УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ И ТЕСТИРОВАНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ ОБЪЁМНЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ РЕШЁТОК

Полезная модель относится к области голографии, а конкретно - к устройствам записи и тестирования голографических объемных отражательных решеток и их применениям.
Известны различные устройства записи и тестирования голографических объемных отражательных решеток. Например, в патентах [1, Smothers et al. Dry film process for altering wavelength response of holograms // US Patent, # 4959283, September 25, 1990; 2, РЕЛЛЕ Томас и др. Фотополимерная композиция и ее применение для изготовления голографических сред // Патент РФ №2515991, опубликовано 20.02.2015. Бюл. №05] описаны устройства, содержащие лазер, оптические элементы для формирования двух отдельных каналов опорного и предметного пучков, падающих на голографический фотополимерный материал (ГФПМ) с противоположных сторон. Отмечено, что такие решетки могут быть использованы для изготовления оптических элементов дисплеев, защиты документов и товаров от подделки, узкополосных спектральных фильтров.
Недостатком устройств [1, 2] и подобных им, содержащих два отдельных канала интерферирующих пучков, является сложность оптической схемы, поскольку разнесенные в пространстве на расстояние порядка десятков сантиметров элементы формирования опорного и предметного пучков должны обеспечить одинаковое состояние их поляризации и минимальную разницу длин оптических путей от светоделителя до светочувствительного материала (не более так называемой длины когерентности используемого лазера, составляющей несколько сантиметров).
От этого недостатка свободны устройства, основанные на хорошо известной идее записи объемных отражательных голограмм, предложенной выдающимся российским ученым Ю.Н. Денисюком [3, Ю.Н. Денисюк. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения // Оптика и спектроскопия. 1963. Том XV. Выпуск 4. С. 522-532]. Согласно этой идее для получения объемной отражательной голограммы достаточно лишь одного опорного пучка, который проходит сквозь светочувствительный материал, в частности ГФПМ, далее отражается от предмета, при этом отраженный пучок, по существу являющийся предметным пучком, распространяется навстречу опорному и при их интерференции в ГФПМ формируется объемная отражательная голограмма. В качестве предмета можно использовать, в частности, «глухое» зеркало, у которого коэффициент отражения равен 100%. Именно так построено устройство, описанное в [4, Sylvia H. Stevenson. DuPont multicolor holographic recording films // Proc. SPIE. 1997. Vol. 3011. PP. 231-241], а также кратко упомянутое в [1]. Оно содержит лишь один канал формирования опорного пучка лазерного излучения, а предметный пучок, необходимый для образования голограммы, формируется за счет отражения опорного пучка, прошедшего сквозь светочувствительный материал, от «глухого» зеркала.
Общим недостатком устройств [1, 2, 4] является невозможность тестирования, а конкретно, измерения дифракционной эффективности (ДЭ) объемной отражательной голографической решетки непосредственно в процессе ее записи, что на практике весьма важно для определения момента достижения максимума ДЭ и прекращения экспозиции с целью экономии времени и энергии излучения.
Такую возможность предоставляет устройство, рассматриваемое далее в качестве прототипа, [5, Пен Е.Ф. Устройство тестирования голографических светочувствительных материалов // Патент РФ на полезную модель №165622. Опубликовано 27.10.2016. Бюл. №30.]. Это устройство содержит: лазер; лазерный пучок R, называемый опорным; голографический светочувствительный материал; полупрозрачное зеркало, с помощью которого формируется пучок Ob, называемый предметным; источник белого света; спектрофотометр. Для обеспечения возможности тестирования отражательной голограммы в процессе ее записи коэффициент отражения полупрозрачного зеркала должен быть менее 100%.
Как отмечено ранее, голографические объемные отражательные решетки находят разнообразные применения, в которых, в зависимости от конкретной задачи, может потребоваться тот или иной период решетки. Устройство [5] позволяет формировать объемные отражательные решетки с различным периодом примерно от 0.16 мкм до 0.26 мкм за счет использования лазеров с длинами волн от 473 нм до 633 нм и подбора угла падения опорного пучка на светочувствительный материал. Однако, предельное значение этого угла на практике не превышает 60° - 70° в воздухе (или 35° - 38° в светочувствительном материале, в частности ГФПМ, с показателем преломления 1.51) относительно нормали к плоскости голограммы, поскольку с его увеличением резко возрастают световые потери из-за так называемого френелевского отражения от поверхности оптических материалов, в том числе и ГФПМ [6, М. Борн, Э. Вольф. ОСНОВЫ ОПТИКИ. // Изд. «НАУКА», М. -. 1970].
Заявляемое устройство позволяет увеличить угол падения записывающих пучков в светочувствительном материале до 45° и более, а это значит - повысить период решеток и тем самым расширить их функциональные возможности, а также улучшить условия записи этих решеток путем повышения контраста картины интерференции опорного и предметного пучков в сравнении с прототипом.
Это достигается за счет того, что в устройство, находящееся в воздушной среде и содержащее лазер, оптические элементы формирования опорного и предметного пучков, голографический светочувствительный материал, источник белого света, спектрофотометр, дополнительно введены оптическая прямая треугольная призма, с основанием, в частности, в виде равнобедренного прямоугольного треугольника, и прозрачная подложка, в частности, стеклянная. При этом узкая боковая грань призмы расположена перпендикулярно направлению распространения опорного пучка, а светочувствительный материал располагают между широкой боковой гранью призмы и подложкой, обеспечивая оптический контакт с ними.
На Фигуре 1 изображена схема поперечного сечения (относительно боковых граней призмы) оптической системы устройства записи и тестирования голографических объемных отражательных решеток. В плоскости этого сечения расположены все основные компоненты устройства, перечисленные ниже: с помощью лазера 1 и оптических элементов (на Фигуре 1 не показаны) формируют s поляризованный коллимированный пучок света 2, называемый опорным; направляют его по нормали на узкую боковую грань оптической (например, из стекла марки К8 с показателем преломления 1.515) прямой треугольной призмы 3 с основанием, в частности, в виде равнобедренного прямоугольного треугольника; опорный пучок распространяется последовательно через призму и участок поверхности светочувствительного материала 4, в частности ГФПМ, представляющего собой пленку светочувствительного вещества толщиной 10 мкм - 50 мкм с адгезивными (клеящими) свойствами, прикрепленную одной ее поверхностью к широкой боковой грани этой призмы, а другой - к верхней поверхности прозрачной подложки 5, например, из стекла марки К8 толщиной 1 мм; опорный пучок проходит границу веществ «призма - ГФПМ» почти без отражения, т.к. их показатели преломления близки, а за счет адгезивных свойств ГФПМ обеспечивается оптический контакт этих веществ. Далее опорный пучок полностью отражается от нижней, граничащей с воздухом, поверхности указанной подложки, поскольку в данном случае угол его падения на подложку составляет 45° и превышает так называемый критический угол полного внутреннего отражения [6], составляющий 41.3° (для стекла К8). Отраженный пучок 6 выполняет роль предметного, необходимого для образования голограммы, сохраняет s поляризацию, интерферирует с опорным пучком 2 и в результате этого на участке среды 4 регистрируется объемная отражательная голографическая решетка 7, показанная на Фигуре 1 условно в виде периодически расположенных полос. Ее размеры ограничены областью пересечения опорного и предметного пучков.
С целью мониторинга изменений степени усадки ГФПМ и ДЭ голографической решетки в процессе ее записи с помощью источника белого света 8 формируют зондирующий пучок 9 и направляют его по нормали к плоскости голографической решетки, далее прошедший сквозь решетку пучок распространяется в призме, последовательно отражаясь от двух ее боковых граней за счет эффекта полного внутреннего отражения, проходит через неэкспонированный лазерным излучением участок ГФПМ и подложку, как показано на Фигуре 1, затем попадает в спектрофотометр 10, где происходит измерение и обработка данных спектра пропускания голографической решетки в процессе ее записи с учетом заранее измеренного спектра пропускания участка ГФПМ, неэкспонированного лазерным излучением. В конечном счете эти данные используются для определения ДЭ и степени усадки ГФПМ.
Отличиями и достоинствами заявляемого устройства в сравнении с прототипом являются:
- его простота и компактность, поскольку отпадает необходимость применения зеркала, располагаемого за светочувствительным материалом, для отражения опорного пучка и формирования тем самым предметного пучка;
- улучшение условий записи голографических отражательных решеток, т.к. при формировании предметного пучка энергия лазерного излучения опорного пучка используется полностью за счет эффекта полного внутреннего отражения, а не частично, как в прототипе, использующем полупрозрачное зеркало, и это приводит к выравниванию отношения интенсивностей опорного и предметного пучков, а в итоге  к повышению ДЭ голограммы и сокращению затрат энергии лазерного излучения; значительно уменьшаются потери света из-за френелевского отражения, поскольку опорный пучок падает на призму по нормали;
- новые функциональные возможности, поскольку появляется возможность повысить период решеток, что позволит, например, расширить рабочий диапазон спектральных фильтров на основе таких голографических отражательных решеток.
При этом сохраняется возможность мониторинга изменений ДЭ голографических решеток и степени усадки ГФПМ в реальном времени, что важно, как было отмечено ранее, для оптимизации процесса их записи.
Работоспособность заявляемого устройства подтверждена экспериментально путем создания его макета, проведения записи отражательных решеток, их тестирования. В макете использованы лазеры с длинами волн излучения 532 нм и 633 нм, спектрофотометр фирмы Avantes и голографические фотополимерные материалы Новосибирского института органической химии СО РАН [7, Шелковников В. В. и др. Фотополимерные композиции для записи отражательных голограмм в широком спектральном диапазоне // Патент РФ №2552351. Опубликован 10.06.2015. Бюл. №16]. Получены объемные отражательные голографические решетки с периодами 0.25 мкм и 0.30 мкм (для лазеров с длинами волн 532 нм и 633 нм соответственно).