УСТРОЙСТВО ТЕСТИРОВАНИЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКИХ СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области голографии, преимущественно к голографическим светочувствительным материалам и их применениям, а конкретно - к устройствам тестирования величин усадки этих материалов и дифракционной эффективности (ДЭ) голограмм на их основе.
Известны различные устройства измерения ДЭ и степени усадки голографических светочувствительных материалов, в частности голографических фотополимерных материалов (ГФПМ). Например, в патенте [1, РЕЛЛЕ Томас и др. Фотополимерная композиция и ее применение для изготовления голографических сред // Патент РФ №2515991, опубликовано 20.02.2015. Бюл. №05] описано устройство, с помощью которого вначале изготавливают объемную отражательную голограмму на фотополимерном материале, а затем измеряют ее дифракционную эффективность. В указанном устройстве образец ГФПМ устанавливается на вращающийся столик. С помощью оптических элементов из лазерного излучения формируют опорный и предметный пучки и записывают в ГФПМ отражательную голограмму. Затем, при считывании голограммы, вращающийся столик с закрепленным на нем образцом ГФПМ проходит с шагом 0,05° интервал углов от Ωmin до Ωmах. В каждой позиции через 0,05Ω угла поворота с помощью детекторов измеряют мощности проходящего через голограмму пучка (нулевой порядок дифракции) и дифрагированного пучка первого порядка, и определяют дифракционную эффективность η по формуле
D
T
где P - мощность на детекторе дифрагированного пучка, а Р - мощность на детекторе проходящего пучка. Из графика зависимости ДЭ от угла поворота образца определяют угол, при котором ДЭ достигает пикового значения. Однако, для определения этого значения приходится изменять положение детектора дифрагированного пучка, что обусловлено нарушениями так называемых брэгговских условий для объемных голограмм, вызванных усадкой фотополимерного материала в силу конверсии вещества при фотополимеризации (превращении мономера в более плотное вещество - полимер). Как отмечают сами авторы, это является недостатком данного устройства.
Указанного недостатка (вынужденного изменения положения детектора дифрагированного пучка) не имеют другие известные устройства, содержащие наряду с лазером и оптическими элементами, необходимыми для записи отражательной голограммы, дополнительно введенные источник белого света и спектрофотометр для регистрации сигнала спектрального отклика этой голограммы в качестве меры ДЭ [2, Smothers et al. Dry film process altering wavelength response of hologram // US Patent # 4959283, Sep. 25, 1990; 3, Martin et al. Broad band reflection holograms and dry process for making same // US Patent # 5725970, Mar. 10, 1998]. В этих устройствах не приходится подстраивать положение детектора дифрагированного пучка при любой степени усадки ГФПМ, которая оценивается по изменению положения максимума спектрального отклика отражательной голограммы.
Однако, недостатком устройств, описанных в [1, 2, 3], является тот факт, что для определения энергии лазерной засветки, при которой достигается максимально достижимая ДЭ для данного образца ГФПМ, а также с целью выяснения всей картины эволюции ДЭ в зависимости от этой энергии, требуется изготовить несколько голограмм (обычно более 10 штук) и для каждой из них провести измерение ДЭ.
Известны устройства тестирования голографических светочувствительных материалов, не требующие записи множества голограмм [4, С.А. Бабин и др.. Методы и устройства тестирования голографических фотополимерных материалов // Автометрия. 2003. №2. С. 57-70; 5, Шелковников В.В. и др. Фотополимерные композиции для записи отражательных голограмм в широком спектральном диапазоне // Патент РФ №2552351, опубликован 10.06.2015, Бюл. №16]. Эти устройства позволяют определять зависимость ДЭ голограммы от энергии засветки непрерывно в течение всего периода времени записи путем регистрации сигнала от прошедшего через голограмму зондирующего пучка белого света.
Главным достоинством указанных устройств с точки зрения тестирования светочувствительных материалов является возможность мониторинга основных процессов записи голограммы, включая стадии зарождения и развития голографической решетки, достижения максимума ДЭ, эволюции усадки ГФПМ.
Устройства [4, 5] содержат лазер и оптические элементы, формирующие опорный и предметный пучки, в результате интерференции которых образуется отражательная голограмма, а также элементы детектирования спектрального отклика этой голограммы в процессе ее записи, включающие источник белого света, волоконные световоды, направляющие зондирующий пучок белого света на голограмму и воспринимающие прошедший сквозь голограмму пучок света, который направляется в спектрофотометр. Интенсивность зондирующего пучка устанавливается столь малой, что это не оказывает заметного влияния на запись голограммы.
Модификацией устройств [4, 5] является устройство тестирования голографических светочувствительных материалов, описанное с участием автора предлагаемой заявки в статье [6, Е.Ф. Пен, И.А. Зарубин, В.В. Шелковников, Е.В. Васильев. Методика определения параметров усадки голографических фотополимерных материалов // Автометрия, 2016, №1, с. 60-69] и выбранное в качестве прототипа предлагаемой полезной модели.
Данная модификация предназначена для исследований особенностей усадки ГФПМ и не имеет принципиальных отличий от устройств [4, 5], за исключением того, что зондирующий пучок белого света направлен перпендикулярно к поверхности светочувствительного материала. Это сделано для удобства расчетов параметров усадки ГФПМ по методике [6].
Функциональная схема этого устройства изображена на фигуре 1. Устройство содержит следующие элементы: лазер 1; фотозатвор 2, задающий время засветки; светоделитель 3; зеркала 4; образец с ГФПМ 5; источник белого света 6; спектрофотометр 7; компьютер 8; дисплей 9.
Устройство работает следующим образом: пучок излучения лазера, проходит через затвор, расщепляется светоделителем на опорный (R) и предметный (Ob) пучки равной интенсивности, которые с помощью зеркал направляются на один и тот же участок светочувствительного материала с противоположных сторон, при этом должны быть обеспечены одинаковые состояния поляризации и равенство длин оптических путей этих пучков от светоделителя до ГФПМ; в результате интерференции указанных пучков образуется объемная отражательная голограмма; на нее направляют пучок зондирующего белого света малой интенсивности перпендикулярно к поверхности ГФПМ; прошедшее зондирующее излучение направляют в спектрофотометр; результат спектрального отклика наблюдают на экране дисплея. Измерение спектра пропускания образующейся голограммы начинается синхронно с началом засветки и проводится периодически в течение всего времени засветки, что позволяет получать данные о ДЭ голограммы в любой текущий момент ее записи, результаты измерений накапливаются в компьютере. По истечении времени засветки затвор перекрывает излучение лазера, при этом зондирующий свет продолжает функционировать, позволяя наблюдать результирующий спектральный отклик отражательной голограммы.
Недостатком данного устройства, а также устройств [1, 4, 5], является сложность оптической схемы, поскольку используются разнесенные в пространстве на значительное расстояние (десятки сантиметров) элементы формирования опорного и предметного пучков, которые 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, на практике - это порядка нескольких сантиметров). Следует также отметить, что указанные голографические устройства требуют тщательной защиты от высокочастотной механической вибрации, приводящей к хаотичному изменению картины интерференции опорного и предметного пучков во время записи голограмм.
Опыт практической работы с этими устройствами показал необходимость и возможность их совершенствования - упрощения конструкции, повышения ее надежности, снижения стоимости изготовления устройства.
Заявляемое устройство тестирования голографических светочувствительных материалов устраняет недостатки прототипа. Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее лазер, фотозатвор, зеркало, голографический светочувствительный материал, источник белого света, спектрофотометр, компьютер, дисплей дополнительно введено полупрозрачное зеркало, установленное по ходу лазерного луча непосредственно за голографическим светочувствительным материалом с минимальным зазором. При таком решении достигается упрощение устройства (отсутствуют второе зеркало и светоделитель), при этом необходимый для записи голограммы предметный пучок формируется из опорного пучка путем его отражения от полупрозрачного зеркала, что автоматически приводит к выполнению условия равенства длин оптических путей обоих лазерных пучков. Это обстоятельство повышает надежность устройства и снижает требование к длине когерентности применяемого лазера, а, следовательно, позволяет использовать более дешевый лазер. Полупрозрачное зеркало выполняет и вторую функцию - обеспечивает прохождение зондирующего пучка белого света для детектирования спектрального отклика отражательной голограммы. Предпочтительно, чтобы зондирующий пучок был направлен перпендикулярно к плоскости голографического материала, что создает удобства при расчете параметров усадки ГФПМ по методике [6].
Функциональная схема заявляемого устройства показана на фигуре 2. Устройство содержит лазер 1; фотозатвор 2; зеркало 3, направляющее лазерный пучок R, называемый опорным, на голографический светочувствительный материал 4; полупрозрачное зеркало 5, формирующее пучок Ob, называемый предметным; источник белого света 6; спектрофотометр 7; компьютер 8; дисплей 9. Для обеспечения возможности измерений спектра пропускания отражательной голограммы в процессе ее записи, коэффициент отражения полупрозрачного зеркала 5 должно быть менее 100% (в наших экспериментах он составлял примерно 75%).
Заявляемое устройство работает следующим образом: пучок света от лазера, проходит через затвор, отражается от зеркала, формируя опорный пучок R, который направляется на ГФПМ, непосредственно за ним располагается полупрозрачное зеркало, которое, отражая падающее излучение, формирует пучок предметный Ob, необходимый для образования интерференционной картины во взаимодействии с пучком R. На образующуюся объемную отражательную голографическую решетку направляют пучок зондирующего белого света малой интенсивности от источника белого света перпендикулярно к поверхности ГФПМ. Проходящее через полупрозрачное зеркало и голограмму зондирующее излучение направляют в спектрофотометр, результат спектрального отклика обрабатывают на компьютере и наблюдают на экране дисплея. Измерение спектра пропускания образующейся голограммы начинается синхронно с началом засветки и проводится периодически в течение всего процесса ее записи.
Отличиями и достоинствами заявляемого устройства в сравнении с прототипом являются его компактность, простота и надежность, поскольку отпадает необходимость использования ряда оптических деталей, требующих тщательной юстировки (светоделителя и одного из зеркал), при этом разница длин оптических путей опорного и предметного пучков практически отсутствует. Это позволяет применять более дешевые лазеры с малой длиной когерентности (порядка нескольких миллиметров). Снижаются требования к степени виброзащищенности устройства, поскольку пути распространения опорного и предметного пучков максимально локализованы. Важно, что сохраняются все функциональные возможности такого устройства для оценки степени усадки ГФПМ и величины ДЭ отражательных голограмм на их основе.
Работоспособность заявляемого устройства подтверждена экспериментально путем создания его макета и проведения измерений спектральных откликов отражательных голограмм в процессе их записи. В макете использован лазер с диодной накачкой (DPSS) с длиной волны излучения 532 нм фирмы Viasho Ltd., спектрофотометр фирмы ВМК «Оптоэлектроника» [http://www.vmk.ru/] и образцы фотополимерных материалов Новосибирского института органической химии СО РАН [5]. Результаты измерений сходны с данными, полученными в [6].