Процессы формирования голографическими методами трехмерных объектов периодической и произвольной трехмерной конфигурации и их характеристики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Соколов Павел Павлович

• Соколов Павел Павлович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Соколов Павел Павлович

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

1 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ И ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

1.1 Формирование, свойства и применение трехмерных периодических структур

1.2 Методы формирования трехмерных объектов с произвольной конфигурацией

1.3 Обоснование цели и задач исследований

2 ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ: ФОРМИРОВАНИЕ, СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1 Условия экспериментов и методы исследований

2.2 Свойства ненаклонных и наклонных объемных решеток

2.3 Формирование и свойства гибридных структур

2.4 Формирование и свойства рельефных решеток

2.5 Условия получения и свойства двумерных структур

2.6 Обсуждение свойств структур применительно к практическим задачам

2.7 Основные результаты и выводы по разделу

3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ 3D ПЕЧАТИ

3.1 Основы метода

3.2 Исследование факторов, определяющих конфигурации трехмерных объектов

3.3 Размерные трансформации трехмерных объектов

3.4 Запись трехмерных объектов УФ излучением

3.5 Основные результаты и выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Благодарность

Список литературы

Приложение А. Публикации по теме диссертации

РЕФЕРАТ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Процессы формирования голографическими методами трехмерных объектов периодической и произвольной трехмерной конфигурации и их характеристики»

Актуальность темы

Работа велась в двух направлениях. Первое направление связано с исследованием трехмерных периодических структур, второе направление ориентировано на разработку и исследование метода получения объектов с трехмерной формой, основанного на новых принципах формообразования.

Интерес к периодическим структурам определяется постоянным совершенствованием регистрирующих сред и разработкой новых материалов, а также появлением новых задач, выдвигающих новые требования к свойствам элементов.

В предыдущие годы исследования были направлены преимущественно на получение наряду с высокими дифракционными свойствами высоких селективных свойств. Необходимость обеспечения высоких селективных свойств определялась требованиями практических задач получения узкополосных фильтров для применений в лазерной технике, спектральных приборах, сенсоров различных величин (механических смещений, влажности, температуры, концентрации различных веществ), устройств оптической памяти для хранения большого объема информации.

В последнее время большой интерес проявляется к голографическим оптическим элементам применительно к задачам солнечной энергетики [1-7]. К таким элементам относятся, в частности, дифракционные дефлекторы на основе объемных голографических решеток, перенаправляющие в одно направление излучение, падающее под различными углами. Основным требованием к дифракционным дефлекторам, как элементам голографических солнечных концентраторов, является обеспечение высокой дифракционной эффективности при падении излучения в широком угловом диапазоне. Высокая угловая

селективность объемных решеток применительно к дифракционным дефлекторам не является позитивным фактором.

Для увеличения эффективности использования солнечного излучения используются системы механического отслеживания траектории Солнца, системы на основе громоздких и тяжелых зеркальных устройств, а также линз Френеля. Голографические элементы имеют существенные преимущества относительно таких систем уменьшения габаритов и исключения механических конструкций. Голографические элементы являются легкими, компактными и дешевыми.

Рассмотренные в литературе разработки, базируются на концепции составных элементов и мультиплексной записи для увеличения рабочего углового диапазона [3, 5-7]. Эта концепция связана с тем, что селективные свойства решеток традиционно исследуются в одной плоскости, что приводит к узким контурам угловой селективности. Поэтому апертуры синтезируют путем сложения свойств составляющих элементов, что приводит к сложным конструктивным и технологическим решениям. Получен рабочий угловой диапазон до 40°.

Таким образом, актуальной является задача расширения углового диапазона и использования более простых средств. Кроме того, в ряде работ используются материалы, изготавливаемые в лабораторных условиях или требующие трудоемких технологических операций предварительной и последующей обработки. Данная работа ориентирована на применение перспективных фотополимерных материалов. Такие материалы не требуют трудоемкой обработки, голографические решетки записываются в результате экспонирования.

Наряду с рассмотренной практической задачей актуальными остаются задачи получения дифракционных голографических элементов, как расщепителей и мультиплексоров лазерных пучков, а также элементов для технологий защищенной печати в новых перспективных материалах с преимуществами по процессам получения и свойствам.

Второе направление относится к технологиям печати. В настоящее время наиболее широко исследуются и применяются аддитивные технологии 3Э печати

[8-11]. В основе аддитивных технологий лежит принцип последовательного синтеза трехмерного объекта, то есть его формирование путем постепенного добавления точек или слоев. Основным недостатком является высокая трудоемкость процесса, связанная с необходимостью предварительного математического моделирования формируемого изделия и его последующего поэтапного синтеза. Изделия требуют большого времени изготовления при хорошем качестве.

Для увеличения скорости предлагаются различные подходы [9-11]. Эти подходы включают различные методы параллельного формирования, геометрического дизайна пространства, многофокусную полимеризацию, послойное формирование, привлечение новых материалов, однако предлагаемые методы остаются методами последовательного синтеза.

Принципиальным решением проблемы может являться подход, основанный на исключении последовательного синтеза. В данной работе исследуется и реализуется такой поход, основанный на одноэкспозиционном голографическом формообразовании.

Цель и задачи работы

Цель работы - разработка принципов голографического формирования трехмерных периодических структур с высокими дифракционными характеристиками в широком угловом диапазоне и одноэкспозиционного формирования объектов произвольной конфигурации, исключающего последовательный синтез.

Задачи работы:

1 . Определение условий формирования эффективных структур различных типов в перспективных и новых фотополимерных материалах.

2. Исследование закономерностей изменения дифракционной эффективности и угловой селективности объемных решеток при изменении углов

падения излучения в различных плоскостях и их ориентации. Определение условий расширения углового диапазона.

3. Оценка возможных применений периодических структур.

4. Исследование факторов, определяющих процесс одноэкспозиционного голографического формообразования, конфигурации и размеры трехмерных объектов.

5. Определение перспективных материалов и проведение экспериментов по записи трехмерных объектов в УФ области.

Научная новизна результатов

1. Установлены закономерности изменения дифракционной эффективности объемных ненаклонных и наклонных решеток в фотополимерных материалах при изменении направлений падения излучения в различных плоскостях в трехмерном пространстве. Выявлены особенности угловой селективности, выражающиеся в уширении контуров, зависящем от ориентации плоскостей падения. Определены угловые диапазоны, превышающие полученные ранее, а также направления падения излучения, определяемые сочетанием углов падения и отклонения от брэгговской плоскости, соответствующие максимальной дифракционной эффективности.

2. Показано, что эффективные гибридные решетки - с высокой дифракционной эффективностью рельефной компоненты (до 45%) формируются в жидких полимерных композициях в узком диапазоне малых экспозиций, в светлой области интерференционного поля в результате снятия покрытия после экспонирования, обеспечивающего восстановление распределения материала, сформированного вследствие процессов диффузионного массопереноса и усадки. Установлено увеличение углового диапазона, в котором достигаются высокие дифракционные свойства, в результате увеличения углового отклонения от брэгговской плоскости два раза по сравнению с объемными решетками, за счет свойств рельефной решетки.

3. Определены условия получения эффективных двумерных решеток в фотополимерном материале Bayfol HX. Показано преимущество процесса одноэкспозиционного интерференционного копирования шаблона, записанного в высокоразрешающем галогенсеребряном материале ПФГ-03М, по сравнению с последовательной наложенной записью в фотополимере. Получены структуры с отношением интенсивностей в пяти дифракционных порядках до 1:1.5 и возможностью изменения их интенсивностей при повороте решетки в угловом диапазоне до 45°.

4. Выявлены и исследованы факторы, определяющие конфигурации трехмерных объектов при их одноэкспозиционном голографическом формообразовании. Определена роль поглощения в материале и его влияние на характер искажений конфигурации, определены размерные диапазоны, в которых форма объектов воспроизводится без искажений. Установлены закономерности размерных трансформаций трехмерных объектов, связанных с различиями условий 3D печати и записи голограммы и определены пути их уменьшения.

Практическая значимость результатов

1. Установленные свойства решеток определяют существенное расширение углового диапазона при высоких дифракционных характеристиках по сравнению с существующими разработками при более простых решениях. Результаты представляют интерес для солнечной энергетики и получения дифракционных дефлекторов, что подтверждено результатами оценки их дифракционных свойств с учетом траектории движения Солнца для различных широт.

2. Применительно к технологиям защищенной печати актуальными являются результаты, показавшие возможность получения эффективных гибридных решеток. Кроме того, в данной работе показана возможность получения эффективных рельефных решеток (с дифракционной эффективностью более 40% в угловом диапазоне более 50°) с использованием коммерчески доступного фотополимерного материала Nano Clear. Рельефные и гибридные

решетки могут использоваться для получения пропускающих защитных элементов в технологиях защищенной печати, в том числе базирующихся на визуальном контроле, требующем наблюдения изображений в широком диапазоне углов.

3. Двумерные решетки представляют интерес для получения управляемых многоканальных расщепителей лазерных пучков. Свойства объемных одномерных решеток представляют интерес для получения трехмерных дифракционных мультиплексоров световых пучков.

4. Метод голографического формообразования имеет преимущество относительно аддитивных технологий исключения последовательного синтеза за счет одноэкспозиционного формирования трехмерного объекта. Метод может использоваться для получения малоразмерных объектов с произвольной формой.

Положения, выносимые на защиту

1. Для объемных пропускающих голографических решеток в фотополимерных материалах существует множество плоскостей, включающих брэгговскую плоскость, а также плоскости с угловым отклонением до 300 от брэгговской плоскости, падение излучения в которых приводит к уширению контуров угловой селективности, относительно традиционно измеряемых контуров. При этом ширины контуров зависят от пространственной ориентации плоскостей падения, а направления падения излучения соответствующие максимальной дифракционной эффективности определяются сочетанием углов падения и отклонения от брэгговской плоскости.

2. Гибридные решетки (объемные решетки с поверхностным рельефом) с наибольшей дифракционной эффективностью рельефной решетки (до 45%) формируются в жидких полимерных акрилатных композициях, на ранней стадии процесса (при длительностях экспонирования 35 - 45 с), в светлой области интерференционного поля, после снятия покрытия, обеспечивающего восстановление распределения материала, сформированного вследствие

процессов массопереноса и усадки. Вклад рельефной решетки приводит к увеличению углового диапазона, в котором обеспечивается дифракционная эффективность не менее половины возможного максимального значения, за счет увеличения углового отклонения от брэгговской плоскости в два раза по сравнению с объемными решетками.

3. Метод одноэкспозиционного интерференционного копирования на фотополимерный материал Вayfol НХ двумерных решеток, записанных в высокоразрешающем галогенсеребряном материале ПФГ-03М, позволяет исключить влияние составляющих экспозиций при последовательной наложенной записи в фотополимерном материале и получить двумерные решетки с отношением интенсивностей в пяти дифракционных порядках до 1:1.5 с возможностью плавного изменения интенсивностей при повороте решетки широком угловом диапазоне (до 45°), исключающем необходимость точного позиционирования.

4. Характер размерных трансформаций трехмерных объектов, зависимость от условий проекции, соотношения поглощения в материале и экспозиционных параметров определяют возможность управления характеристиками объектов, а также их размеры и условия получения без искажения конфигурации методом одноэкспозиционного голографического формообразования в объеме полимерного материала, исключающим последовательный синтез.

Достоверность результатов

Достоверность результатов подтверждается их воспроизводимостью, непротиворечивостью с результатами, представленными в литературе, а также оценками независимыми экспертами результатов, представленных в публикациях по теме диссертации и докладах на конференциях.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в создании экспериментальных установок, проведении экспериментальных и теоретических исследований при определяющем вкладе, а также анализе результатов и подготовке публикаций и докладов на конференциях.

Апробация результатов

Результаты работы представлены в докладах на следующих конференциях:

1. XX Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям «HOLOEXPO 2023», Сочи, Россия, 12 - 15 сентября 2023.

2. XII Конгресс молодых ученых ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 3 - 6 апреля 2023.

3. LII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 31 января - 3 февраля 2023.

4. XIX Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям «HOLOEXPO 2022», Санкт-Петербург, Россия, 20 - 22 сентября 2022.

5. 20th International Conference «Laser Optics ICLO 2022», Санкт-Петербург, Россия, 20 - 24 июня 2022.

6. XI Конгресс молодых ученых ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 4 - 8 апреля 2022.

7. LI научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 2 - 5 февраля 2022.

8. X Конгресс молодых ученых ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 14 - 17 апреля 2021.

9. L научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 1 - 4 февраля 2021.

10. X Международная конференция «Фотоника и информационная оптика», Москва, Россия, Россия, 27 - 29 января 2021.

11. 19th International Conference «Laser Optics ICLO 2020», Санкт-Петербург, Россия, 2 - 6 ноября 2020.

12. IX Конгресс молодых ученых ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 15 - 18 апреля 2020.

13. XLIX научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 29 января - 1 февраля 2020.

14. XXXI Международная школа-симпозиум по голографии, когерентной оптике и фотонике, Екатеринбург, Россия, 30 сентября - 4 октября 2019.

15. XVI Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям «HOLOEXPO 2019», Санкт-Петербург, Россия, 10 - 12 сентября 2019.

16. XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 29 января - 1 февраля 2019.

17. X Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики», Санкт-Петербург, Россия, 15 - 19 октября 2018.

18. Young scientist Chinese-Russian Optics & Photonics Symposium «CROPS 2017», Санкт-Петербург, Россия, 27 ноября - 6 декабря 2017.

19. XIV Международная конференция по голографии и прикладным оптическим технологиям «HOLOEXPO 2017», Звенигород, Россия, 12 - 14 сентября 2017.

20. VI Конгресс молодых ученых ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 18 - 21 апреля 2017.

21. VI Международная конференция «Фотоника и информационная оптика», Москва, Россия, Россия, 1 - 3 февраля 2017.

Исследования выполнены в рамках грантов Университета ИТМО: 1. Фундаментальные и прикладные вопросы фотоники.

2. Разработка методов, устройств и материалов оптической и квантовой информатики.

3. Разработка методов и устройств оптической и квантовой информатики.

4. Разработка физических принципов и систем оптических, быстрых и защищенных коммуникаций и дистанционного зондирования объектов.

Публикации по теме диссертации

Результаты работы представлены в 8 публикациях, входящих в базы Scopus и Web of Science, из них 3 статьи опубликованы в журналах первого и второго квартилей, 1 статье в журнале из перечня ВАК и в других изданиях.

Публикации, индексируемые в базах Scopus и Web of Sciences:

1. Sokolov P. P., Vorzobova N. D. Diffraction and selective properties of one-dimensional and two-dimensional periodic structures in a wide range of angles of incidence // 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). - IEEE, 2022. - P. 11.

2. Sokolov P. P., Vorzobova N. D. Diffractive holographic elements for solar energy // 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). - IEEE, 2022. - P. 1-1.

3. Vorzobova N., Sokolov P. Properties of Holographic Elements Based on Periodic Structures in a Wide Range of Angles of Incidence // Photonics. - 2021. - Vol. 8. - №. 12. - P. 562. (Q2)

4. Vorzobova N. D., Sokolov P. P. Features of Obtaining Images of Extended Objects, Reconstructed by Pulse Holograms // Optics and Spectroscopy. - 2021. - Vol. 129. - №. 4. - P. 414-418.

5. Sokolov P. P., Vorzobova N. D. Nanostructured Elements for Holographic Solar Concentrators and Laser Beams Splitters // 2020 International Conference Laser Optics (ICLO). -2020. - P. 9285595.

6. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. - 2019. - Vol. 11. - №. 12. - P. 2020. (Q1)

7. Vorzobova N. D., Sokolov P.P. Veselov V.O., et al. Holographic formation and diffractive properties of hybrid periodic structures // Applied Optics. - 2018. - Vol. 57. - №. 12. - P. 3323-3328. (Q2)

8. Sokolov P. P., Vorzobova N. D. Fabrication and properties of elements based on volume transmission gratings with a surface relief // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2018. - Vol. 1062. - №. 1. - P. 012018.

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Ворзобова Н.Д., Соколов П.П. Формирование и свойства объемных и рельефных голографических решеток в фотополимерных материалах // Оптический журнал - 2023. - Т. 90. - № 3. - С. 16-25

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 136 источников, изложена на 223 страницах, содержит 55 рисунков и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Приведено обоснование актуальности работы, сформулированы цель и задачи исследований, отражена научная новизна и практическая значимость результатов, приведены положения, выносимые на защиту.

1 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ И ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

1.1 Формирование, свойства и применение трехмерных периодических структур

Приведен обзор литературных источников, определяющих состояние исследований и разработок по процессам формирования, свойствам и характеристикам трехмерных периодических структур и областям их применений. Выявлена актуальность проблемы получения голографических оптических элементов для солнечной энергетики, а также требования к элементам.

Основной проблемой является увеличение рабочего углового диапазона. Существующие подходы к решению данной проблемы основаны на синтезе апертуры за счет мультиплексной записи на одном или различных участках регистрирующего материала или получении составных элементов. Проанализированы характеристики получаемых элементов и достигнутый угловой диапазон.

Выявлены недостатки существующих разработок, связанные с недостаточно широким угловым диапазоном, сложностью конструктивных и технологических решений, использованием материалов, изготавливаемых в лабораторных условиях или требующих трудоемкой обработки.

Анализ литературных источников выявил недостаточное исследование гибридных решеток. В некоторых работах замечено формирование рельефной

решетки на поверхности решетки с модуляцией показателя преломления. Однако не было получено структур с высокими дифракционными свойствами рельефной составляющей.

1.2 Методы формирования трехмерных объектов с произвольной конфигурацией

Приведен обзор существующих методов формирования трехмерных объектов. Выявлены перспективные направления. Проведен анализ существующих методов получения трехмерных объектов, их недостатков, тенденций развития.

Наиболее широко исследуемыми и применяемыми в настоящее время являются аддитивные технологии 3 Э печати. Аддитивные технологии позволяют получать трехмерные изделия различных размеров и конфигураций. Технологии основаны на последовательном синтезе изделий, что приводит к трудоемким процессам и низкой скорости их формирования.

Тенденции развития связаны с направленностью на увеличение скорости, улучшения качества изделий, разработку новых материалов. Однако, не смотря на постоянное совершенствование, имеющиеся разработки остаются методами последовательного синтеза.

1.3 Обоснование цели и задач исследований

На основе анализа литературных источников выявлены недостатки существующих разработок и исследований, нерешенные проблемы и определены пути их решения. Применительно к периодическим структурам выявлена основная причина, приводящая к концепции составных элементов, связанная с определением селективных свойств в плоскости падения при записи решеток, что приводит к узким контурам угловой селективности. Поэтому естественным решением проблемы являлось увеличение углового диапазона за счет сложения свойств отдельных элементов. В данной работе предлагается другой подход, основанный на свойствах периодических структур в широком угловом диапазоне.

Кроме задачи получения новых свойств объемных решеток, ставились задачи изучения недостаточно исследованных решеток, сочетающих свойства объемной и рельефной составляющих, а также двумерных решеток.

Применительно к второму направлению важной проблемой является проблема исключения последовательного синтеза трехмерного объекта. Решение проблемы представляется возможным за счет разработки и исследования новых принципов голографического формообразования в объеме материала в результате однократного экспонирования. Задачи работы сводятся к исследованию факторов, определяющих процесс формообразования, а также размерные характеристики и конфигурации трехмерных объектов.

2 ПЕРИОДИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ: ФОРМИРОВАНИЕ, СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1 Условия экспериментов и методы исследований

Представлены материалы, источники излучения, схемы записи периодических структур.

Измерения дифракционной эффективности (ДЭ) проводились с использованием экспериментальной установки, позволяющей изменять направление падающего излучения при повороте решетки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Измерения проводились по двум схемам. Первая схема, приведенная на рисунке 1а, использует традиционную методику, когда решетка устанавливается на поворотный стол в положение, соответствующее ее положению при записи. Изменяется только угол поворота вокруг оси Z - угол а, что соответствует изменению направлений в плоскости падения при записи решетки.

При проведении измерений по схеме 2 (рис. 1б) решетка поворачивается на 90° относительно ее положения при записи. Изменение направлений падающего пучка в различных плоскостях обеспечивается изменением угла в - угла поворота решетки вокруг оси X. Для каждого заданного значения в, изменяется угол

падения а. Таким образом, схема 2 обеспечивает изменение направлений падения излучения на решетку в различных плоскостях, положение которых задается углом р. Данная схема использовалась для проведения измерений дифракционной эффективности в широком угловом диапазоне в трехмерном пространстве.

а б

Рисунок 1 - Пояснение к методике измерения дифракционной эффективности.

а - схема 1, б - схема 2 [12]

Для измерений ДЭ в качестве источника излучения использовался лазерный модуль с длиной волны 650 нм. Дифракционная эффективность находилась как отношение интенсивностей в первом порядке дифракции и падающего на решетку излучения.

2.2 Свойства ненаклонных и наклонных объемных решеток

Приведены результаты исследований пропускающих ненаклонных и наклонных решеток при изменении углов падения излучения в широком угловом диапазоне в различных плоскостях. Решетки получены в материале ВауЮ1 НХ при оптимальных условиях: длительность экспонирования 10 с при плотности

л

мощности 12 мВт/см , период структур 1.6 мкм, длина волны записи 0.63 мкм.

На рисунке 2а приведен контур угловой селективности, полученный при изменениях ДЭ по традиционно используемой схеме 1, то есть при изменении направлений падающего пучка в плоскости падения (в плоскости ХУ). Контур угловой селективности традиционный, узкий - с полушириной около 8°.

Максимум дифракционной эффективности - 80% достигается только при одном направлении падающего излучения, соответствующем углу Брэгга, который для исследуемых образцов составляет 12°.

•75 -70-65 -60-55 -50 -45 -40-35 -30-25 -20-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 —ф-40

л, град. б

Рисунок 2 - Дифракционные свойства ненаклонной объемной решетки.

Измерения дифракционной эффективности по схеме 1 (а) и схеме 2 (б) [12, 13]

Измерения по схеме 2 дают более интересные результаты (рис. 2б). Можно видеть следующие закономерности. При в = ЭБр, то есть при падении излучения в плоскости, составляющей угол Брэгга с диэлектрическими плоскостями решетки (брэгговской плоскости), максимальная дифракционная эффективность достигается в диапазоне углов падения до 80°. При этом диапазон углов, в котором дифракционная эффективность уменьшается в два раза, составляет около 120°.

При падении излучения в плоскостях, определяемых угловым отклонением от брэгговской плоскости Др, контуры угловой селективности смещаются в сторону больших углов падения (более70°) при увеличении Др при некотором

увеличении максимальной дифракционной эффективности. При увеличении Др контуры остаются достаточно широкими - с полушириной до 30°, что существенно больше полуширин контуров, получаемых при измерениях по традиционной схеме. При этом направления падения излучения, соответствующие максимальной дифракционной эффективности (около 80%), как и положение контуров угловой селективности, определяются сочетанием углов падения и отклонения от брэгговской плоскости. Полученные результаты расширяют представления о свойствах объемных решеток, а также определяют расширение диапазона углов, в котором достигаются высокие дифракционные свойства, что представляет практический интерес.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Соколов Павел Павлович, 2024 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Rogers B., Mikulchyk T., Oubaha M., Cody D., Martin S., Naydenova I. Improving the holographic recording characteristics of a water-resistant photosensitive Sol-Gel for use in volume holographic optical elements // Photonics. 2022. V. 9. P. 636. https://doi.org/10.3390/ photonics9090636

2. Ferrara M.A., Borbone F., Coppola G. Holographic optical lenses recorded on a glassy matrix-based photopolymer for solar concentrators // Photonics. 2021. V. 8. P. 585. https://doi.org/10.3390/ photonics8120585

3. Neipp C., Francés J., Martínez F.J., Fernández R., Alvarez M.L., Bleda S., Ortuño M., Gallego S. Optimization of photopolymer materials for the fabrication of a holographic waveguide // Polymers. 2017. V. 9. P. 395. https://doi.org/10.3390/ polym9090395

4. Bruder F.-K., Facke T., Rolle T. The chemistry and physics of Bayfol®HX film holographic polymers // Polymers. 2017. V. 9. P. 472. https:// doi.org/10.3390/polym9100472

гических решений. При ширине контура УС на уровне половины максимума ДЭ до 120° и падении излучения в брэгговской плоскости максимальная ДЭ объемных решеток сохраняется в диапазоне углов до 80°. В решетке существуют направления прохождения излучения (косое прохождение), отличные от традиционного брэгговского направления, при которых ДЭ доходит до максимальных значений. Максимальная ДЭ получена при углах падения до 70°.

Определены условия получения эффективных гибридных структур, сочетающих свойства объемной и рельефной решеток. Показано, что расширение диапазона углов падения излучения, соответствующего высокой ДЭ, происходит за счет вклада рельефной составляющей гибридной структуры.

Показана возможность использования нового фотополимерного материала Nano Clear для голографической записи и получения эффективных рельефных решеток.

Определены условия получения эффективных двумерных решеток с возможностью плавного изменения интенсивностей в дифрагированных пучках при повороте элемента.

Установленные свойства структур определяют возможность их применения для решения задач солнечной энергетики, дифракционной оптики, технологий защищенной печати.

REFERENCES

1. Rogers B., Mikulchyk T., Oubaha M., Cody D., Martin S., Naydenova I. Improving the holographic recording characteristics of a water-resistant photosensitive Sol-Gel for use in volume holographic optical elements // Photonics. 2022. V. 9. P. 636. https://doi.org/10.3390/ photonics9090636

2. Ferrara M.A., Borbone F., Coppola G. Holographic optical lenses recorded on a glassy matrix-based photopolymer for solar concentrators // Photonics. 2021. V. 8. P. 585. https://doi.org/10.3390/ photonics8120585

3. Neipp C., Francés J., Martínez F.J., Fernández R., Alvarez M.L., Bleda S., Ortuño M., Gallego S. Optimization of photopolymer materials for the fabrication of a holographic waveguide // Polymers. 2017. V. 9. P. 395. https://doi.org/10.3390/ polym9090395

4. Bruder F.-K., Facke T., Rolle T. The chemistry and physics of Bayfol®HX film holographic polymers // Polymers. 2017. V. 9. P. 472. https:// doi.org/10.3390/polym9100472

5. Hui-Ying W., Chang-Won S., Ki-Chul K., Kwon-Yeon L., Nam K. Time-scheduled exposure method for full-color high diffraction efficiency and uniformity of a photopolymer // Optics and Laser Technol. 2022. V. 156. P. 108555. https:// doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108555

6. Ferrara M., Striano V., Coppola G. Volume holographic optical elements as solar concentrators: An overview // Appl. Sci. 2019. V. 9. P. 193. https://doi.org/10.3390/app9010193

7. Akbari H., Naydenova I., Ahmed H., McCormack S., Martin S. Development and testing of low spatial frequency holographic concentrator elements for collection of solar energy // Solar Energy.

2017. V. 155. P. 103-109. https://doi.org/10.1016/ j.solener.2017.04.067

8. Marin-Saez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.V. Full modeling and experimental validation of cylindrical holographic lenses recorded in Bayfol HX photopolymer and partly operating in the transition regime for solar concentration // Opt. Exp. 2018. V. 26. P. 398-412. https://doi. org/10.1364/oe.26.00a398

9. Lee J.-H., Wu H.-Y., Piao M.-L., Kim N. Holographic solar energy concentrator using angular multiplexed and iterative recording method // IEEE Photonics J. 2016. V. 8. P. 8400511. https:// doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2634699

10. Keshri S., Rogers B., Murphy K., Reynolds K., Naydenova I., Martin S. Development and testing of a dual-wavelength sensitive photopolymer layer for applications in stacking of HOE lenses // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 5564. http://doi.org/ 10.3390/app11125564

11. Castro J.M., Zhang D., Myer B., Kostuk R.K. Energy collection efficiency of holographic planar solar concentrators // Appl. Opt. 2010. V. 49. P. 858-870. https://doi.org/10.1364/AO.49.000858

12. Akbari H., Naydenova I., Martin S. Using acryl-amide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications // Appl. Opt. 2014. V. 53. P. 1343-1363. https://doi.org/10.1364/A0.53.001343

13. de Jong T., de Boer D., Bastiaansen C. Surface-relief and polarization gratings for solar concentrators // Opt. Exp. 2011. V. 19. P. 15127-15143. https://doi.org/10.1364/OE.19.015127

14. Xiang X., Kim J., Escuti M.J. Bragg polarization gratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflection angles // Sci. Rep.

2018. V. 8. P. 7202. https://doi.org/10.1038/ s41598-018-25535-0

15. Marin-Saez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.-V. Characterization of volume holographic optical elements recorded in Bayfol HX photopolymer for solar photovoltaic applications // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 720-730. https://doi. org/10.1364/OE.24.00A720

5. Hui-Ying W., Chang-Won S., Ki-Chul K., Kwon-Yeon L., Nam K. Time-scheduled exposure method for full-color high diffraction efficiency and uniformity of a photopolymer // Optics and Laser Technol. 2022. V. 156. P. 108555. https:// doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108555

6. Ferrara M., Striano V., Coppola G. Volume holographic optical elements as solar concentrators: An overview // Appl. Sci. 2019. V. 9. P. 193. https://doi.org/10.3390/app9010193

7. Akbari H., Naydenova I., Ahmed H., McCormack S., Martin S. Development and testing of low spatial frequency holographic concentrator elements for collection of solar energy // Solar Energy.

2017. V. 155. P. 103-109. https://doi.org/10.1016/ j.solener.2017.04.067

8. Marin-Saez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.V. Full modeling and experimental validation of cylindrical holographic lenses recorded in Bayfol HX photopolymer and partly operating in the transition regime for solar concentration // Opt. Exp. 2018. V. 26. P. 398-412. https://doi. org/10.1364/oe.26.00a398

9. Lee J.-H., Wu H.-Y., Piao M.-L., Kim N. Holographic solar energy concentrator using angular multiplexed and iterative recording method // IEEE Photonics J. 2016. V. 8. P. 8400511. https:// doi.org/10.1109/JPHOT.2016.2634699

10. Keshri S., Rogers B., Murphy K., Reynolds K., Naydenova I., Martin S. Development and testing of a dual-wavelength sensitive photopolymer layer for applications in stacking of HOE lenses // Appl. Sci. 2021. V. 11. P. 5564. http://doi.org/ 10.3390/app11125564

11. Castro J.M., Zhang D., Myer B., Kostuk R.K. Energy collection efficiency of holographic planar solar concentrators // Appl. Opt. 2010. V. 49. P. 858-870. https://doi.org/10.1364/AO.49.000858

12. Akbari H., Naydenova I., Martin S. Using acryl-amide-based photopolymers for fabrication of holographic optical elements in solar energy applications // Appl. Opt. 2014. V. 53. P. 1343-1363. https://doi.org/10.1364/AO.53.001343

13. de Jong T., de Boer D., Bastiaansen C. Surface-relief and polarization gratings for solar concentrators // Opt. Exp. 2011. V. 19. P. 15127-15143. https://doi.org/10.1364/OE.19.015127

14. Xiang X., Kim J., Escuti M.J. Bragg polarization gratings for wide angular bandwidth and high efficiency at steep deflection angles // Sci. Rep.

2018. V. 8. P. 7202. https://doi.org/10.1038/ s41598-018-25535-0

15. Marin-Saez J., Atencia J., Chemisana D., Collados M.-V. Characterization of volume holographic optical elements recorded in Bayfol HX photopolymer for solar photovoltaic applications // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 720-730. https://doi. org/10.1364/OE.24.00A720

16. Keshri S., Marin-Saez J., Naydenova I., Murphy K., Atencia J., Chemisana D., Garner S., Collados M.V., Martin S. Stacked volume holographic gratings for extending the operational wavelength range in LED and solar applications // Appl. Opt. 2020. V. 59. P. 2569-2579. https://doi.org/10.1364/ AO.383577

17. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. 2019. V. 11. P. 2020. https://doi.org/ 10.3390/polym11122020

18. Vorzobova N., Sokolov P. Properties of holographic elements based on periodic structures in a wide range of angles of incidence // Photonics. 2021. V. 8. P. 562. https://doi.org/10.3390/ photonics8120562

19. Бурункова Ю.Э., Семина С.А., Капорский Л.Н., Левичев В.В. Наномодифицированные оптические акрилатные композиты // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 10.

20. Vorzobova N.D., Sokolov P.P., Veselov V.V., Schelkanova I.J. Holographic formation and diffractive properties of hybrid periodic structures // Appl. Opt. 2018. V. 57. P. 3323-3328. https://doi.org/10.1364/A0.57.003323

21. Bjelkhagen H.I. Silver-halide recording materials for holography and their processing. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 1995. 461 p.

АВТОРЫ

Ворзобова Надежда Дмитриевна — кандидат технических наук, доцент, старший преподаватель, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 6603382623; https://orcid.org/0000-0003-0362-0101; [e-mail]

Соколов Павел Павлович — аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Россия; Scopus ID: 57201696982; https://orcid.org/0000-0001-5448-5435; [e-mail]

16. Keshri S., Marin-Saez J., Naydenova I., Murphy K., Atencia J., Chemisana D., Garner S., Collados M.V., Martin S. Stacked volume holographic gratings for extending the operational wavelength range in LED and solar applications // Appl. Opt. 2020. V. 59. P. 2569-2579. https://doi.org/10.1364/ AO.383577

17. Vorzobova N., Sokolov P. Application of photopolymer materials in holographic technologies // Polymers. 2019. V. 11. P. 2020. https://doi.org/ 10.3390/polym11122020

18. Vorzobova N., Sokolov P. Properties of holographic elements based on periodic structures in a wide range of angles of incidence // Photonics. 2021. V. 8. P. 562. https://doi.org/10.3390/ photonics8120562

19. Burunkova Yu.E., Semina S.A., Kaporski L.N., Levichev V.V. Nanomodified optical acrylate composites // J. Opt. Technol. 2008. V. 75. P. 653657. https://doi.org/10.1364/JOT.75.000653

20. Vorzobova N.D., Sokolov P.P., Veselov V.V., Schelkanova I.J. Holographic formation and diffractive properties of hybrid periodic structures // Appl. Opt. 2018. V. 57. P. 3323-3328. https://doi.org/10.1364/AO.57.003323

21. Bjelkhagen H.I. Silver-halide recording materials for holography and their processing. Berlin Heidelberg: Springer Verlag, 1995. 461 p.

AUTHORS

Nadezhda D. Vorzobova — PhD, Associate Professor, Senior Lecturer, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 6603382623; https://orcid.org/0000-0003-0362-0101; [e-mail]

Pavel P. Sokolov — PhD Student, ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; Scopus ID: 57201696982; https://orcid.org/0000-0001-5448-5435; sokol7858@ yandex.ru

Статья поступила в редакцию 02.11.2022 Одобрена после рецензирования 18.12.2022 Принята к печати 26.01.2023

The article was submitted to the editorial office 02.11.2022 Approved after review 18.12.2022 Accepted for publication 26.01.2023