Βελτιστοποίηση διαδικασιών κατασκευής ολογραφικών μικρο/νανοδομών με λέιζερ για εφαρμογές ασφαλείας μέσω τεχνικών μηχανικής μάθησης και επεξεργασίας εικόνας

Abstract

This dissertation investigates the design, fabrication, and evaluation of holographic micro- and nano-structures produced by fiber laser micromachining, with emphasis on security applications based on Physical Unclonable Functions (PUFs). This work bridges laser–matter interaction, digital holography, image processing, and machine learning within a unified experimental–computational framework. First, Computer-Generated Holograms (CGHs) are optimized using data-driven approaches to improve engraving quality and optical reconstruction performance. Image processing techniques and machine learning models are applied to correlate design parameters with the morphology and optical response of the fabricated structures, enabling systematic optimization of the laser engraving process. Additionally, laser-fabricated holographic structures are investigated as optical PUFs for authentication purposes. The intrinsic stochasticity of laser–material interaction at the micro/nanoscale is exploited to generate unique and unclonable optical signatures. A complete authentication framework is developed, combining feature extraction, dimensionality reduction, and statistical distance metrics to evaluate uniqueness, robustness, and resistance to cloning. Finally, Laser-Induced Periodic Surface Structures (LIPSS) are studied as an alternative class of holographic PUFs on silicon and stainless steel. Their morphology and optical responses are comparatively analyzed, demonstrating strong discriminability between samples. In addition to authentication metrics, binary sequences derived from PUF responses are statistically evaluated, showing properties consistent with high-entropy physical sources. In summary, the dissertation establishes a comprehensive methodology for the intelligent design and security-oriented exploitation of laser-fabricated holographic structures, contributing to advanced anti-counterfeiting and authentication technologies.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τη σχεδίαση, κατασκευή και αξιολόγηση ολογραφικών μικρο/νανοδομών που παράγονται με εγχάραξη χρησιμοποιώντας λέιζερ οπτικών ινών (fiber laser), και προορίζονται για εφαρμογές ασφάλειας βασισμένες σε Φυσικές Μη-Κλωνοποιήσιμες Δομές (Physical Unclonable Functions – PUFs). Η εργασία γεφυρώνει την αλληλεπίδραση λέιζερ–ύλης, την ψηφιακή ολογραφία, την επεξεργασία εικόνας και τη μηχανική μάθηση σε ένα ενιαίο πειραματικό–υπολογιστικό πλαίσιο. Το πρώτο μέρος της εργασίας επικεντρώνεται στη βελτιστοποίηση των Ψηφιακών Ολογραμμάτων ή αλλιώς Ολογραμμάτων Παραγόμενων από Υπολογιστή (Computer-Generated Holograms – CGHs), με στόχο τη βελτίωση της ποιότητας χάραξης και της οπτικής ανακατασκευής. Τεχνικές επεξεργασίας εικόνας και μοντέλα μηχανικής μάθησης αξιοποιούνται για τη συσχέτιση των παραμέτρων σχεδίασης με τη μορφολογία και την οπτική απόκριση των δομών, επιτρέποντας τη συστηματική βελτιστοποίηση της διαδικασίας εγχάραξης. Στη συνέχεια, οι παραγόμενες ολογραφικές δομές μελετώνται ως οπτικά PUFs για εφαρμογές ελέγχου γνησιότητας. Η εγγενής στοχαστικότητα της αλληλεπίδρασης λέιζερ–υλικού σε μικρο/νανοκλίμακα αξιοποιείται για τη δημιουργία μοναδικών και μη-αντιγράψιμων οπτικών "υπογραφών". Αναπτύσσεται ένα ολοκληρωμένο σύστημα ελέγχου αυθεντικότητας, το οποίο συνδυάζει εξαγωγή χαρακτηριστικών, μείωση διαστατικότητας και στατιστικές μετρικές απόστασης για την αξιολόγηση της μοναδικότητας, της ανθεκτικότητας και της αντοχής σε απόπειρες αντιγραφής. Τέλος, μελετώνται οι Περιοδικές Επιφανειακές Δομές Επαγόμενες με Λέιζερ (LIPSS) ως εναλλακτική κατηγορία ολογραφικών PUFs σε πυρίτιο και ανοξείδωτο ατσάλι. Η μορφολογία και η οπτική τους απόκριση αναλύονται συγκριτικά, επιδεικνύοντας ισχυρή διακριτική ικανότητα μεταξύ δειγμάτων. Πέρα από τις μετρικές γνησιότητας, δυαδικές ακολουθίες που εξάγονται από τις αποκρίσεις των PUF αξιολογούνται στατιστικά, παρουσιάζοντας ιδιότητες συμβατές με φυσικές πηγές υψηλής εντροπίας. Συνολικά, η διατριβή θεμελιώνει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για την "έξυπνη" σχεδίαση και την αξιοποίηση ολογραφικών δομών χαραγμένων με λέιζερ σε εφαρμογές ασφάλειας, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών εξασφάλισης γνησιότητας και καταπολέμησης της παραποίησης.