Устройство для тестирования динамики усадки голографического светочувствительного материала

Полезная модель относится к области голографии, преимущественно к голографическим светочувствительным материалам и их применениям, а конкретно к устройствам тестирования величины усадки этих материалов.
Известно техническое решение устройства тестирования голографического светочувствительного материала, описанное в патенте (Патент на изобретение РФ № 2552351 «Фотополимерные композиции для записи отражательных голограмм в широком спектральном диапазоне», МПК G03F 7/028, C08L 39/04, G03H 1/02, опубликован 10.06.2015), содержащее источник лазерного излучения; оптические элементы для формирования опорного и предметного пучков лазерного излучения, в результате интерференции которых в голографическом светочувствительном материале образуется отражательная голограмма; источник белого света; спектрофотометр. Устройство выполнено с возможностью определения зависимости усадки голографического светочувствительного материала от энергии засветки лазерным излучением непрерывно в течение всего процесса записи отражательной голограммы с помощью спектрофотометра путем измерения сигнала зондирующего пучка белого света, прошедшего через отражательную голограмму.
Недостатками известного технического решения являются: 1) сложность оптической системы устройства, поскольку ее элементы разнесены в пространстве на десятки сантиметров, это затрудняет минимизировать разницу длин оптических путей опорного и предметного пучков лазерного излучения до голографического светочувствительного материала, что снижает качество записи голограмм и искажает результат тестирования голографического светочувствительного материала, 2) низкая устойчивость от вибраций из-за воздействий внешних факторов, что также снижает качество записи голограмм при длительной засветке голографического светочувствительного материала посредством картины интерференции опорного и предметного пучков лазерного излучения.
Известно техническое решение, представленное в устройстве тестирования голографических светочувствительных материалов (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), содержащее источник лазерного излучения; оптические элементы для формирования опорного и предметного пучков лазерного излучения; источник белого света; спектрофотометр, причем зондирующий пучок белого света направлен перпендикулярно к поверхности отражательной голограммы, сформированной в голографическом светочувствительном материале, что упрощает обработку экспериментальных данных при оценке степени усадки.
Недостатками известного технического решения являются: 1) низкое качество записи голограмм и искажение результатов тестирования голографического светочувствительного материала из-за сложности обеспечения минимальной разницы длин оптических путей опорного и предметного пучков лазерного излучения до голографического светочувствительного материала, 2) снижение качества записи голограмм при длительной засветке голографического светочувствительного материала посредством картины интерференции опорного и предметного пучков лазерного излучения из-за слабой устойчивости оптической системы от вибраций при воздействии внешних факторов.
Известно техническое решение, представленное в устройстве тестирования голографических светочувствительных материалов (Патент на полезную модель РФ № 165622 «Устройство тестирования голографических светочувствительных материалов», МПК G03H 1/02, опубликован 27.10.2016), выбранное в качестве прототипа. В составе устройства имеется полупрозрачное зеркало, установленное по ходу распространения опорного пучка лазерного излучения непосредственно за голографическим светочувствительным материалом. При таком решении необходимый для записи отражательной голограммы предметный пучок лазерного излучения образуется путем отражения опорного пучка лазерного излучении от полупрозрачного зеркала, что избавляет от необходимости иметь отдельные элементы оптической схемы, формирующие именно предметный пучок лазерного излучении, кроме того, автоматически выполняется важное для интерференции опорного и предметного пучков лазерного излучении условие их синфазности и устойчивости от вибраций. Полупрозрачное зеркало выполняет также вторую функцию, а именно - обеспечивает прохождение зондирующего пучка белого света для регистрации с помощью спектрофотометра сигнала спектрального отклика отражательной голограммы, сформированной в голографическом светочувствительном материале. Оптические элементы этого устройства расположены так, что опорный пучок лазерного излучения падает на голографический светочувствительный материал под некоторым углом, а зондирующий пучок белого света направлен перпендикулярно к поверхности отражательной голограммы, сформированной в голографическом светочувствительном материале.
Недостатком данного технического решения является высокая погрешность оценки степени усадки голографических светочувствительных материалов.
Перед авторами стояла задача разработать устройство для тестирования динамики усадки голографического светочувствительного материала с направлением распространения опорного пучка лазерного излучения строго навстречу направлению распространения зондирующего пучка излучения белого света независимо от периодов решеток отражательных голограмм, используемых при таком тестировании.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для тестирования динамики усадки голографического светочувствительного материала, которое включает в себя корпус с расположенными в нем оптически связанные источник лазерного излучения; фотозатвор; зеркало; голографический светочувствительный материал; первое полупрозрачное зеркало с возможностью как прохождения сквозь него излучения зондирующего пучка белого света, исходящего от источника излучения белого света, так и отражения прошедшего сквозь голографический светочувствительный материал опорного пучка лазерного излучения для формирования предметного пучка лазерного излучения; спектрофотометр; блок управления и анализа дополнительно оснащено вторым полупрозрачным зеркалом, которое расположено по ходу распространения лазерного излучения перед голографическим светочувствительным материалом, и выполнено с возможностями как отражения падающего лазерного излучения для формирования опорного пучка лазерного излучения навстречу излучению зондирующего пучка белого света, так и прохождения излучения зондирующего пучка белого света; анализатором поляризации, который установлен перед спектрофотометром, и выполнен с возможностью блокировки попадания в спектрофотометр паразитного лазерного излучения; поворотной платформой, которая выполнена с возможностью азимутального поворота, на которой установлены голографический светочувствительный материал и первое полупрозрачное зеркало; а блок управления и анализа выполнен с возможностью формирования синхронизированных между собой управляющих сигналов на фотозатвор и спектрофотометр, а также автономного управляющего сигнала на поворотную платформу.
Техническим эффектом заявляемого технического решения является снижение погрешности оценки динамики усадки голографического светочувствительного материала.
На Фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства для тестирования динамики усадки голографического светочувствительного материала, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - фотозатвор, 3 - зеркало, 4 - голографический светочувствительный материал, 5 - первое полупрозрачное зеркало, 6 - зондирующий пучок белого света, 7 - источник излучения белого света, 8 - опорный пучок лазерного излучения, 9 - предметный пучок лазерного излучения, 10 - спектрофотометр, 11 - блок управления и анализа, 12 - вторе полупрозрачное зеркало, 13 - анализатор поляризации, 14 - поворотная платформа.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Заявляемое техническое решение позволяет формировать отражательные голограммы с различными периодами их решеток для использования при тестировании динамики усадки голографического светочувствительного материала. Корпус, заявляемого технического решения, содержит расположенными в нем оптически связанные источник лазерного излучения 1, фотозатвор 2, зеркало 3, голографический светочувствительный материал 4, первое полупрозрачное зеркало 5, источник излучения белого света 7, спектрофотометр 10, блок управления и анализа 11, второе полупрозрачное зеркало12, анализатор поляризации 13, поворотную платформу 14. При тестировании динамики усадки голографического светочувствительного материала 4 излучение источника лазерного излучения 1, проходит через фотозатвор 2, открытый синхронно с включением спектрофотометра 10 по сигналу от блока управления и анализа 11 на отрезок времени засветки голографического светочувствительного материала 4, отражается от зеркала 3, далее направляется на второе полупрозрачное зеркало 12, которым дополнительно оснащено устройство и которое расположено по ходу распространения лазерного излучения перед голографическим светочувствительным материалом и выполнено с возможностями как пропускания излучения зондирующего пучка 6 белого света, так и отражения лазерного излучения для формирования опорного пучка 8 лазерного излучения, который направляется на голографический светочувствительный материал 4, проходит сквозь него и отражается от первого полупрозрачного зеркала 5, вследствие чего образуется предметный пучок 9 лазерного излучения, который интерферирует с опорным пучком 8 лазерного излучения, и в результате этого в объеме голографического светочувствительного материала 4 в течение времени открытого фотозатвора 2 формируется отражательная голограмма. Одновременно с этим излучение зондирующего пучка 6 белого света, исходящее от источника излучения белого света 7 и направленное строго навстречу опорному пучку 8 лазерного излучения, проходит последовательно сквозь первое полупрозрачное зеркало 5, отражательную голограмму, сформированную в голографическом светочувствительном материале 4, второе полупрозрачное зеркало 12, анализатор поляризации 13, которым дополнительно оснащено заявляемое устройство и который установлен перед спектрофотометром 10 и выполнен с возможностью блокировки попадания в спектрофотометр 10 паразитного лазерного излучения. По истечении отрезка времени засветки голографического светочувствительного материала 4 посредством картины интерференции опорного 8 пучка лазерного излучения и предметного 9 пучка лазерного излучения по сигналу от блока управления и анализа 11 синхронно закрывается фотозатвор 2 и выключается спектрофотометр 10.
Заявляемое устройство также дополнительно оснащено поворотной платформой 14, на которой размещены голографический светочувствительный материал 4 и первое полупрозрачное зеркало 5. Поворотная платформа 14 выполнена с возможностью азимутального поворота, при котором изменяется угол падения опорного пучка 8 лазерного излучения на голографический светочувствительный материал 4, в результате этого в голографическом светочувствительном материале 4 может быть сформирована отражательная голограмма с периодом решетки, отличающимся от периода решетки, сформированной при другом значении угла падения опорного пучка 8 лазерного излучения на голографический светочувствительный материал 4. Опорный пучок 8 лазерного излучения всегда направлен строго навстречу излучению зондирующего пучка 6 белого света, поэтому при азимутальном повороте платформы 14 углы падения опорного пучка 8 лазерного излучения и излучения зондирующего пучка 6 белого света на голографический светочувствительный материал 4 идентичны.
Заявляемое устройство дополнительно оснащено анализатором поляризации 13, который установлен перед спектрофотометром 10 с возможностью блокировки паразитного лазерного излучения, как это представлено на Фиг. 1.
Блок управления и анализа 11 формирует синхронизированные между собой управляющие сигналы на фотозатвор 2 и спектрофотометр 10, а также автономный управляющий сигнал на поворотную платформу 14, и, кроме того, регистрирует и визуализирует экспериментальные данные.
Доказательство достижимости заявляемого технического эффекта основано на том, что в случае отсутствия усадки голографического светочувствительного материала 4 период решетки объемной отражательной голограммы, сформированной в голографическом светочувствительном материале 4, в результате интерференции опорного 8 пучка лазерного излучения и предметного пучка 9 лазерного излучения, равен
0
где  - длина волны лазерного излучения,  - углы падения (в воздухе) опорного 8 пучка лазерного излучения и предметного 9 пучка лазерного излучения относительно нормали к плоскости отражательной голограммы, сформированной в голографическом светочувствительном материале 4, n - среднее значение показателя преломления голографического светочувствительного материала 4 до засветки картиной интерференции опорного 8 пучка лазерного излучения и предметного 9 пучка лазерного излучения.
На практике в процессе записи отражательной голограммы и ее постобработки вследствие физико-химических процессов происходит уменьшение толщины и увеличение среднего значения показателя преломления голографического светочувствительного материала 4. Если излучение зондирующего пучка белого света 6 падает на решетку объемной отражательной голограммы под углом , то экспериментально наблюдаемая с помощью спектрофотометра 10 длина волны спектрального отклика (рефлекса) отражательной голограммы равна
где n - среднее значение показателя преломления голографического светочувствительного материала 4 в результате засветки картиной интерференции опорного 8 пучка лазерного излучения и предметного 9 пучка лазерного излучения, S - коэффициент физической (геометрической) усадки голографического светочувствительного материала 4.
0
Из выражения (2) видно, когда S = 1, а n = n, теоретически ожидаемая длина волны рефлекса равна
Мерой величины так называемой эффективной усадки голографического светочувствительного материала 4 является отношение длин волн экспериментально наблюдаемого и теоретически ожидаемого  рефлексов
0
0
Оценка динамики усадки голографического светочувствительного материала 4 будет тем точнее, чем меньше погрешностей содержит величина . При использовании устройства прототипа величина  определяется с большой погрешностью, т.к. из формулы (3) видно, если  и  имеют различающиеся значения и на практике измеряются с погрешностью более ±0.1°, а значение n обычно заимствуется из справочных данных и отличается от реального показателя для конкретного голографического светочувствительного материала на ±0.005 и более, то, например, при , , n = 1.5 ± 0.005 и = 632.81 ± 0.01 нм, погрешность величины  составляет ± 0.25 нм.
Теоретическое исследование формул (1) и (3) показывает, что при  (включая частный случай ) величина , которая обычно известна с погрешностью менее ± 0.01 нм (например, для источника лазерного излучения He-Ne лазера = 632.81 ± 0.01 нм). Видно, что в сравнении с погрешностью величины , реализуемой в устройстве прототипа, погрешность величины  в заявляемом устройстве меньше примерно в 25 раз, и за счет этого существенно снижена погрешность оценки динамики усадки голографического светочувствительного материала 4.
Таким образом, заявляемое техническое решение, при котором лазерное излучение опорного пучка 8 лазерного излучения всегда направлено строго навстречу излучению зондирующего пучка белого света 6 (т.е.), обеспечивает малую погрешность величины , и тем самым достигает технического эффекта снижения погрешности оценки динамики усадки голографического светочувствительного материала 4.
Кроме того, заявляемое техническое решение позволяет в одном устройстве формировать отражательные голограммы с высоким качеством записи за счет устойчивости от вибраций и с различными периодами решеток, тем самым расширяет ассортимент устройств данного назначения.
Работоспособность заявляемого устройства подтверждена экспериментально путем создания его макета и проведения соответствующих измерений. В макете использованы: в качестве голографического светочувствительного материала 4 - фотополимер BAYFOL HX TP из линейки продуктов компании Bayer MaterialScience AG (Германия); в качестве источника лазерного излучения 1 - He-Ne лазер с длиной волны излучения 632.81 ± 0.01 нм; в качестве спектрофотометра 10 - спектрофотометр AVASPEC-ULS2048CL-EVO (Avantes, Голландия) с погрешностью измерения ±0.1 нм; в качестве поворотной платформы 14 - поворотную платформу 8MR180-2 (Standa Ltd., Литва) с погрешностью установки угла поворота