С помощью компьютерно-синтезированных голограмм — микроизображений на кварцевых пластинках — ученые проверяют качество изготовления зеркал больших телескопов и космической оптики. Для этого сами голограммы должны быть очень точными. Российские исследователи предложили способ контроля их качества с помощью особых «меток», которые записываются в поле голограммы по мере ее создания.

Предложенный метод позволяет существенно увеличить точность записи компьютерно-синтезированных голограмм, а также в перспективе поможет автоматизировать этот процесс.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Sensors.

Компьютерно-синтезированная голограмма — это оптическая пластинка, на которой лазерным лучом формируется изображение глубиной в десятые доли микрометра. Стекла с записанными на них голограммами широко используются для создания виртуальных экспонатов на выставках, объемного цветного телевидения, запоминающих устройств. Кроме того, с их помощью ученые проверяют качество различных оптических систем, например зеркал больших телескопов и космических аппаратов.

Для этого на кварцевой пластине формируются рассчитанные с помощью компьютерных программ микроструктуры — голограммы, — которые определенным образом преломляют лучи света, создавая требуемый волновой фронт. Его в дальнейшем используют как эталон для проверки поверхности линзы или зеркала. Волновой фронт, отражаясь от проверяемой поверхности, создает изображение, которое регистрируется и обрабатывается специальным прибором — интерферометром, — определяющим с нанометровой точностью отклонение хода лучей света от заданной формы. По результатам «сравнения» волнового фронта от кварцевой пластинки и от линзы ученые определяют расположение «дефектов», которые в дальнейшем дорабатывают с помощью полировки.

Но чтобы стать эталоном для такой работы, голограмма должна быть изготовлена очень точно — не иметь дефектов и ошибок в своей микроструктуре. Наиболее значительные ошибки возникают из-за отклонения лазерного луча, записывающего голограмму, от «идеального маршрута». Если луч отклоняется хотя бы на 5–10 нанометров (сопоставимо с размером вируса), готовая голограмма будет неточно преобразовывать свет.

Набор меток — дифракционных решеток, используемых для контроля ошибок изготовления голограмм. Источник: Shimansky et al. / Sensors 2021

Чтобы проверять качество записи голограмм, исследователи из Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск) предложили использовать специальные метки, которые записываются в структуру голограммы.

Они имеют вид микрорешеток, состоящих из точек в шахматном порядке, которые при прохождении света через них формируют сложную дифракционную картину — своеобразный «рисунок» из множества световых пучков. Эти микрорешетки, как и сама голограмма, создавались на поверхности кварцевого стекла с помощью лазерного излучения. Первую часть микрорешеток ученые записывали еще до самой голограммы, затем, по мере формирования изображения, которое может продолжаться до 10–12 часов, в строго определенных местах добавлялась вторая их часть.

После завершения записи, пропуская отдельно через каждую метку тонкий лазерный луч, исследователи анализировали распределение света в дифракционной картине. Если нанесенные на какой-либо метке микрорешетки оказывались смещенными друг относительно друга, эта картина нарушалась, и голограмму нельзя было считать точной. Если сдвига микрорешеток не было, то полученную пластинку можно было в дальнейшем использовать в качестве эталона для проверки оптики.

«Предложенный нами метод может определить погрешности в изображении масштабом до десяти нанометров, что позволяет гарантировать точность голограмм. Это очень важно, когда их применяют для проверки качества зеркал телескопов. Например, наш институт изготовил голограммы, которые использовались как эталоны при шлифовке поверхности самого большого в России зеркала — диаметром шесть метров — Большого телескопа азимутального (БТА). Также наша лаборатория создала голограммы для подобной проверки зеркал Космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Перспективы предложенного в этой работе метода очень широкие, поскольку для многих задач требуется создание уникальных голограмм, к каждой из которых необходимо подобрать собственный «ключик» — метод изготовления и проверки характеристик», — рассказывает Руслан Шиманский, научный сотрудник Института автоматики и электрометрии СО РАН.

Голограммы и оптическая схема для проверки зеркала Большого телескопа азимутального. Источник: Руслан Шиманский