Полимерный регистрирующий материал пленочного типа для голографии

ПОЛИМЕРНЫЙ РЕГИСТРИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ПЛЕНОЧНОГО ТИПА ДЛЯ ГОЛОГРАФИИ О.В. Андреева, О.В. Бандюк, A.A. Парамонов, Н.В. Андреева

Приведены результаты экспериментов по созданию полимерного регистрирующего материала пленочного типа для записи голограмм. На основе использования органического красителя фенантренхинона в растворе полиметилметакрилата получены пленочные образцы с толщиной 80^350 мкм, пригодные для записи голограмм-решеток с дифракционной эффективностью порядка 50%, сохраняющие светочувствительность не менее года.

Введение

Развитие голографии и возможности ее практических приложений тесно связаны с успехами в области создания и совершенствования регистрирующих материалов и методов их обработки. Для обеспечения потребностей объемной голографии в 80-х годах XX века в Государственном оптическом институте были созданы практически безусадочные объемные регистрирующие материалы с различными светочувствительными композициями на основе пористого стекла и полимера [1].

Из разработанных материалов для объемной голографии наибольший интерес в настоящее время представляют полимерные материалы на основе органического красителя фенантренхинона (ФХ) [2-6]. Диффузионный механизм постэкспозиционного усиления в сочетании с фотоприсоединением молекул светочувствительного субстрата к полимеру обеспечивает данным материалам перспективы широкого практического использования. Полимер в данных материалах выполняет две основные функции: функцию стабильного каркаса, который должен обеспечить безусадочность используемых образцов материала, и функцию акцептора экспонированной фракции молекул светочувствительного субстрата (фотохимическое присоединение молекул фотопродукта к молекулам полимера).

Данные материалы относятся к группе органических необратимых светочувствительных сред, из которых наиболее широко известны так называемые фотополимеры -полимерные регистрирующие материалы, в которых получение голограмм (в отличие от материалов на основе ФХ) обусловлено процессами цепной фотополимеризации (образование полимера из мономера при экспонировании), что приводит к значительным изменениям толщины материала и усадке образцов [3].

Одной из модификаций полимерной регистрирующей среды на основе ФХ является материал «Диффен» [7], обладающий определенными голографическими и физико-механическими параметрами, которые обусловлены разработанным режимом синтеза. Образцы данного материала диаметром 20-60 мм и толщиной 1-4 мм получают путем блочной полимеризации раствора ФХ в метилметакрилате (ММА) между стеклянными формующими пластинами (в присутствии инициатора полимеризации).

Значительный интерес представляет получение образцов данного материала, имеющих толщину в диапазоне 50-500 мкм, так как в существующем ассортименте регистрирующих сред для голографии такие образцы представлены единичными экземплярами лабораторного изготовления [8]. Однако разработанный технологический режим непригоден для получения образцов с толщиной менее 1 мм путем блочной полимеризации по следующим причинам:

• высокая хрупкость (низкая пластичность) тонких образцов не позволяет использовать их без стеклянной подложки;

• объемная концентрация ФХ, используемая в данном процессе (обусловленная растворимостью ФХ в ММА), не позволяет получать высокие значения фазовой модуляции в тонких образцах;

• технология формования блочных образцов накладывает ограничения на их размер и форму.

Указанные ограничения могут быть сняты при использовании режима получения образцов в виде полимерных пленок, разработанного на основе технологического процесса получения материала «Диффен».

Основные результаты

Для получения пленочных образцов светочувствительного материала, представляющего собой твердый раствор ФХ в ПММА, был использован метод полива из раствора, который в ряде случаев используют для решения подобных задач в лабораторных условиях. Основными компонентами являлись ФХ, ПММА и органический растворитель, в качестве которого были использованы хлороформ, дихлорэтан, толуол, диоксан, хлористый метилен.

Процесс получения пленочных образцов включает следующие этапы.

1. Подготовка полимера (проведение полимеризации по заданному режиму, измельчение) и его растворение в растворителе или смеси растворителей.

2. Введение ФХ в полученный раствор.

3. Полив на жесткую подложку методом формования.

4. Проведение процесса пленкообразования в режиме управления скоростью испарения растворителя.

В результате проведенных экспериментов были получены однородные, равномерно прокрашенные пленки размером более 10x10 см толщиной 80-350 мкм, эластичность которых позволяла вырезать из них профили различной формы. При этом объемные концентрации ФХ в пленочных образцах были в несколько раз выше, чем в блочных образцах. Проведенные опыты показали, что изготовленные по данной методике образцы не теряют светочувствительных свойств при хранении, по крайней мере, в течение одного года при комнатной температуре.

Для проведения голографических испытаний пленочных образцов были использованы специально разработанные кассеты. Запись голограмм, постэкспозиционная обработка и измерение параметров производились в режиме стабильного состояния пленочного образца, закрепленного между стеклянными пластинами для предотвращения локальных деформаций.

Голографические испытания пленочных образцов производились по методике, разработанной для образцов материала «Диффен» [7]. Результаты измерений дифракционной эффективности (ДЭ) голограмм-решеток, зарегистрированных при X = 488 нм на пространственной частоте 360 мм"1 с различной экспозицией, показали, что на опытных образцах пленок толщиной 180 мкм достигнуты значения ДЭ порядка 50% (измерения при 633 нм). Следует отметить наблюдаемое снижение ДЭ голограмм при фиксировании, которое не имеет места при работе с блочными образцами.

Как показали эксперименты, полученные пленочные образцы позволяли производить запись голограмм в режиме получения «скрытого изображения» (с низкими значениями ДЭ), усиливать голограммы в процессе проведения постэкспозиционного прогрева и фиксировать полученные голограммы.

Таким образом, пленочные образцы, полученные по разработанному режиму, обладают основными характеристиками, типичными для блочных образцов данного типа материалов, что позволяет их использовать в качестве модификации данного материала для расширения спектра его применений.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики блочного и полимерного образцов, полученные при использовании единой методики проведения голографических испытаний. Для количественной оценки усиления голограмм-решеток (0) в про-

цессе постэкспозиционной обработки использовалось значение амплитуды модуляции показателя преломления (и^, полученное по данным измерения ДЭ голограмм и толщины образцов. Приведено усиление, полученное в процессе прогрева и при завершении полного цикла получения голограмм - после фиксирования.

Вид образца Толщина, мм Пропускание

После прогрева После фиксирования

Блочный 1,45 ~ 20 0,94 5,1 5,0

Пленочный 0,18 ~ 20 0,43 4,0 4,5

Таблица 1. Сравнение параметров голограмм, полученных на блочных и пленочных образцах полимерного материала с ФХ

Заключение

• Разработан метод получения пленочных образцов светочувствительного материала, представляющего собой твердый раствор ФХ в ПММА, и получены образцы пленок размером не менее 10x10см толщиной 80-350 мкм, пригодные для записи голограмм, которые не теряют светочувствительности при хранении при комнатной температуре в течение, по крайней мере, одного года.

• На изготовленных по разработанной методике образцах получены голограммы-решетки с дифракционной эффективностью до 50%.

• Показана возможность регистрации голограмм на пленочных образцах в режиме «скрытого изображения» и возможность усиления голограмм при проведении постэкспозиционной обработки.

• При проведении голографических испытаний выявлены отличия пленочных образцов от образцов блочного типа: получены более низкие значения ДЭ голограмм при более высокой объемной концентрации ФХ, а также наблюдалось снижение ДЭ при проведении фиксирования пленочных образцов.

• Полученные эксперименты показали плодотворность разработанного подхода к получению полимерных голографических материалов пленочного типа и необходимость проведения дальнейших исследований по совершенствованию параметров пленочных образцов с целью создания ассортимента материалов для записи голограмм с широким спектром параметров.

Литература

1. Суханов В.И. Трехмерные глубокие голограммы и материалы для их записи. // Оп-тич. журн. 1994. №1. С. 61-70.

2. Вениаминов A.B., Гончаров В.Ф., Попов А.П. Усиление голограмм за счет диффузионной деструкции противофазных периодических структур. // Опт. и спектр. 1991. Т.70. Вып.4. С.864-869.

3. Барачевский В.А. Органические регистрирующие среды для голографической памяти. // ЖНиПФиК. 2000. Т.45. №2. С. 82-93.

4. Steckman G.J., Solomatine I., Zhou G., Psaltis D.. Characterization of phenanthre-nequinone-doped poly(methyl methacrylate) for holographic memory. // Optics letters. 1998. V.23. № 16. P.1310-1312.

5. Lin S.H, Hsu K.Y., Chen W., Whang W.T. Phenanthrenequinone-doped poly(metyl methacrylate) photopolymer bulk for volume holographic data storage. // Optics letters. 2000. V.25. № 7. P.451-453.

6. Mumbru.J., Solomatine I.,.Psaltis D, Lin S.H., Hsu K.Y., Chen W., Whang W.T. Comparison of the recording dynamics of phenanthrenequinone-doped poly(methyl methacry-late) materials. // Optics communications. 2001. V. 194. P.103-108.

7. Андреева O.B., Бандюк O.B., Парамонов A.A. и др. Объемные пропускающие голограммы в полимерной среде с фенантренхиноном. // Оптический журнал. 2000. Т.67. №12. С.27-33.

8. U.V. Mahilny, D.N. Marmysh, A.I. Stankevich, AL. Tolstik, V. Matusevich, R. Kowarschik, Holographic volume gratings in a glass-like polymer material. //Appl. Phys. B. 2006. V. 82. №2. P.299-302