ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ Лекция 9 Регистрирующие среды для голографии лектор: О.В. Андреева

Применение голографических светочувствительных сред Изобразительная голография Изготовление голограммных оптических элементов Информационные фототехнологии.

Типы голограмм в зависимости от характеристик: схемы регистрации; соотношения между Т и d; модуляция оптического параметра среды; характера изменения параметров регистрирующей среды при записи – обратимый (динамические) и необратимый (статические голограммы). Параметры регистрирующей среды разрешающая способность; толщина; фотоотклик материала; реверсивные среды и среды со скрытым изображением;

Фотоотклик регистрирующей среды коэффициент поглощения ( ); показатель преломления (n); толщина материала (Т); амплитудная голограмма; фазовая голограмма; рельефно-фазовая; Модуляция оптического параметра Тип голограммы

Техника эксперимента источник излучения – непрерывный, импульсный ( закон невзаимозаместимости ); Спектральный состав излучения стабильность установки и отдельных элементов схемы регистрации. Требуемые параметры РС зависимость фотоотклика среды от длительности импульса и плотности мощности излучения; Спектральная чувствительность варьирование времени экспозиции.

Оценка чувствительности регистрирующих сред для голографии чувствительность (S 02 ), ед. ГОСТа; голографическая чувствительность – H опт, H 1% ; H опт (ДЭ = max), H 1% (ДЭ = 1%); спектральная чувствительность (S );

Чувствительность В нашей стране под интегральной чувствительностью (S) понимают величину, обратную количеству освещения, которое необходимо для получения оптической плотности проявленного фотографического слоя 0,2 сверх вуали. S измеряется в единицах ГОСТа и ее величина обратно пропорциональна экспозиции, необходимой для достижения искомой плотности. Под спектральной чувствительностью понимается величина, обратная количеству энергии монохроматического излучения, необходимому для получения оптической плотности проявленного материала, равной единице, сверх оптической плотности вуали.

Экспозиция Энергетическая экспозиция, Н, – количество энергии излучения, приходящееся на единицу площади освещаемого участка; иначе: произведение энергетической освещенности (облученности, Е) на длительность облучения (t). H = E t

Разрешение Разрешение светочувствительного материала (R), как правило, определяется значением максимальной пространственной частоты голограммы, которая может быть эффективно зарегистрирована. Разрешение, необходимое для регистрации всех пространственных частот голограммы должно быть R max. Его можно оценить по формуле R 2nSinθ/λ

Разрешение – R, мм -1 ; ФПК – функция передачи контраста; ЧКХ – частотно-контрастная характеристика; O0O0 122 РС bb P PP O2O2 O1O1 L зависимость амплитуды интерференционной картины от пространственной частоты

Частотно-контрастная характеристика Функция передачи контраста - (частотно-контрастная характеристика) зависимость амплитуды записанной в регистрирующей среде синусоидальной структуры (решетки, элементарной голограммы-решетки) от пространственной частоты этой структуры. ФПК (ЧКХ) более полно характеризует регистрирующий материал, чем предельное значение R.

Частотно-контрастная характеристика 1 – Диффен, 2 - фотоматериал

Запись голограмм в линейном и нелинейном режиме В линейном режиме записи амплитуда голограммы ( амплитуда модуляции оптического параметра в голограмме ) прямо пропорциональна воздействующей экспозиции ( плотности энергии на единицу площади данного участка регистрирующей среды). Нарушение прямой пропорциональности между указанными величинами приводит к отклонению от линейной зависимости между ними, и режим записи оказывается нелинейным.

Динамический диапазон Динамический диапазон регистрирующих сред характеризует возможность линейной регистрации сигнала (информации) на данном материале. Эта величина играет важную роль при регистрации голограмм, так как возможность линейной регистрации сигнала связана с правильной (неискаженной) передачей интерференционной структуры.

Динамический диапазон регистрирующих сред для голографии I min – ограничен уровнем сигнал/шум; I max – ограничен уровнем сигнала, при котором можно пренебречь нелинейными эффектами Динамический диапазон при записи наложенных голограмм:

Зависимость суммарной амплитуды фазовой модуляции наложенных голограмм

Линейный режим записи голограмм – обеспечивается, если амплитуда голограммы (точнее, амплитуда модуляции оптического параметра в голограмме) прямо пропорциональна воздействующей экспозиции.При нарушении прямой пропорциональности между указанными величинами режим записи оказывается нелинейным. Регистрация голограммы в линейном режиме обеспечивается в пределах динамического диапазона регистрирующего материала, если по всей плоскости голограммы комплексная амплитуда восстановленной волны пропорциональна исходной амплитуде объектной волны.

Основные характеристики регистрирующих сред Чувствительность Разрешение Динамический диапазон

Регистрирующие среды со скрытым изображением Инициированные световым воздействием изменения параметров регистрирующей среды непосредственно в процессе записи информации являются незначительными и проявляются в результате дополнительной обработки материалов после экспонирования (в процессе постэкспозиционной обработки). Регистрирующие среды со скрытым изображением обладают, как правило, значительно более высокой чувствительностью и другими возможностями, так как при постэкспозиционной обработке скрытое изображение многократно усиливается.

Галогенидо-серебрянные регистрирующие среды – среды со скрытым изображением для получения статических голограмм Процесс получения голограмм экспонирование; постэкспозиционная обработка: проявление, фиксирование, отбеливание. Отличительные особенности: высокая чувствительность; широта спектральной сенсибилизации; разнообразие методов постэкспозиционной обработки; высокая разрешающая способность.

Полимерные регистрирующие среды для голографии (Среды со скрытым изображением) Фотополимеризующиеся системы (полимерные слои, содержащие компоненты, полимеризующиеся под действием света); Светочувствительные полимерные среды (полимерный каркас + светочувствительное вещество).

Основные требования к материалам для получения объемных статических голограмм (использование в качестве оптических элементов) высокая разрешающая способность; большая толщина (мм); безусадочность; чувствительность к излучению имеющихся лазеров; возможность длительного хранения информации; неизменность параметров в процессе длительной эксплуатации;

Конструирование регистрирующих сред для голографии Принцип композиционной структуры: жесткий каркас + светочувствительная композиция; Композиционные материалы на основе пористых стекол. Пористое стекло – жесткий каркас. Светочувствительная композиция: бихромированная желатина галоидное серебро + желатина; другие химические соединения. Регистрирующие среды на основе пористых стекол по физико-механическим свойствам близки к свойствам силикатного стекла и являются безусадочными материалами.

Прикладная голография Видеоряд 4 Принципы конструирования объемных регистрирующих сред: композиционные материалы; пример реализации – пористая серебросодержащая среда.

Галогенидо-серебрянные регистрирующие среды – среды со скрытым изображением для получения статических голограмм Процесс получения голограмм экспонирование; постэкспозиционная обработка: проявление, фиксирование, отбеливание. Отличительные особенности: высокая чувствительность; широта спектральной сенсибилизации; разнообразие методов постэкспозиционной обработки; высокая разрешающая способность.

Серебросодержащие пористые регистрирующие среды d max 20 nm d ср ~ 10 nm Объёмная концентрация серебра ~10 -4 Поверхностная масса проявленного серебра, М (1–5)г/м 2

При обработке кислотой (HCl) фракция 2 растворяется и выводится из образца. Средний диаметр образовавшихся «пор» – 7 нм При обработке щелочью (KOH) растворяется мелкодисперсная часть фракции 1. Средний диаметр образовавшихся «пор- каналов» - 17 нм. Пропитка водным раствором желатина (3%). Синтез частиц AgBr внутри пористого каркаса в желатиновом растворе Сушка – удаление воды и образование желатиновой оболочки Свободный объем каналов пористой среды используется: для проведения водной химико-фотографической обработки для уменьшения рассеяния и управления оптическими свойствами образца путем заполнения иммерсией с определенным показателем преломления. 1. Получение пористой матрицы2. Получение пористых образцов стекла3. Получение пористых образцов стекла 4. Получение пористой регистрирующей среды 5. Получение пористой регистрирующей среды 6. Получение пористой регистрирующей среды 7. Использование пористой регистрирующей среды

Отличительные особенности Обеспечивают получение безусадочных галогенидосеребряных фотографических материалов с толщиной более 1мм; Проявленный образец содержит частицы металлического серебра диаметр которых не превышает 20 нм; Оптическими свойствами пористых голограмм можно управлять введением в свободный объем пор жидкостей-иммерсий с различным показателем преломления

Заключение Получение пористых галогенидосеребряных фотографических материалов представляет собой сложный и трудоемкий процесс, однако совокупность параметров таких материалов (Разрешение, чувствительность, широта спектральной сенсибилизации, толщина регистрирующей среды, стабильность и воспроизводимость параметров) не может быть достигнута при использовании других светочувствительных сред.

Конструирование регистрирующих сред для голографии Принцип дисперсионной рефракции – фотохромные материалы с фотохимическим отбеливанием. Принцип диффузионного усиления – полимерные материалы с усилением скрытого изображения за счет диффузионной релаксации противофазных структур.

Принцип дисперсионной рефракции - создание фотохромных материалов с фотохимическим отбеливанием – впервые был предложен в 1978 году советскими физиками В.И.Сухановым и Г.И.Лашковым (сотрудниками Государственного Оптического Института им.С.И.Вавилова) и применен при создании полимерного светочувствительного материала «Реоксан». Суть принципа сводится к тому, что светочувствительное вещество имеет полосу поглощения в видимой области спектра – под действием регистрирующего излучения инициируются химические реакции, приводящие к сдвигу полосы поглощения в более коротковолновую (ближний ультрафиолет) область спектра за счет образования фотопродукта. Таким образом, происходит «фотохимическое отбеливание» материала в видимой области спектра и появление полосы поглощения в ближнем ультрафиолете, что в соответствии с фундаментальными соотношениями Крамерса-Кронига приводит к изменению показателя преломления в видимой области спектра. Изменение «рефракции» материала (изменение его показателя преломления) под действием регистрирующего излучения и является основным способом формирования структуры голограммы.

Спектры поглощения фенантренхинона и фотопродукта в полимерной матрице 1 – фенантренхинон; 2 - фотопродукт

Источники излучения для работы с материалом на основе ФХ λ Спектр поглощения ФХ,нм

Изменение оптических параметров среды, обусловленное наличием частиц - модельные частицы - частицы фотопродукта

Прикладная голография Видеоряд 5 Принципы конструирования объемных регистрирующих сред: принцип дисперсионной рефракции и диффузионного усиления; пример реализации – разработки ГОИ в области объемных регистрирующих сред для голографии.

содержание реоксан полимерная среда с диффузионным усилением капиллярные композиты фототерморефрактивное стекло аддитивно окрашенный флюорит

требования к регистрирующим средам толщина светочувствительного слоя 10 2 – 10 4 мкм разрешающая способность > 6000 мм -1 высокая долговременная стабильность оптических и механических параметров длительное хранение и недеструктивное считывание голограмм энергетическая чувствительность не хуже 1 Дж/см 2 высокая прозрачность

3.фиксирование: выход кислорода 1.очувствление материала: насыщение кислородом 2.запись голограммы S 1 + h S 1 * S 3 * S 3 * + O 2 3 S 1 + O 2 1 * A + O 2 1 * AO 2 запись голограмм на реоксане

реоксан: фотоиндуцированная рефракция

реоксан с постэкспозиционным отбеливанием 1.насыщение материала кислородом 2.запись голограммы 3.удаление кислорода 4.фотообесцвечивание красителя- сенсибилизатора

реоксан с физическим проявлением 1.запись скрытого изображения S cis + h C S trans 2.насыщение кислородом 3.фотопроявление равномерной засветкой S trans + h T + O 2 3 S trans + O 2 1 * A + O 2 1 * AO 2 4.выход кислорода

1.запись "скрытого изображения": фотохимическое присоединение фенантренхинона ФХ к полимерным цепям полимерная среда с диффузионным усилением (проявлением) 2.проявление: диффузионное перемешивание непрореагировавшего ФХ 3.фиксирование/отбеливание: фотоприсоединение остатков ФХ

сравнительные характеристики голограмм в полимерных средах материал, нм E, Дж/см 2 n max d, мкм обработка предэкспозици- онная постэкспозици- онная реоксан 440 – – 1.52× – 10 3 насыщение кислородом дегазация реоксан с физическим проявлением 440 – 600~0.12× – 10 3 нет насыщение кислородом засветка дегазация материал с диффузионным проявлением 480 – – 1.55× – 10 4 нет термо- обработка при 50-70ºС, засветка

голограммы в пористом стекле экспонирование проявление, фиксирование травление удаление оболочек

фототерморефрактивное стекло 1.образование центров агрегации 2.агрегация, образование центров кристаллизации 3.образование микрокристаллов Ce 4+ облучение 325 нм Ce 3+ e Ag + Ag o T = 400°C (Ag o ) n Ag o Na + F-F- T = 520 o C (Ag o ) n NaF 3 2 1

формирование голограмм в кристаллах флюорита 1.фотоионизация простых центров окраски 2.диффузия вакансий и электронов в узлы интер- ференционной картины 3.образование высокоагреги- рованных (коллоидных) центров

спектральные характеристики голограмм в кристаллах флюорита D – оптическая плотность, дифракционная эффективность, R - рефракция (расчет)

сравнительные характеристики голограмм в неорганических средах материал, нм E, Дж/см 2 n max d, мкм T °C обработка капиллярные композиты – – ºС проявление, травление фототермо- рефрактивное стекло ºС термо- обработка аддитивно окрашенный флюорит ~ 15× – ºС запись при повышенной температуре

заключение Предложен ряд нетрадиционных подходов к созданию регистрирующих сред, возможности которых далеко не исчерпаны Созданы полимерные, неорганические и микрогетеро- генные толстослойные регистрирующие материалы, обеспечивающие долговременную эксплуатацию трех- мерных голограмм Спектр предложенных материалов позволяет успешно осуществлять разработку разнообразных практических приложений голографии

Динамические регистрирующие среды Регистрирующая среда динамическая – инициированные световым воздействием изменения параметров регистрирующей среды происходят непосредственно в процессе записи информации (под воздействием излучения). Различают: регистрирующая среда динамическая с нелокальным откликом (фоторефрактивная) – пространственное распределение фотоиндуцированного показателя преломления при записи синусоидальной интерференционной картины сдвинуто по фазе по отношению к распределению интенсивности в регистрируемой интерференционной картине; регистрирующая среда динамическая с локальным откликом (фоторефрактивная) – пространственное распределение фотоиндуцированного показателя преломления при записи синусоидальной интерференционной картины синфазно или противофазно распределению интенсивности в регистрируемой интерференционной картине.

Динамическая голограмма

Динамические среды (с локальным и нелокальным откликом) сдвиговая трехмерная голограмма Нестационарный энергообмен

Фоторефрактивные динамические среды При экспонировании изменяется показатель преломления n. Фоторефрактивные кристаллы: ниобат лития (LiNbO 3 ); ниобат лития* (LiNbO 3 :F); танталат лития (LiTaO 3 ); силикат висмута (Bi 12 SiO 20 ); германат висмута (Bi 12 GeO 20 ). Динамические среды с бистабильными примесными центрами – кристалы фторида кадмия (CdF 2 )

Литература 1.Суханов В.И.Регистрирующие среды для голографии. В кн.: Физическая энциклопедия, т.4, с , Барачевский В.А. Светочувствительные регистрирующие среды: применение в голографии. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007, с D лазерные информационные технологии. Отв.ред.Твердохлеб П.Е., Новосибирск, Андреева О.В., Бандюк О.В.. Парамонов А.А. и др. Высокоэффективные мультиплексные голограммы на полимерном материале «Диффен»//Оптич.журнал, 2006, Т.73,9, С Суханов В.И., Вениаминов А.В., Рыскин А.И., Никоноров Н.В. Разработки ГОИ в области объемных регистрирующих сред для голографии. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007, с Суханов В.И. Трехмерные глубокие голограммы и материалы для их записи//Оптич. журн С Рябова Р.В. и др. Наноматериалы для голографии Российского научного центра «Курчатовский Институт». В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007, с Ворзобова Н.Д. Галогенсеребряные материалы для голографической записи импульсным излучением. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007, с