Год рождения голографии — 1947

Международный конкурс научно-технических работ школьников «Старт в науку»
Секция «Экспериментальная физика и астрономия»
Исследовательская работа на тему:
«Экспериментальное исследование фотополимерного
материала для голографии».
Работу выполнила:
ученица 11 класса
средней школы № 36 и
регионального научно-образовательного
центра «Логос»
Пучинина Мария Максимовна.
Научный руководитель:
кандидат технических наук
доцент кафедры общей физики
ЯГПУ им. К.Д. Ушинского
Жусь Галина Васильевна.
Ярославль 2012
Содержание
Введение……………………………………………………………………………………….……2
1. Физические основы голографии
1.1. Краткая история………………………………………………………………………….……4
1.2. Понятие голографии…………………………………………………………………….…….6
1.3. Процесс записи голограммы — интерференция света……………………………….…….6
1.4. Восстановление голографического изображения — дифракция света……………………9
1.5. Основные схемы записи голограмм……………………………………………………...…10
1.6. Классификация и свойства голограмм…………………………………………….………..11
1.7. Материалы для голографии……………………………………………………………….....11
2. Экспериментальное исследование фотополимерного материала
2.1. Изготовление фотополимерной композиции………………………………………………14
2.2. Экспериментальные схемы……………………………………………………………….....14
2.3. Зависимость дифракционной эффективности от времени экспонирования……………..15
2.4. Зависимость дифракционной эффективности от толщины слоя эмульсии……………....16
2.5. Влияние выцветания эмульсии на дифракционную эффективность……………………..16
Заключение………………………………………………………………………………………...17
Список использованных источников и литературы…………………………………………….18
Приложение: таблицы и графики зависимости дифракционной эффективности от времени
экспонирования, толщины эмульсии и выцветания пленки; фотографии экспериментальных
схем и приборов……………………………………………………………………..…………19-30
1
Введение
На современном этапе развития науки и техники всё большее значение приобретает запись,
обработка и хранение информации. Существуют различные способы записи аналоговой
информации: механический, магнитный, оптический и голографический. Преимущества
последнего заключаются в том, что голограмма дает возможность получить полную
информацию об объекте и обладает большой плотностью записи.
Голография — наука, изучающая способы регистрации и последующего восстановления
волнового фронта. Её физической основой является учение о волнах: в основе записи лежит
явление интерференции, в основе восстановления — явление дифракции. Голограммы
классифицируются в зависимости от схемы и способа записи (источник излучения, вид опорной
волны, положение объекта, регистрирующий материал и его фотохимическая обработка). Из
этого следует, что запись голографического изображения — сложный многопараметрический
процесс, проведение которого требует больших затрат времени и средств.
Качество голограммы в большой степени зависит от свойств светочувствительного
материала и его фотохимической обработки, поэтому важным направлением развития
голографии является получение качественных регистрирующих сред. В современной голографии
используется довольно большое количество различных видов материалов. В оптоэлектронике —
это кристаллы. В изобразительной голографии и в сфере производства голограмм, как средств
защиты от подделки производителя, различных документов, этикеток, марок, пластиковых карт
и др. — это преимущественно галогеносеребряные регистрирующие среды. Кроме того, в
последние годы активно ведутся исследования фотополимерных материалов. Их преимущество
заключается в меньшей стоимости материала и отсутствии фотохимической обработки.
Уже в течение продолжительного периода времени на базе лаборатории когерентной оптики
кафедры общей физики ярославского педагогического университета им. К.Д. Ушинского и
лаборатории фирмы «Смирнов-голография» ведется работа по оптической голографии, одним из
направлений которой является получение и изучение свойств различных фоточувствительных
материалов. В настоящей работе нами были проведены исследования фотополимерного
материала, в состав которого входят водорастворимые компоненты: акриламид, поливиниловый
спирт, триэтаноламин и сенсибилизатор: метиленовый голубой (для лазера с длиной волны
излучения 660 нм), эритрозин (для лазера с длиной волны излучения 530 нм).
Была
поставлена
цель:
исследовать
возможности
получения
качественного
голографического изображения в данной регистрирующей среде. Для её выполнения
необходимо было решить следующие задачи:
1. Снять тест-голограммы (дифракционные решетки);
2. Определить время экспонирования на определенной толщине слоя эмульсии, при котором
достигается наилучшее качество голограммы;
2
3. Выявить
оптимальную
толщину
слоя
эмульсии
при
определенном
времени
экспонирования;
4. Исследовать
зависимость
дифракционной эффективности
от
вышеперечисленных
параметров.
3
1. Физические принципы голографии
1.1. Краткая история
Год рождения голографии — 1947. Своим появлением она обязана электронной
микроскопии.[4]
В 40-х годах ХХ века группа английских ученых решала очень узкую техническую
проблему, связанную с возможностью получения высококачественных изображений объектов
атомных размеров. Речь шла об увеличении разрешающей способности электронного
микроскопа, которая зависела от электронной линзы. Из-за её сферической аберрации
изображения получались размытыми. В стеклянных линзах она исправляется довольно просто,
но здесь эти методы были не приемлемы. Значит, надо было искать иные пути решения
поставленной задачи. И вот английский ученый, венгр по происхождению, Денис Габор
высказал в 1947 году идею создания нового способа, который позволил бы получать
изображение объектов атомных размеров. Он предложил построить точную модель электронных
волн в световом диапазоне электромагнитного спектра, а затем устранить сферическую
аберрацию средствами обычной оптики. Для этого он предусматривал двухступенчатый
процесс, благодаря которому изображение предмета регистрируется с помощью пучка
электронов, а восстанавливается с помощью светового пучка. Принцип такого восстановления
состоит в следующем: наложение сложной волны, приходящей от объекта, на простую волну
записывается на фотопластинку, и затем необходимо осветить её простой волной, восстановив
исходную. Возникшее при этом изображение объекта оказывалось двухмерным или
трехмерным.
Габор назвал описанный метод методом восстановления волнового фронта — таким было
первоначальное название голографии. Фотографию волнового поля объекта, сделанную при
освещении его когерентным пучком света и представляющую собой интерференционную
картину, Габор назвал «голограммой» (от греческих слов: «голос» — полный, «грамма» —
запись). Для регистрации волнового фронта был необходим когерентный источник света, а
таковых тогда не было. Габор использовал дуговую ртутную лампу с монохроматором, поэтому
качество записи было невысоким, а на фотонегативе вместо одного, получалось два
сопряженных изображения предмета (действительное и мнимое), которые нельзя было
разделить.
Результаты своих экспериментальных работ Габор опубликовал в английском журнале
«Нейчур» в 1948 году, но они, казалось, имели частное значение. Метод голографии применялся
главным образом в электронной и рентгеновской микроскопии. Дальнейшее развитие
голографии упиралось в отсутствие мощного источника когерентного света. « Я рано изобрел
свой метод»,— говорил Габор.
4
В 1960 году был изобретен мощный источник когерентного монохроматического света —
лазер, и снова вспомнили о голографии. Поворотным для неё моментом стали работы двух
американских исследователей, Иммета Лейта и Юриса Упатниекса, которым удалось избавиться
от изображения-двойника. В 1964 году Лейт и Упатниекс, применив лазер, с помощью своей
двухлучевой схемы получили высококачественные объемные изображения. Это было поистине
второе рождение голографии. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера
в 1967 году.
Результаты
исследований
американских
ученых
послужили
толчком
для
начала
интенсивных научных работ по голографии во всем мире. С этого момента голография начала
широко применяться в науке и технике. В 1971 году Габору была присуждена Нобелевская
премия по физике за огромную практическую значимость голографии.
Существенную роль в развитии голографии сыграли работы советского физика, Юрия
Николаевича Денисюка. В 1958 году он начал самостоятельные исследования по получению
пространственных изображений без применения преломляющих оптических приборов. В
процессе работы возникла идея записи волнового поля во время его смешения с опорной волной.
Использовав
ртутную
лампу
с
монохроматором,
исследователь
получил
некоторые
положительные результаты. О методе Габора по восстановлению волнового фронта Денисюк
тогда ещё не знал, но уже получил первую простенькую голограмму вогнутого зеркала.
В основном направление работ Денисюка сводилось к выяснению возможности получить
объемное изображение в трехмерной среде. Появление лазера очень помогло его опытам. В 1962
году экспериментатор получил голограмму очень хорошего качества. Достоинство голограммы
Денисюка в том, что на стадии восстановления, её можно освещать лучами белого света,
например, солнца или электрической лампочки. Это послужило утверждению отличающегося от
предлагаемого Габором и Лейтом-Упатниексом направления в голографии. Появилась
трехмерная голография. Современная изобразительная голография в большой степени
базируется на методах, предложенных Денисюком.
В 1969 году Стивен Бентон изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном
белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они
переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона
позволило
начать
массовое
производство
недорогих
голограмм
путем
"штамповки"
интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня
для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография
обрела популярность в широких слоях общества.
В 1977 году Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму, состоящую из множества
обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной
плоскости. При перемещении такой голограммы в поле зрения можно увидеть все
запечатленные кадры.
5
После 70 годов основными направлениями развития голографии являлись: разработка
методики и определение параметров записи (схема, время записи, температура и время
проявления, тип фоточувствительного материала и др.), определение способов повышения
дифракционной эффективности, исследование различных регистрирующих сред, разработка
эффективных схем и совершенствование источников излучения для записи голограмм.
В
настоящее
время
интерес
к
голографии
по-прежнему
не
угасает.
Зачастую
голографическое производство сводится к выпуску голограмм, как средств защиты от
фальсификации различных документов, этикеток, марок, пластиковых карт и др.
Кроме того с развитием технологий и вычислительной техники стали популярны так
называемые цифровые голограммы, в которых изображение рассчитывается при помощи
компьютера и синтезируется из набора точечных голограмм. Синтезированные голограммы
отличаются от оптических (радужных) повышенной яркостью и простотой реализации
всевозможных кинетических эффектов.
Не пропадает интерес и к изобразительной голографии. Каждый год в различных городах
проходят масштабные выставки увлекательных голограмм многих видов: 2D и 3D голограммы,
мультиплексные и деметаллизированные голограммы, и др.
Современной голографии есть куда совершенствоваться и развиваться, поэтому её история
еще не закончена.
1.2. Понятие голографии
Голография — способ регистрации волнового фронта с его последующим восстановлением.
Слово «голография» произошло от греческих «holos», что означает «весь», «полный», и
«grapho» — «писать». Этим изобретатель голографии Габор хотел подчеркнуть, что в
голографии регистрируется полная информация о волне — как амплитудная, так и фазовая,
тогда как в обычной фотографии — лишь распределение квадрата амплитуды, то есть
интенсивности. Голограмма восстанавливает не двумерное изображение предмета, а поле
рассеянной им волны, что позволяет ощутить объем.
Физическая основа голографии — учение о волнах, зародившееся при Гюйгенсе в XVII веке.
Он утверждал, что каждую точку волнового фронта можно рассматривать как источник
элементарных волн, распространяющихся в первоначальном направлении со скоростью волны
(принцип Гюйгенса). На этот принцип опирается объяснение таких явлений, как интерференция
и дифракция света, лежащих в основе голографического процесса.
1.3. Процесс записи голограммы — интерференция света
6
Голограмма —
это
интерференционная
картина,
образованная волной от объекта и опорной волной.
Интерференция — явление, возникающее при наложении
двух или более волновых процессов, выражающееся в
перераспределении энергии волн в пространстве.[3]
Рассмотрим это явление при взаимодействии волн от
двух точечных когерентных источников излучения S 1 и S 2 (рис. 1), световые колебания которых
в произвольной точке М описываются соответственно уравнениями:
Ε 1= Ε 01 cos (ω t + φ 1 ) , где φ 1= 2π r / λ ;
Ε 2= Ε 02 cos(ω t+ φ 2 ) , где φ 2= 2 π r / λ .
Ε 01 , Ε 02 — амплитуды колебаний, λ — длина волн, ω — угловая частота, φ 1 , φ 2 — фазы, в
которых пришли колебания. Расстояние от источников до точки М — соответственно r 1 и r 2 .
Результирующее колебание в точке М может быть найдено сложением начальных
колебаний:
Ε = Ε 01 + Ε 02= Ε 01 cos(ω t + φ 1)+ Ε 02 cos (ω t + φ 2)= Ε 0 cos(ω t + φ ) , где
Ε 20= Ε 201+ Ε 202 + 2 Ε 01 Ε 02 cos(φ 1 − φ 2) ,
φ= arctg ((Ε 01 sin(φ 1 )+ Ε 02 sin(φ 2 ))/(Ε 01 cos(φ 1 )+ Ε 02 cos(φ 2 )))
(определяется из векторной диаграммы — рис. 2).
Там, где волны встречаются в одной фазе, то есть
φ 1− φ 2= 2 k π ,
и разность хода равна
r 1− r 2 = k λ , k= 0,1, 2,... ,
амплитуды их складываются, происходит усиление колебаний:
Ε 0= Ε 01+ Ε 02 .
Там, где волны встречаются в противофазе, то есть
φ 1− φ 2= (2 k + 1)π ,
и разность хода равна
r 1− r 2 = ( k + 1/2) λ , k= 0,1, 2,...
их амплитуды вычитаются, происходит ослабление колебаний:
Ε 0= Ε 01− Ε 02 .
В итоге, в пространстве образуется система стоячих волн, максимумы и минимумы
интенсивности света которых будут определяться в зависимости от разности фаз, то есть от
разности расстояний, пройденных волнами от источников до точки наблюдения М.
7
При записи голограммы когерентные волны от объекта
(объектная) и от источника (опорная) интерферируют, образовав
новую волну, постоянную во времени, которая записывается на
фотопластинку. Рассмотрим этот процесс на примере получения
голограммы точки (рис. 3).[3]
Пусть на расстоянии а от фотопластинки расположена точка
О, рассеивающая сферическую световую волну. Так же на
фотопластинку перпендикулярно к её поверхности падает плоская опорная волна. Так как для
всех точек фотопластинки, равноудаленных от её центра, фазовые соотношения падающих волн
одинаковы, то интерференционные полосы на ней будут иметь вид концентрических
окружностей. При переходе от кольца к кольцу разность хода между интерферирующими
волнами растет на одну длину волны (разность фаз — на 2 π ). В центре разность хода примем
равной нулю, тогда для k-го кольца она равна k λ , отсюда радиус k-го кольца
r 2k = ( a+ k λ )2 − a 2= 2 ak λ + k 2 λ 2 .
Расстояние между соседними кольцами тогда равно
Δ r k = ( a λ + k λ 2)/ r k .
Таким образом, голограмма точки представляет собой систему
концентрических колец, которая называется зонной решеткой Френеля
(рис. 4).
Световую волну, рассеянную сложным предметом, мы можем
рассматривать как совокупность волн, рассеянных отдельными его точками.
Рассмотрим также интерференцию плоских волн. Пусть
на фотопластинке сходятся две когерентные волны с
плоскими фронтами (рис. 5), угол падения одного из них —
φ 1 , другого — φ 2 .[3] Тогда на ней образуется система
интерференционных полос (рис. 6). Там, где волны придут в
фазе, будет светлая полоса, а где в противофазе — темная
полоса.
Если точки А и В соответствуют положениям двух
соседних полос, расстояние между которыми а, то разность
хода пучков 1 и 2 при переходе от А к В меняется на λ . Иначе говоря, сумма разностей хода
равна
Δ 1+ Δ 2= λ , где
Δ 1= a sinφ 1 , Δ 2 = a sinφ 2 .
8
Тогда a= λ /(sinφ 1 + sinφ 2 ) .
Всякую сколь угодно сложную волну можно представить как суперпозицию плоских волн.
1.4. Восстановление голографического изображения — дифракция света
Дифракция — отклонение света от прямолинейного распространения в среде с локальными
неоднородностями, при котором происходит перераспределение энергии волн.
Рассмотрим
конкретный
пример —
восстановления
голограммы точки (рис. 7).[3]
Осветим голограмму плоской световой волной, которая
освещала её при записи. Зонная решетка Френеля представляет
собой дифракционную решетку, чередование темных и светлых
полос (колец). Она разлагает перпендикулярно падающий
пучок света на три составляющие:
 пучок
нулевого
порядка,
являющийся
продолжением
падающего;
 пучки плюс первого и минус первого порядков под углами,
удовлетворяющими условию:
sinφ 1 = ± λ /Δ r = r k /( a+ k λ ) ,
где Δ r — постоянная решетки (расстояние между соседними кольцами).
Рассмотрим луч света, падающий на голограмму на расстоянии r k от её оси. Лучи плюс
первого и минус первого порядков отклонятся на углы ± φ k . Эти лучи (или их продолжения)
пересекут ось голограммы на расстоянии ± x от её поверхности.
x= r k ctgφ k = r k √1− sin2 φ k /sinφ k = √a2+ 2 ak λ + k 2 λ 2 − r 2k .
Подставив в формулу выражение для радиуса k-го кольца, мы получим что x= a .
Таким образом, мы получили, что лучи минус первого порядка пересекаются в одной точке,
а лучи плюс первого порядка исходят из одной точки. Вследствие этого, мы увидим
изображение точки.
Голограмму сложных предметов следует рассматривать как наложение зонных решеток,
образованных каждой его точкой. При восстановлении все они действуют независимо — каждая
восстанавливает волну от своей точки предмета, находящейся на том же месте, где она была при
голографировании.
Теперь рассмотрим восстановление плоских волн. Дифракционную решетку (рис. 6,7) с
постоянной а — осветим одним из начальных пучков, например 1. Известно, что угол падения
света на дифракционную решетку ( α ) и угол дифракции ( β ) связаны соотношением:
a(sinα + sin β )= k λ , k= 0,± 1,± 2,... .
9
Положив a= φ 1 и k= 1 , получим
sin β = λ /a− sinα = sinφ 1+ sinφ 2− sinφ 1= sinφ 2 ,
то есть β = φ 2 .
Таким образом, дифракционная решетка восстановила ту из начальных волн, которая
отсутствовала при восстановлении волнового фронта.
1.5. Основные схемы записи голограмм
Первоначально
схема
предложенная
(рис. 8)
получения
Габором
голограммы
предполагала расположение источника света,
объекта и фотопластинки на одной прямой.
Часть светового пучка рассеивалась объектом,
создавая предметную волну, а нерассеянная
часть была опорной волной. Недостаток этой
схемы заключался в том, что при восстановлении лучи, образующие действительное и мнимое
изображения, а так же пучок нулевого порядка, распространяются в одном направлении и
создают взаимные помехи.
Лейт и Упатниекс, усовершенствовав
схему
Габора,
двухлучевую
предложили
схему
свою
голографирования
(рис. 9), в которой предмет освещается
отдельным когерентным пучком света. Это
позволило
получить
непрозрачных
и
трехмерных
голограммы
объектов,
свободных от взаимных помех мнимого и действительного изображений. В настоящее время, как
правило, используют именно эту схему.
Ю.Н. Денисюк предложил использовать
трехмерные среды для регистрации голограмм
и впервые реализовал запись во встречных
волнах (рис. 10). В этом случае волны,
прошедшие
сквозь
фотопластинку
и
отраженные от объекта, интерферируют в
объеме регистрирующего слоя, образовывая систему стоячих волн. Их можно зарегистрировать
при условии, что толщина слоя эмульсии намного больше расстояния между соседними
интерференционными полосами.
10
1.6. Классификация и свойства голограмм
Голограммы могут быть классифицированы в зависимости от различных параметров [1]:
1. Толщина слоя эмульсии.
Если
при
регистрации
интерферирующих
волн
используется
только
поверхность
регистрирующей среды, то получаются плоские или поверхностные голограммы. Когда же
трехмерная интерференционная картина регистрируется по всей глубине слоя эмульсии, то
образуется толстая или объемная голограмма.
2. Отражение света от голограммы или прохождение через неё.
Соответственно голограммы делятся на отражательные или пропускающие.
3. Регистрация параметров объектной волны.
Голограмма, в которой зарегистрирована амплитуда объектной волны, называется
амплитудной, а в которой фаза волны — фазовой.
4. Положение объекта.
Если объект расположен близко к фотопластинке, то получается голограмма Френеля. Если
объект находится далеко от регистрирующей среды, то записывается голограмма Фраунгофера.
В случае, когда объект и опорный источник находятся в одной плоскости, параллельной
плоскости фотопластинки, получается голограмма Фурье.
Также существуют мультиплексные голограммы, которые получаются путем многократной
записи изображений на одну и ту же фотопластинку.
Описанная классификация голограмм не является полной, приведены лишь основные их
виды, но есть и много других.
Кроме того, голограмма обладает рядом важных свойств:
1. Каждый участок голограммы способен восстановить изображение всего объекта;
2. Псевдоскопичность действительного изображения;
3. Способность восстанавливать несколько последовательно зарегистрированных световых
волн;
4. Способна передать градации яркости до пяти-шести порядков.
1.7. Материалы для голографии
Важную роль в получении качественных голограмм играют регистрирующие среды. Они бывают
двух типов: галогеносеребряные и несеребряные. Последнии включают в себя бихромированную
желатину, фоторезисты (электрооптические материалы, изменяющие показатель преломления
при фотовозбуждении), фототермопластики (материалы, изменяемые рельеф при нагреве, а
значит и показатель преломления), фотохромные материалы, фотополимеры. Остановимся более
подробно на тех, которые чаще используются:
11
1. Галогеносеребряные материалы состоят из мельчайших кристалликов галогенида
серебра, взвешенных в слое желатина. Когда на кристаллики падает свет, они поглощают
оптическую энергию, что
металлического
серебра,
ведет
к
образованию
являющихся
центрами
в
них
крошечных
проявления.
Число
вкраплений
кристалликов,
содержащих центры проявления, больше в тех местах, где освещенность при экспонировании
фотоэмульсии была высокой, и меньше там, где освещенность была мала. При помещении
фотопластинки в проявитель происходят сложные химические реакции, в результате которых в
кристаллах, содержащих центры проявления, происходит полный переход серебра в
металлическое состояние, в то время как кристаллы, не содержащие центров проявления, остаются
без изменения. Зерна металлического серебра не прозрачны, следовательно, те места
фотоэмульсии, на которые воздействовала большая освещенность, будут темными, а те
места, освещенность которых была низка - почти прозрачными. Таким образом, проявленная
фотоэмульсия содержит негативное изображение распределения освещенности. Преимущество
эмульсии галогенида серебра состоит в том, что по сравнению с другими записывающими
материалами, эта эмульсия требует меньшей освещенности при экспонировании. Это позволяет
использовать менее мощные лазеры, но при этом все равно изготавливать хорошие
голограммы. Пластинки, покрытые галогенидами серебра, обладают значительным сроком
хранения, которым не отличаются другие записывающие материалы. Однако поскольку
они имеют гранулированную структуру, то рассеивают больше света, чем другие записывающие
материалы.
2. Одной из часто используемых несеребряных сред являются слои бихромированной
желатины (БХЖ). Она представляет собой высокомолекулярную, сложную среду, поэтому
формирование изображения на этом материале довольно-таки непростое и зависит от ряда
химических процессов, происходящих в нем под действием света. Чувствительность слоев БХЖ
к свету зависит от вида соли, используемой в качестве сенсибилизатора. Запись голограмм
на БХЖ производится аргоновым или гелий-кадмиевым лазерами. Проявление происходит в воде
с последующим фиксированием в изопропиловом спирте и горячей сушкой. Голограммы на
БХЖ являются фазовыми. Они отличаются высокой дифракционной эффективностью,
яркостью, широким углом обзора. На этом материале можно получать очень точные
изображения, на которых почти отсутствует зернистость, кроме того, они хорошо
отражают свет. Однако он не выдерживает длительного хранения, обладает высокой
чувствительностью к изменениям окружающих условий, у него большое время экспонирования
(по сравнению с материалами на основе галогенидов серебра).
3. Фотополимеры — сравнительно новые записывающие материалы. Они обладают теми же
преимуществами, что и БХЖ: дают четкое изображение, мелкую, почти отсутствующую
структуру и очень хорошо отражают свет. Фотополимеризующиеся слои не требуют
проявления и поэтому допускают работу практически в реальном масштабе времени.
12
Фотополимеры —
это
полимеры,
полученные
в
результате
инициированных
фотохимических процессов. Такие процессы представляют собой цепную реакцию и чаще всего
носят свободнорадикальный характер. Свободные радикалы, являющиеся основным элементом
образования фотополимера, формируются либо прямым разложением веществ, называемых
инициаторами, в результате фотохимической реакции при поглощении кванта света, либо в
результате сенсибилизированного действия определенного красителя. Квантовый выход
реакции фотополимеризации мономеров, определяемый как отношение числа поглощенных
квантов к числу прореагировавших молекул мономера, обуславливает достаточно высокую
светочувствительность фотополимерных материалов. Образование полимера при экспонировании
приводит к изменению показателя преломления или толщины слоя из-за изменения плотности
вещества, что позволяет формировать трехмерные и двухмерные голограммы чисто фазового типа.
Голограммы, полученные на фотополимерах, обладают достаточной стабильностью, и
преимущество их перед другими регистрирующими средами в том, что при снятии
голограмм не требуется проявка.
13
2. Экспериментальное исследование фотополимерного материала
2.1. Изготовление фотополимерной композиции
Для исследования возможностей голографической записи на фотополимерном материале
использовался описанный в литературе [8] и доработанный состав эмульсии на основе
водорастворимых
компонентов:
полимера
матрицы
поливинилового
спирта,
мономера
акриламида, сенсибилизатора, донора-акцептора триэтаноламина.
Количественный состав компонентов композиции:
 200 г дистиллированной воды;
 12 г акриламида;
 15 г поливинилового спирта;
 5 мг метиленового голубого (для лазера с длиной волны излучения 660 нм — красного
лазера) или эритрозина (для лазера с длиной волны излучения 530 нм — зеленого лазера);
 18г триэтаноламина.
Вещества необходимо растворить в воде в указанном порядке. Первые два — при
температуре 90 градусов, остальные — при комнатной температуре, в затемненном помещении.
Фотопластинки получали высушиванием фотополимерной композиции в течение суток, на
стеклянной пластине в горизонтальном положении.
2.2. Экспериментальные схемы
Эксперимент
проводился
в
лаборатории
когерентной оптики кафедры общей физики ЯГПУ,
где оборудован специальный голографический стенд
УИГ-1 (см. приложение 10), в котором относительная
устойчивость
элементов
голографических
схем
обеспечивается при помощи воздушных подушек. В
качестве
источников
использовались
когерентного
излучения
полупроводниковые
лазеры,
работающие в одночастотном режиме. Красный лазер
STL 650 имеет мощность 40 мВт. Зеленый лазер Viashu имеет мощность 40 мВт.
Для снятия дифракционных решеток (тест-голограмм) и голограмм объектов использовалась
схема Лейта-Упатниекса(для красного лазера — рис. 11, для зеленого лазера — рис. 12).
Для измерения дифракционной эффективности (ДЭ) использовались геле-неоновый лазер,
фоточувствительный элемент, микроамперметр Ф195 (рис. 13) (см. приложение 11).
Для
измерения
толщины
слоя
эмульсии
использовался
прибор
«Микрон-01»
(см. приложение 12).
14
2.3. Зависимость дифракционной эффективности от времени
экспонирования
Дифракционная эффективность — это отношение интенсивности излучения первого спектра
дифракционной решетки ( Ι 1 ) к интенсивности источника излучения ( Ι 0 ):
D= Ι 1 /Ι 0 .
Для каждой фотопластинки производилось пятикратное измерение ДЭ. Затем вычислялось её
среднее значение:
D ср.= ( D1 + D2 + D 3+ D4 + D5 )/ 5 .
Также была вычислена средняя квадратичная погрешность измерений для каждой пластинки по
формуле:
Δ D ср.= √Σ Δ D2i /(5(5− 1)) , где
Δ D i = Dср. − Di .
Таким образом, выявлена зависимость ДЭ фотополимерного материала от времени
экспонирования с использованием красного и зеленого лазеров.
1. Красный лазер.
Снят ряд тест-голограмм с толщиной слоя эмульсии около 190 мкм, время экспонирования
которых от 10 с до 19 мин. Вычислена их ДЭ и погрешность измерений (см. приложение 1).
Установлено, что при времени экспонирования меньше минуты, решетка не получается, далее с
ростом времени ДЭ повышается от 2,5% (при 1 мин) до 46,6% ( при 15 мин), затем она остается
неизменной. Построен график зависимости ДЭ от времени (при данной толщине) с шагом 2 мин от
1 мин до 19 мин (см. приложение 2).
2. Зеленый лазер.
Снят ряд тест-голограмм с толщиной слоя эмульсии около 170 мкм, время экспонирования
которых от 10 с до 23 мин. Вычислена их ДЭ и погрешность измерений (см. приложение 3).
Установлено, что при времени экспонирования меньше минуты, решетка не получается, далее с
ростом времени ДЭ повышается от 1,9% (при 1 мин) до 52,4% ( при 19 мин), затем она остается
15
неизменной. Построен график зависимости ДЭ от времени (при данной толщине) с шагом 2 мин от
1 мин до 23 мин. (см. приложение 4).
Обе зависимости можно объяснить тем, что с ростом времени экспонирования все больше
акриламида полимеризуется. До прекращения реакции полимеризации ДЭ будет расти, пока не
станет константой.
2.4. Зависимость дифракционной эффективности от толщины слоя
эмульсии
Выявлена зависимость ДЭ фотополимерного материала от толщины слоя эмульсии для
голограмм, снятых с использованием красного и зеленого лазеров.
1. Красный лазер.
Снят ряд тест-голограмм со временем экспонирования 11 мин, затем измерена их толщина
эмульсии, которая варьируется от 100 мкм до 280 мкм. Вычислена их ДЭ и погрешность
измерений (см. приложение 5). Установлено, что сначала ДЭ повышается с ростом толщины, пока
не достигнет максимально возможного значения (45,2%) при толщине 210 мкм и при данном
времени экспонирования, затем начинает снижаться. Построен график зависимости ДЭ от
толщины слоя эмульсии (при данном времени экспонирования) (см. приложение 6).
2. Зеленый лазер.
Снят ряд тест-голограмм со временем экспонирования 11 мин, затем измерена их толщина
эмульсии, которая варьируется от 70 мкм до 280 мкм. Вычислена их ДЭ и погрешность измерений
(см. приложение 7). Установлено, что сначала ДЭ повышается с ростом толщины, пока не
достигнет максимально возможного значения (60,7%) при толщине 130 мкм и при данном
времени экспонирования, затем начинает снижаться. Построен график зависимости ДЭ от
толщины слоя эмульсии (при данном времени экспонирования) (см. приложение 8).
Обе зависимости могут быть объяснены тем, что, пока ДЭ не достигла максимального
значения, акриламид полимеризуется полностью, но чем толще слой, тем ярче решетка. Затем
при большей толщине начинает не хватать времени экспонирования для полной полимеризации
вещества, а следовательно ДЭ падает.
2.5. Влияние выцветания эмульсии на дифракционную эффективность
В процессе исследования фотополимерного материала было установлено, что после записи
на него решетки эмульсия выцветает, если находится на свету. Кроме того, при этом её ДЭ
повышается на 1-15%. Изменения ДЭ пластин после выцветания эмульсии на голограммах,
снятых на красном и зеленом лазерах, приведены соответственно в таблицах (см. приложение 9).
16
Заключение
В ходе работы получены следующие результаты:
1. Был апробирован режим экспериментального изготовления фотополимерного материала
для лазеров с различной длиной волны излучения: 660 нм и 530 нм.
2. Выявлена зависимость ДЭ фотополимерного материала от времени экспонирования с
использованием красного и зеленого лазеров.
 Красный лазер.
Установлено, что при снятии меньше минуты, решетка не получается, далее с ростом времени
ДЭ повышается от 2,5% (при 1 мин) до 46,6% (при 15 мин), затем она остается неизменной.
 Зеленый лазер.
Установлено, что при снятии меньше минуты, решетка не получается, далее с ростом времени
ДЭ повышается от 1,9% (при 1 мин) до 52,4% (при 19 мин), затем она остается неизменной.
3. Выявлена зависимость ДЭ фотополимерного материала от толщины слоя эмульсии для
голограмм, снятых с использованием красного и зеленого лазеров.
 Красный лазер.
Установлено, что сначала ДЭ повышается с ростом толщины, пока не достигнет
максимально возможного значения (45,2%) при толщине 210 мкм и при времени экспонирования
11 мин, затем начинает снижаться.
 Зеленый лазер.
Установлено, что сначала ДЭ повышается с ростом толщины, пока не достигнет
максимально возможного значения (60,7%) при толщине 130 мкм и при времени экспонирования
11 мин, затем начинает снижаться.
4. Было установлено, что при выцветании эмульсии дифракционная эффективность решетки
повышается на 1-15%.
В перспективе, мы планируем продолжить исследование фотополимерного материала,
немного изменив пропорциональный состав композиции для повышения ДЭ. Также хотим
записать голограммы различных типов, нанося разные толщины слоя эмульсии не только на
стеклянную пластинку, но и на пленочную подложку. Кроме того, будем исследовать временную
сохранность полученных голограмм.
17
Список использованных источников и литературы
1. Априль Ж.
Оптическая голография: Пер. с англ./ Под ред. Г. Колфилда./ А. Арсено, Н. Баласубраманьян
и др.— М.: Мир. 1982. — 736 с., ил.
2. Ландсберг Г.С.
Оптика: 6-е изд., стереот.—М.:ФИЗМАТЛИТ, 2003.—848 с.
3. Островский Ю.И.
Голография и её применение. Издательство «Наука», Ленинград 1973. 180 с.
4. Пирожников Л.Б.
Что такое голография? — 2-е изд., доп.— М.: Моск. Рабочий, 1983.—191 с.
5. Франсон М.
Голография. Перевод с французского Балашовой С.И. Под редакцией Островского Ю.И.
Издательство «Мир», Москва 1972. 248 с.
6. http://www.holography.ru/mainrus.htm
7. http://www.hologr.com/
8. http://vak.ed.gov.ru/common/img/uploaded/files/vak/announcements/himich/2009/0604/SHelkovnikovVV.pdfhttp://www.holograte.com/rus/holorgaphy.htm
(автореферат диссертации Шелковникова В.В. «Светочувствительные органические и
гибридные материалы для оптических дисков, нелинейной оптики и голографии»)
18
Приложение 1
Красный лазер:
Время
ДЭ, %
Средняя
экспонирования, № измерения
мин
1
2
3
4
5
Среднее квадратичная
значение погрешность, %
1
2,7
2
2,7
3
2,3
2,54
0,18
3
6,7
6,3
5
5,7
6
5,9
0,3
5
8
8,3
7,7
8,7
8
8,14
0,15
7
16,7
16
16,3
16,7
16,7
16,48
0,14
9
27,7
27,7
27,3
26,3
27
27,2
0,3
11
33,3
33
33,3
33,7
31
32,9
0,5
13
40
40,3
42
40,7
39
40,4
0,4
15
46,7
47
47,3
47,3
45
46,6
0,5
17
47
46,3
48,7
47,7
47
47,3
0,5
19
46,7
47
47,3
47,3
47
47,06
0,11
Надежность 2/3.
19
Приложение 2
График зависимости ДЭ от времени экспонирования с красным лазером при толщине
эмульсии 190 мкм.
20
Приложение 3
Зеленый лазер:
Время
ДЭ, %
Средняя
экспонирования,
№ измерения
Среднее
мин
квадратичная
1
2
3
4
5
значение погрешность, %
1
2
1,7
2,3
1,7
2
1,94
0,11
3
4,7
5
5,3
4,7
5
5
0,12
5
10
11
11,3
10,3
9
10,3
0,3
7
20
21,3
20,7
19,7
20
20,3
0,3
9
25,3
25
25,7
26
26
25,6
0,2
11
30
30,3
31
29,7
31
30,4
0,3
13
38
40
39,3
38,7
36
38,4
0,7
15
43,3
44
44,7
42,3
43
43,5
0,5
17
45,3
45,7
44,3
45
45,3
45,1
0,3
19
53,3
50
53,3
52
53,3
52,4
0,7
21
55,3
55
55,3
51
52
53,7
0,9
23
54
53
53,3
54,7
53
53,6
0,4
Надежность 2/3.
21
Приложение 4
График зависимости ДЭ от времени экспонирования с зеленым лазером при толщине
эмульсии 170 мкм.
22
Приложение 5
Красный лазер:
Толщина
ДЭ, %
Средняя
эмульсии, мкм
№ измерения
Среднее
квадратичная
1
2
3
4
5
значение погрешность, %
100
16,7
16
16,7
17
15
16,3
0,4
120
18
17
18,3
18,3
18,7
18,1
0,3
150
20
20,7
21,3
19,7
20,3
20,4
0,4
180
26,7
26,7
25,7
26,3
26
26,3
0,2
200
35
35,3
35,3
34
35,7
35,1
0,3
210
45
45,7
45,3
45
44,7
45,14
0,17
220
36,7
36,7
36,3
35,7
36
36,3
0,2
260
20
22
21,3
20,7
19
20,6
0,6
280
17
16,3
17,3
17
16,7
16,86
0,17
Надежность 2/3.
23
Приложение 6
График зависимости ДЭ от толщины эмульсии при времени экспонирования 11 мин с
красным лазером.
24
Приложение 7
Зеленый лазер:
Толщина
ДЭ, %
Средняя
эмульсии, мкм
№ измерения
Среднее
квадратичная
3
4
5
значение
погрешность, %
2
70
28
27,7
28,3
25,7
27
27,3
0,6
80
33,3
32
33
32,7
33
32,8
0,3
100
38
39,3
37,3
37
37,7
37,9
0,4
110
50
49,3
49
49,7
49,3
49,46
0,18
130
60
60,3
59,7
62,7
61
60,7
0,6
150
46,7
45
45,3
47,7
47,3
46,4
0,6
180
30
31,3
33,3
29,7
30
30,9
0,7
210
20
20,7
22,3
20,7
20
20,7
0,5
240
18
17,7
18,3
18
17,7
17,94
0,11
280
16,7
16,3
15
15,7
16,7
16,1
0,4
Надежность 2/3.
25
Приложение 8
График зависимости ДЭ от толщины эмульсии при времени экспонирования 11 мин с
зеленым лазером.
26
Приложение 9
Время
Красный лазер
Зеленый лазер
экспонирования,
ДЭ до
ДЭ после
ДЭ до
ДЭ после
мин
выцветания, %
выцветания, %
выцветания, %
выцветания, %
1
2,5
4,7
1,9
2,7
3
5,9
13,3
5
6,7
5
8,1
13,3
10,3
13,3
7
16,5
26,7
20,3
21,3
9
27,2
30
25,6
26,7
11
32,9
36,7
30,4
40
13
40,4
42
38,4
41
15
46,6
50
43,5
44
17
47,3
48,7
45,1
47
19
47,1
50
52,4
58
21
53,7
60
23
53,6
56,7
Надежность 2/3.
27
Приложение 10
Схема записи дифракционных решеток.
28
Приложение 11
Схема измерения дифракционной эффективности.
29
Приложение 12
Прибор для измерения толщины.
30