Оптимизация состава ФТР-стекла для записи объемных фазовых голограмм для видимого диапазона

ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ФТР-СТЕКЛА ДЛЯ ЗАПИСИ ОБЪЕМНЫХ ФАЗОВЫХ ГОЛОГРАММ ДЛЯ ВИДИМОГО

ДИАПАЗОНА

А.С.Златов

Научный руководитель - д.ф.-м.н., ст.н.с. Н.В. Никоноров

Проведены исследования свойств объемных фазовых голограмм на силикатном фото-термо-рефрактивном стекле, оптимизированном для видимого диапазона спектра. Проведено сравнение исходного ФТР-стекла с оптимизированным. Установлено, что уменьшение содержания активирующих добавок приводит к снижению фоточувствительности ФТР-стекла, уменьшению динамического диапазона показателя преломления и значительному увеличению пропускания в видимом диапазоне.

Введение

Одним из перспективных материалов для создания эффективных голограммных объемных элементов являются фото-термо-рефрактивные (ФТР) стекла [1]. Голограммы на этих стеклах обладают высокой дифракционной эффективностью и спектрально-угловой селективностью. Высокая термическая и оптическая прочность фото-термо-рефрактивных стекол позволяет использовать такие голограммные оптические элементы в мощных лазерных системах. Кроме этого, голограммы, зарегистрированные в ФТР-стекле, обладают высокой химической устойчивостью и механической прочностью и в этом отношении практически не отличаются от коммерческого оптического стекла К8.

В основе записи голограмм на фото-термо-рефрактивных стеклах лежит фото-термо-индуцированная кристаллизация стекла (рис. 1). Суть процесса заключается в следующем. Облучение стекла УФ-излучением приводит к фотоионизации Се3+, освободившийся электрон посредством сурьмы захватывается ионом серебра с образованием нейтрального атома серебра. На этой стадии показатель преломления еще не изменен, и эффективность голограммы составляет менее 0.01%. Последующая термическая обработка приводит к росту коллоидного серебра и выделению в объеме стекла микрокристаллов ЫаЕ и Na.Br. В результате фото-термо-индуцированной кристаллизации происходит изменение показателя преломления на величину ~10-4, что достаточно для получения 100% дифракционной эффективности в образце с толщиной порядка 1 мм. Благодаря тому, что этот процесс является необратимым, отсутствует стирание изображения в процессе считывания, а также нет ограничений на время жизни объемной фазовой голограммы. Однако наличие широкой полосы поглощения коллоидного серебра в районе 410-450 нм, а также рассеяние на микрокристаллической фазе ограничивают применения этого материала в видимом диапазоне спектра. Кроме этого, из-за сильной полосы поглощения ионов Се3+ нет возможности записывать голограммы на толстых (3-5 мм) образцах. Эти факторы существенно ограничивают применение голограмм в видимом диапазоне спектра.

В настоящей работе была предпринята попытка оптимизации состава ФТР-стекла для использования голограммных элементов увеличенной толщины в видимом диапазоне. Для этой цели в ФТР-стекле было в 2-3 раза уменьшено содержание активирующих добавок - ионов серебра, церия и сурьмы. В работе были проведены исследования свойств объемных фазовых голограмм, записанных на оптимизированном и исходном стеклах, установлены оптимальные времена термообработки. Также проведено сравнение исходного ФТР-стекла с оптимизированным.

а)

облучение X = 325 нм

Се3+

О

Се4+

Ag+

и

Ag0

б)

нагр ев Т=400оС

Agl

Ag0n

в)

/

О

нагрев Ыа-гл^Шк^СЛ

Т = 520оС ^ ШШ ^

сГ4-

ЫаБ + ЫаБг

е

Рис. 1. Фото-термо-индуцированная кристаллизация стекла: а) фотоионизация церия УФ-излучением с образованием свободных электронов, захват электронов ионами серебра и образование атомарного серебра; б) образование коллоидного серебра при нагревании облученного стекла (480°С); в) рост микрокристаллов ЫаР на коллоидных

центрах при 520°С

Объект исследования и эксперимент

В работе были исследованы цинк-алюмосиликатные стекла с большим содержанием фтора, активированные ионами церия, серебра и сурьмы. Стекла были синтезированы в кварцевых тиглях при температуре 1500°С из реактивов марки ОСЧ.

Запись голограмм производилась Ие-Сё лазером на длине волны 325 нм по симметричной двулучевой схеме. Термообработка образцов проводилась при Т=520°С.

Схема установки представлена на рис. 2. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер с коллимирующей оптической системой. Исследуемый образец с голограммой находился на поворотном столике, управляемом с компьютера и обеспечивающего шаг разворота 10-5 рад. Измерялась зависимость интенсивности прошедшего и дифрагированного пучка в зависимости от угла поворота столика. Полученные данные обрабатывались и захватывались с помощью программного пакета LabView 5.

Как известно [2], зависимость дифракционной эффективности (ДЭ) пропускающих трехмерных фазовых голограмм от амплитуды модуляции показателя преломления носит осциллирующий характер - щ = бш2^, где ф1 = жп1Т/(Хсо%в0}, п1 - амплитуда модуляции показателя преломления, Т - толщина среды, X - длина волны восстанавли-

вающего излучения в воздухе, в0 - угол падения восстанавливающего пучка на голограмму в среде. При этом при < = кп± агсБШл/п (где к = 1, 2, 3, ...) в условиях Брэгга

достигаются одинаковые ДЭ, и для выбора «к», т.е. однозначного определения ф}, использовалось сопоставление формы расчетного контура угловой селективности с экспериментально измеренной [3].

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для тестирования голограмм: 1 - полупроводниковый лазер, 2 - поворотный столик, 3 - исследуемый образец с голограммой, 4 - фотоприемники, 5 - компьютер

Результаты и обсуждения

Рассчитанные экспозиционные зависимости амплитуд модуляции показателя преломления при оптимальных временах термообработки представлены на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости амплитуд модуляции первой гармоники показателя преломления от экспозиции при оптимальных временах термообработки

Видно, что уменьшение содержания активирующих добавок приводит к уменьшению динамического диапазона изменения показателя преломления ФТР-стекла. Также из рисунка видно, что для оптимизированного ФТР-стекла максимальное значение амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления достигается при большей дозе облучения, чем у исходного ФТР-стекла, кроме этого, оптимизация состава приводит к изменению кинетики кристаллизации стекла, что ведет к значительному увеличению времени термообработки. Максимальное значение амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления для оптимизированного ФТР-стекла составило 1-10"4, а для исходного ФТР-стекла - 5-10-4. Установлено, что коэффициент поглощения голограмм, записанных на оптимизированном ФТР-стекле, уменьшился в 5 раз. Этот результат достигнут за счет уменьшения поглощения на коллоидном серебре и снижения рассеяния на границе кристаллической фазы и матрицы стекла.

Выводы

Получена зависимость амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления от экспозиции исходного и оптимизированного ФТР-стекла. Установлено, что значительное уменьшение содержания активирующих добавок (церия, серебра и сурьмы) приводит к снижению фоточувствительности, уменьшению динамического диапазона и увеличению времени термообработки. В то же время пропускание голограмм в видимом диапазоне увеличивается в 5 раз. Это позволяет получать толстые (3-5 мм) голограммы на ФТР-стекле для видимого диапазона спектра.

Литература

1. Кучинский С. А., Никоноров Н.В., Панышева Е.И., Савин В.В., Туниманова И.В. Свойства объемных фазовых голограмм на мультихромных стеклах // Оптика и спектроскопия. - 1991. - Т. 70. - № 6. - С. 1296.

2. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram grating // Bell Syst. Techn. J. -1969. - Vol. 48. - №9. - P. 2909-2947.

3. Андреева О.В., Корзинин Ю.Л., Назаров В.Н., Гаврилюк Е.Р., Курсакова А.М. Дифракционная эффективность серебросодержащих голограмм на пористых стеклах в красной и ИК-областях спектра // Оптический журнал. - 1997. - Т. 64. - №4. - С. 142.