Влияние постэкспозиционного прогрева на параметры объемных пропускающих голограмм, зарегистрированных на ДИФФЕНе

ВЛИЯНИЕ ПОСТЭКСПОЗИЦИОННОГО ПРОГРЕВА НА ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕМНЫХ ПРОПУСКАЮЩИХ ГОЛОГРАММ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ НА ДИФФЕНЕ О.В. Андреева, В.Т. Прокопенко, О.М. Ялукова

При разработке оптических приборов локации, связи и обработки информации большое значение приобретает проблема создания делителей лазерных пучков с заданными техническими характеристиками. При этом весьма эффективным является использование в таких делителях высококачественных объемных голограмм с высокой угловой и спектральной селективностями.

В настоящее время актуальной является разработка новых регистрирующих среддля высокоэффективных голограмм со стабильными свойствами.

Большой интерес представляют физико-химические процессы, происходящие в этих материалах под действием излучения, и влияние этих процессов на параметры объемных голограмм.

Целью данной работы является исследование изменений параметров объемных пропускающих голограмм, полученных на образцах различного синтеза с различными экспозициями, в процессе постэкспозиционного прогрева.

Голограммы изготовлены на основе новой регистрирующей среды ДИФФЕН, разработанной в ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" [1]. Исследуемые образцы получены при блочной полимеризации между стеклянными формующими пластинами растворов фенантренхинона (ФХ) в полиметилметакрилат (ПММА). Под действием излучения ФХ изменяет свою химическую структуру. Образовавшийся фотопродукт (семихиноновый радикал) присоединяется к молекуле ПММА и теряет свою подвижность. Спектр поглощения фотопродукта отличается от спектра поглощения ФХ. Разница этих спектров обусловливает и разницу их показателей преломления. При записи голограммы концентрация ФХ изменяется в объеме регистрирующей среды обратно пропорционально величине экспозиции, а концентрация фотопродукта - прямо пропорционально экспозиции. В результате в регистрирующей среде образуются две противофазные решетки. Фазовая модуляция результирующей решетки определяется модуляцией разницы показателей преломления (Дп) ФХ и его фотопродукта [2]. В процессе регистрации изменения Дп, обусловленные действием излучения, очень малы и позволяют получить голограммы с дифракционной эффективностью не выше нескольких процентов. Для увеличения дифракционной эффективности голограмм применяют постэкспозиционную обработку - прогрев образца при повышенной температуре. При таком прогреве подвижные молекулы ФХ диффундируют, что приводит к выравниванию концентрации ФХ по объему образца, деградации решетки из ФХ и увеличению Дп.

Были измерены основные параметры объемных пропускающих голограмм: дифракционная эффективность ДЭ^ (вертикальная поляризация лазерного излучения -электрический вектор колеблется перпендикулярно плоскости распространения пучков /0 и /¿), ДЭ11 (горизонтальная поляризация - электрический вектор колеблется коллинеарно этой плоскости), угловая селективность Д9. Из полученных данных рассчитывалось значение фазовой модуляции ф1 [3].

Расчет ДЭ производился по формуле:

П _

(10) внеБр

где (/0)внеБр - сигнал на фотодетекторе при /¿==0 / - интенсивность дифрагированного пучка), (/0)Бр - сигнал на фотодетекторе при /¿=шах (выполнение условия Брэгга).

Зависимость ДЭ от величины фазовой модуляции ф1 носит осциллирующий характер (рис. 1), и однозначное определение ф1 по измеренным значениям п для равномерных по глубине решеток заданной толщины может быть осуществлено с помощью сопоставления формы и параметров контура угловой селективности Д9 с рассчитанными по формулам Когельника [4].

Зависимость ДЭ

при этом ф1 = kn ± arcsinVn, (k=0,1,2,3...).

1,0 0,5

3п/2

ф1, рад

Рис. 1. Угловая селективность фазовых голограмм при различных значениях фазовой модуляции ф1

Постэкспозиционная обработка производилась прогревом образца в термостате, при температуре 50-60 оС. Скорость диффузии молекул ФХ зависит от температуры. Прогрев образца после завершения процесса регистрации голограммы ускоряет процесс деградации решетки из ФХ и приводит к значительному увеличению дифференциального показателя преломления Ли. Максимальный дифференциальный показатель преломления Ли зависит от пространственной частоты V и исходной концентрации ФХ [5]. Измерение параметров голограмм производилось на ^=632,8 нм (Не-Ые), в этой спектральной области нефиксированные рабочие образцы не обладают светочувствительностью. Измерение ДЭ голограмм во время прогрева образцов осуществлялось при комнатной температуре в течение короткого времени, которое существенно меньше скорости диффузии молекул красителя это не повлияло на характер протекания диффузионных постэкспозиционных процессов в образцах.

Нами были измерены ДЭ^, ДЭ11, рассчитана фазовая модуляция ф! и проанализированы данные зависимости от времени прогрева образцов и экспозиций Н. Исследовались образцы из различных синтезов, голограммы с различными экспозициями.

Рассматривались несколько образцов обычных синтезов:

• образец XIV-1, неразъемный от синтеза, заполимеризованный между стеклами, с экспозициями Н=0,25; 0,5; 1,0; 2,0 (Дж/см2),

• образец Х^-6, зажатый между стеклами всухую, с экспозициями Н=0,2; 0,4; 0,8 (Дж/см2),

• образец Х1-5 с экспозициями Н=0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 0,7 (Дж/см2).

Важно было сравнить жесткость матриц. Для этого исследовались специально изготовленные образцы "жесткого" синтеза XVI-2 с экспозициями Н = 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 0,7 (Дж/см2), и "мягкого" синтеза XVIII-1 с экспозициями Н = 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 0,7 (Дж/см2).

При прогреве образцов XIV синтеза у всех голограмм образца ХГУ-1 наблюдался резкий рост дифракционной эффективности ДЭ и фазовой модуляции ф1 в первые 30 часов прогрева, т.е. максимум ДЭ достигался при времени прогрева ¿пр <50 час. Это можно предположить, рассматривая контуры угловой селективности голограмм. Например, на голограмме №1 при ¿пр=75 часов (п=59,9 %) боковые лепестки ярко выражены, это соответствует 0 < ф1 < п/2, далее при ¿пр=101 час (п=67,8 %) боковые лепестки увеличились, после фиксирования (п=62,1 %) боковые лепестки исчезают (вырождаются). Сопоставляя контуры угловой селективности и осциллирующую кривую фазовой модуляции ф;, можно сделать вывод о том, что мы не переместились за п/2, а сместились вниз по кривой. Далее ход ДЭ и ф1 стабилизировался (весь ФХ равномерно распределился по образцу).

Образец XIV-6 отличается от XIV-1 тем, что у голограмм данных образцов разные экспозиции (рис. 2 и рис. 3). Здесь ДЭ и ф; монотонно увеличивались, не достигая 100 % ДЭ, и стабилизировались, как представлено на рис. 4.

ДЭ, % 90 л 80 70 60

50 40 30 20 10 0

0час.прогрева 101 час прогрева после

фиксирования

Н, Дж/см

0

0,5

1,5

Рис. 2. Зависимость ДЭ Х1У-1 от экспозиции Н, при разном времени прогрева

Кинетика прогрева образца XI-5 (обычный синтез) представлена на рис. 5. Центральная голограмма № 5 характеризуется наибольшей яркостью, т.е. ДЭ голограммы № 5 выше, чем у голограмм по краям.

На рис. 6 представлена зависимость ДЭ от экспозиции Н. Голограммы с малыми значениями экспозиций (Н=0,25, 0,5 Дж/см2) практически не меняют своих значений (при 25 и 119 часах прогрева, а также после фиксирования). Центральная голограмма № 5 с Н=0,7 Дж/см2 при 25 часах прогрева имеет ДЭ порядка 40 % и с увеличением

времени прогрева достигнутого значения практически не меняет. У голограмм с Н=1,0 и 2,0 Дж/см2 значительно увеличивается ДЭ при увеличении времени прогрева.

ДЭ, %

60 50 40 30 20 10 0

X

/ Г

/

/

А

1 /

12час прогрева

100часпрогрева

после

фиксирования

^ Дж/см

0

0,25 0,5 0,75 1

Рис. 3. Зависимость ДЭ от экспозиции Н при разном времени прогрева Х1У-6

и после фиксирования

ДЭ, %

Рис. 4. ДЭ образца Х1У-6 голограмм №1, №2, №3 в процессе постэкспозиционной обработки: прогрев, фиксирование

л

о К

О

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

100 80 60 40 20 0

ДЭ, %

Ё

I 5

1 1 9 I 3

4

ш

X X __

ж 1

-ц. ♦

50 100 150

время прогрева, час

Рис. 5. Кинетика прогрева Х1-5

200

> ^--!

} К

*-> ___

25час. прогрева 119 час. Прогрева после

фиксирования

Н, Дж/см

0

0,5

1,5

2

Рис. 6. Экспозиционная зависимость образца Х1-5

Экспозиционные зависимости ДЭ для ряда голограмм, полученных при различных условиях синтеза и постэкспозиционной обработки, приведены на рис. 7. При малых экспозициях видно, что образцы различных синтезов имеют близкие значения, при больших экспозициях у голограмм мягкого синтеза резко увеличивается значение ДЭ., Так как матрица мягкая, диффузия идет очень быстро. Стандартный синтез имеет ДЭ выше, чем жесткий, у жесткого синтеза ДЭ в зависимости от экспозиции практически не меняются, это обусловлено жесткостью матрицы, т.е. диффузия идет очень медленно.

0

1

ДЭ, %

80 70 60 50 40 30 20 10 0

л

J

f

)

1'

H, Дж/см

0 0,5 1 1,5 2

Рис. 7. Экспозиционные зависимости образцов XVIII-1, XIV-1, XVI-2

Рассмотрим образец "жесткого" синтеза XVI-2. Здесь отмечен очень медленный рост ДЭ и ф;, которые даже при значительном прогреве (112 часов) не превышают 10 % (рис. 8). Образец переполимеризован, т.е. матрица жесткая. Диффузия ФХ идет очень медленно, т.е. внутренние деформации слоя приводят к тому, что невозможно получить 100 % дифракционной эффективности.

ДЭ, %

10

8 6 4 2 0

№1  №2 о №3 • №4 а №5

tw, час

пр'

0

30 60 90 120

Рис. 8. Кинетика прогрева ХУ1-2

"Мягкий" синтез проиллюстрируем на примере образца XVIII-1, специально изготовленного для данной работы, который был заведомо недополимеризован. Уже после экспонирования при ¿пр=0 (без прогрева) голограммы 2, 3, 4, 5 имели высокие дифракционные эффективности - 20-70 % (рис. 9). Можно предположить что это обусловлено тем, что ФХ равномерно распределился по образцу уже во время съемки голограмм. У голограммы № 1 без прогрева п=5,7 %, а после 7 часов прогрева п=76,4 %, т.е. ф; увеличивается. Дальнейший прогрев привел к стабилизации значений ДЭ и ф1, а у голограмм 2, 3, 4, 5 наблюдалось падение ДЭ. Можно сделать вывод о том, что падение обусловлено уменьшением ф1.

ДЭ, %

Рис. 9. Кинетика прогрева образца мягкого синтеза XVIII-1

Выводы:

• отработаны методики измерения угловой селективности и ДЭ при двух направлениях поляризации падающего излучения на различных этапах постэкспозиционной обработки;

• максимальные значения ДЭ существенно определяются величиной экспозиции, условиями синтеза и режимами обработки экспонированных образцов;

• получены новые данные о регистрирующем полимерном материале ДИФФЕН, необходимые для использования этого материала в качестве регистрирующей среды для записи голографических оптических элементов.

Литература

1. Вениаминов А.В., Седунов Ю.Н., Попов А.П., Бандюк О.В. Постэкспозиционное поведение голограмм под влиянием диффузии макромолекул // Опт. и спектр. 1996. Т. 81. Вып. 4. С. 676-680.

2. Андреева О.В., Бандюк О.В., Парамонов А.А. и др. Объемные пропускающие голограммы в полимерной среде с фенантренхиноном

3. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973. С.261-282.

4. Koqelnik H. Coupled wave theory for thick hologram qrating // Bell Syst. Techn.J. 1969. Vol.48. №9. Р. 2909-2947.

5. Алексеев-Попов А.В., Гевелюк С.А. // ЖТХ. 1982. Т.52. Вып. 10. С. 2100-2102.