говорит Николай Петров, руководитель лаборатории. 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»

Перенос участка по записи изобразительных голограмм на Кадетскую линию из помещений, расположенных во внутреннем дворе на Биржевой линии, потребовал принятия более жестких мер по минимизации вибраций, ведь рядом находится оживленная автодорога, соединяющая южную часть города с Петроградской стороной.

«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», — комментирует Николай Петров.

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

Руководитель лаборатории добавляет, что смещение лазерного луча в процессе записи вследствии какой-либо паразитной вибрации приведет к попаданию светлой полосы на место темной, и голограмма не запишется.

«Это существенная проблема, 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», — поясняет ученый.

Чтобы преодолеть эту проблему интерферометрический стол необходимо располагать в подвальном помещении здания и развязывать с его фундаментом. В месте расположения интерферометрического стола был выкопан приямок, в котором из специальных виброизолирующих материалов и амортизирующих опор были устроены основания для массивного интерферометрического стола, который практически полностью развязан с землей и способен обеспечить надлежащее подавление вибраций. На сегодня все эти работы завершены. В помещении 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.

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

Стенд для записи крупноформатных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка

Отличительной особенностью голограмм Денисюка является возможность считывания изображений с использованием привычных источников света, таких как галогеновые лампы и светодиоды. Для большинства изобразительных голограмм источник излучения света 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 закрепленные стеклянную пластину с фоторегистрирующей средой и записываемый объект. Лазерный свет отражается от объекта и приходит на фоточувствительную среду с обратной стороны. Таким образом, в плоскости фотопластинки встречаются два лазерных пучка: опорный и объектный. Опорный пучок идет от лазера, а объектный от объекта. Формирующаяся в результате сложения этих пучков интерференционная картина представляет собой объемную голограмму.

К объектам, используемым для записи голограмм, предъявляются определенные требования. Так, материалы, из которых состоит объект, должны быть «оптически жесткими» (такими, как сталь, керамика или камень). Это связано 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, приходящейся 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 значительнее требования к виброизоляции. Согласно проведенным измерениям вибраций, время экспозиции на созданном интерференционном столе может достигать одного часа, а размеры записываемых голограмм могут быть в пределах 60 × 80 см. Примером крупноформатных голограмм, ранее записанных с использованием аналогичного стенда, является голограмма кубка УЕФА, выставленная в музее оптики Университета ИТМО.

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), обладающей достаточной энергией для одноэкспозиионной 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. Например, запись цветов и художественных композиций.

Стенд для копирования голограмм

Считывание голограмм, записанных на 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 (белые светодиоды и галогеновые лампы) прибегают к процедуре копирования на толстую голограмму.

Для этого используется специальная крупноформатная установка. Лазерный луч расщепляется на два 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. Таким образом после проявления и обработки скопированной голограммы, часть изображения будет вынесена из голограммы.

Стенд для копирования изобразительных голограмм. Слева: копируемое изображение объекта, сфомированное при считывании изобразительной голограммы, записанной во внеосевой схеме Лейта и Упатниекса.
Стенд для копирования изобразительных голограмм. Слева: копируемое изображение объекта, сфомированное 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 длительное время, 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.
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 реализована независимое неактиничное (то есть не оказывающее негативное воздействие на светочувствительные среды) освещение. В настоящее время лабораторный комплекс находится в режиме поэтапного запуска стендов. Уже запущен стенд для тиражирования голограмм.

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 получает 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 целеустремленно, с полной самоотдачей. В-третьих, необходимо постоянно совершенствовать свой профессионализм. Также очень важно, чтобы повезло с учителем в школе и научным руководителем в университете».

Эти базовые установки Николай усвоил ещё в школе. Приверженность им помогла выпускнику обычной средней школы города Мончегорска поступить в 2001 году на физический факультет одного из лучших университетов России Санкт-Петербургского государственного университета.

От волонтера Студии голографии к руководителю Международной лаборатории

«Физика занимала меня со школьной скамьи, а голографией я увлекся во время учебы в университете. Окончательно был очарован ей, когда в 2005 году, проходя по Биржевой линии В.О., совершенно случайно зашел на выставку «Мир голографии». Волшебная магия мира голограмм произвела на меня глубочайшее впечатление».

Это была уникальная, единственная в России передвижная выставка голографии, которую организовала и проводила Н.Г. Анисимова (сейчас директор Музея Оптики Университета ИТМО). В 2005 году экспозиция выставки почти случайно была представлена в здании Университета ИТМО на Биржевой линии д.16.

«С этого момента я решил связать свою профессию с голографией. Все 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».

Юлия Вавилова, Людмила Селявко, Николай Петров
Юлия Вавилова, Людмила Селявко, Николай Петров

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 получил степень магистра физики в СПбГУ и поступил в аспирантуру Университета ИТМО. В Университете ИТМО он стал работать над кандидатской диссертацией под руководством В.Г. Беспалова. Параллельно Николай продолжал работать в Голографической студии, где уже в качестве инженера занимался 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.

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 трехмерных изображений, но обеспечивает ученых новыми мощными техниками, востребованными в широком спектре научных исследований.

В 2016 году Николай был назначен руководителем лаборатории цифровой и изобразительной голографии, которая входит в состав Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, возглавляемого профессором С.А.Козловым.

Международный институт «Фотоника и оптоинформатика»

Архив по годам:
Пресс-служба