Элементарная голография: ученые ИТМО разработали способ печати, с помощью которого можно легко создавать цветные голограммы

Голография используется во многих сферах. Например, с ее помощью создаются произведения искусства, она же нашла применение в хранении данных, микроскопии, а также в создании сенсоров и оптоэлектрических устройств. Но самое широкое распространение получили голографические методы защиты, прежде всего ― денежных купюр, документов и лицензионных знаков. Это большой и постоянно развивающийся рынок, который нуждается в постоянно обновляемых технологических решениях — по некоторым оценкам, срок подделки того или иного метода защиты занимает от года до двух лет. Поэтому одно из главных требований для успешного коммерческого внедрения нового метода защиты — это его простота и дешевизна. 

Именно такое решение и предложили ученые ИТМО. В его основе — многокомпонентные чернила на основе акрилатов. Они наносятся на заготовку — пленку, на которой уже записана лазерная голограмма на длине волны, дающей при отражении синий цвет. Это и есть та самая брэгговская дифракционная решетка. Чернила проникают вглубь слоев пленки, приводя к их разбуханию — в результате меняется период решетки и условия отражения света. Визуально это выражается в изменении цвета отраженной волны.

«Материал, из которого состоит пленка, варьируется по плотности, а значит, и по показателю преломления. Изначально период решетки (пленки) подходит для дифракции волны 488 нанометров — что дает нам синий цвет. Когда мы поливаем пленку чернилами, она набухает, ее слои расширяются — и дифракция длины волны изменяется. В зависимости от количества чернил появляется сначала зеленое излучение, дальше — желтое, а если налить их еще больше, то красное. Таким образом, в зависимости от дозировки чернил можно сделать очень плавную градацию изменения рисунка», — объясняет первый автор статьи Тамара Погосян.   

При этом число возможных цветов на голограммах не ограничивается лишь четырьмя. Тонко варьируя количество налитых чернил и их концентрацию, можно получать плавные многокрасочные переливы. В лаборатории уже увеличили количество цветов до 12. Но для этого необходимо использовать специальные принтеры, в которых объем капли можно контролировать вплоть до пиколитра (10^-9 мл).

В итоге, как отмечают ученые, получилось довольно изящное решение, которое легко внедрить в коммерческое производство. Технически метод гораздо проще, чем все направления, разрабатываемые в SCAMT ранее. Теоретически, печатать голограммы возможно даже на домашнем струйном принтере (правда, пострадают и точность исполнения, и сам принтер).

«За шесть лет существования нашей лаборатории мы разработали несколько технологий. Это и опаловая голография, печать радужных и зеркальным голограмм, печать интерференционных изображений, компьютерно-генерируемые голограммы, которые используются во многих банкнотах мира. Но мне кажется, что этот метод (с точки зрения эволюции направления, того, что мы достигли у себя в лаборатории за эти годы) — пожалуй, самый совершенный. Он позволяет получить контрастное, точечное изображение, с высокой цветопередачей и точностью, с очень высокой воспроизводимостью, это позволяет надеяться на внедрение этой технологии в практику», — рассказывает Александр Виноградов, директор химико-биологического кластера ИТМО.

Оптические свойства полученных голограмм и их техническое соответствие проверялось на специализированном оборудовании при содействии сотрудников Нового физтеха ИТМО. Благодаря им удалось не только уточнить значения длин волн и угол их отражения, но и подтвердить, что голографический эффект создается именно благодаря изменению дифракционных способностей пленки, а не простым окрашиванием.  

Планируется, что чернила в ближайшее время будут использоваться в коммерческом производстве, в частности, компанией АО НПО«Криптен». Но ученые и дальше будут работать над их модификациями, в том числе будут экспериментировать с самой пленкой для печати голограмм:

«Так как мы физически воздействуем на слои изначального материала — растягиваем их — это так или иначе влияет на их дифракционную эффективность. Мы работали с определенным видом пленки, предоставленным нам партнером, но на самом деле подобных пленок существует очень много. Возможно, другой материал даст более прочное удержание этих слоев, чтобы они не страдали в процессе набухания, и конечная картинка не теряла в яркости. Но это касается самого начального материала, как он восприимчив к составу», — замечает Тамара Погосян.

Работа осуществляется в рамках проекта РНФ, поддержанного летом этого года. Подробнее об исследовании: Tamara Pogosian, Tatiana Statsenko, Alina Mukhtudinova, Mikhail Masharin, Daria Bugakova, Alexandr Sergienko, Sergey Makarov, Alexandr Vinogradov. Inkjet assisted patterning of Bragg grating towards multiple color imaging. Applied Materials Today, Volume 26, March 2022.