Исследование динамических характеристик процесса записи голограмм в самопроявляющихся системах на основе дихромированного желатина

Актуальность темы

связана с широким применением в оптической технологии устройств и полимерных материалов и с необходимостью управления их оптическими и голографическими свойствами. Голограммы, зарегистрированные в светочувствительных слоях толщиной порядка миллиметров, имеют ряд свойств, которые могут быть широко использованы в разработке оптических элементов современных устройств оптических информационных процессоров, в системах оптической памяти с мультиплексной записью информации и т. д. Вместе с тем надо отметить, что несмотря на длительное время существования голографии, реально для записи используются двумерные слои или пленки, а процесс регистрации существенно трехмерных голограмм пока недостаточно изучен и теоретически и, особенно, экспериментально в связи с отсутствием надежных и недорогих объемных регистрирующих сред.

В современных голографических исследованиях также необходимы самопроявляющиеся регистрирующие среды для записи голограмм — это голографическая и спекл-интерферометрия, оптическая обработка изображений, динамическая голография. Для получения таких голограмм оказываются непригодными большинство известных регистрирующих сред, поскольку при их обработке, как правило, происходит изменение структуры слоев по толщине за счет, например, усадки в фотоэмульсиях.

Одним из наиболее перспективных материалов подобного рода является дихромированный желатин (ДЖ). Данный материал обеспечивает при записи фазовых голограмм предельно высокое значение дифракционной эффективности (ДЭ), низкий уровень шумов, высокую разрешающую способность, дешев и доступен. Фотохимические реакции, приводящие к структурированию биологических полимеров типа желатина, лежат в основе процессов формирования голограмм и рельефных изображений. Регистрирующие среды па основе хромированных коллоидов (ХК) и, в частности дихромированного желатина (ДЖ), нашли широкое применение для записи высококачественных изобразительных голограмм, создания элементов компьютерной и интегральной оптики. В последние десятилетия достигнут значительный прогресс в понимании природы процессов, происходящих при формировании голограмм в ХК и ДЖ, реализованы режимы самопроявления и проявления парами воды, исследованы фотоиндуцированные и фазоструктурные изменения слоев ХК и ДЖ. Сравнительно недавно предложено использование слоев ДЖ большой толщины для регистрации оптической информации в режиме самопроявления (СПДЖ), что является перспективным для решения ряда голографических задач. В то же время актуальными остаются проблемы повышения светочувствительности, расширения области спектральной чувствительности подобных материалов, повышения воспроизводимости результатов и достижения стабильности параметров при хранении голограмм.

Рассмотрение процесса структурообразования в ДЖ является очень актуальным в связи со сложностью его структуры, с необходимостью управления свойствами и качеством на различных стадиях изготовления. Большую роль при этом играет глубокое понимание механизмов превращения вещества на различных уровнях его структурной организации под влиянием разных факторов, выделение главных факторов изменения и управляемых ими параметров, знание способов избирательного действия и контроля параметров превращений. Характер превращений в биоподобных материалах, каковым является и желатин, зависит от устойчивости и восприимчивости их к тепловым и межмолекулярным взаимодействиям, действию излучения, химически активных компонент. При проведении исследования необходимо учитывать свойства составляющих, возможную химическую активность промежуточных продуктов превращений, пространственную структуру.

Следует отметить, что традиционные дифракционные и электронно-микроскопические, а также спектроскопические методы, успешно применяемые при исследовании кристаллических твердых тел, для таких материалов зачастую оказываются малоэффективными и малоинформативными.

Механизмы светочувствительности самопроявляющихся хромированных систем такие, как фотохимические и фотофизические процессы, обуславливающие светочувствительность, пока еще не изучены до конца.

Недавние исследования по использованию лазерного ИК отжига для управления структурой слоя на основе СПДЖ показали, что рассеянное излучение лазера с ^=1,06 мкм (к которому данная среда не светочувствительна), позволяет существенно сократить период студенения (созревания) слоя, увеличить светочувствительность, и повысить ДЭ записываемой голографической структуры. Однако, количественные данные по режимам многоимпульсного лазерного ИК отжига не были обоснованы к моменту постановки настоящей работы.

В связи с вышеизложенным актуальным является количественное исследование способов синтеза гель-коллоидных систем, исследование их изменений при записи голограмм, при действии ИК лазерного излучения и при неравновесных, квазиимпульсных, методах формирования (проявления) фазового рельефа.

Целыо работы является разработка физических принципов управления структурой гель-коллоидных регистрирующих сред при внешнем импульсном воздействии на слои и определение характеристик процесса регистрации в них голографической информации в зависимости от параметров и условий синтеза, проявления и режимов записи голограмм. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1) частотно-временной анализ поведения ДЭ в зависимости от интенсивности записи в сухих и самопроявляющихся слоях ДЖ;

2) исследование поведения ДЭ при прерывистом экспонировании с целью определение механизма влияния состава эмульсии на ее кинетику;

3) частотно-временной анализ поведения ДЭ в зависимости от режима предэкспозиционного воздействия (в частности инфракрасного лазерного отжига), определение на основе результатов этого анализа механизмов, определяющих поведение и максимально достижимое значение ДЭ;

4) оптимизация образующейся при студенении структуры гель-коллоидной системы способом импульсного воздействия мощным инфракрасным (ИК) лазерным излучением и под действием импульсной струей водяного пара.

Методы исследования. Для исследования динамики изменения свойств желатиновых светочувствительных систем использовался голографический метод — результат воздействия того или иного физического и/или технологического фактора определялся по изменению дифракционной эффективности тестовой голографической решетки, которая была записана предварительно либо непосредственно в процессе воздействия на саму систему. Для анализа и интерпретации экспериментальных результатов применялся метод вейвлет-апализа.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые экспериментально показано, что добавление изопропилового спирта в состав дихромированной желатиновой эмульсии в количестве 110 объемных процентов обеспечивает увеличение скорости записи голограмм и увеличивает светочувствительность подобной самопроявляющейся регистрирующей среды.

2. Впервые исследована кинетика формирования рассеивающей линзы при воздействии лазерного излучения на слой ДЖ, выявлены изменения индикатрисы рассеяния самопроявляющегося слоя в течение процесса записи, и показано, что изменение угла рассеяния зависит от концентрации пластификатора в системе.

3. Впервые исследована кинетика ДЭ при фракционировании экспозиции, и выявлено изменение коэффициента пропускания в перерывах между экспозициями. Экспериментально показано, что величина и направление такого изменения зависят от наличия или отсутствия в слое пластификатора, а также от суммарного времени экспозиции и от соотношения длительности экспозиции и времени между экспозициями.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут послужить физической основой для разработки недорогих высокоэффективных сверхтолстых фазовых самопроявляющихся сред, способных работать и в красной области спектра. Впервые определены оптимальные параметры импульсного инфракрасного отжига, позволяющие управлять контрастностью, светочувствительностью и дифракционной эффективностью самопроявляющихся слоев дихромированного желатина. Отработана методика паровой сенсибилизации слоев, с помощью которой была увеличена светочувствительность в красной спектральной области таких коллоидных систем, что позволяет применять подобные среды для голографической и спекл-интерферометрии реального времени.

Результаты исследований по синтезу сверхтолстых регистрирующих сред представляют практический интерес при разработке высокочувствительных голографических датчиков колебаний и компьютерных оптических дифракционных элементов для управления структурой лазерного излучения.

Голографическая методика выявления последствий действия внешних факторов па коллоидную систему по изменению величины ДЭ позволяет использовать хромированные желатин-глицериновые слои и многослойные системы из них в качестве модельных при исследовании процессов взаимодействия лазерного излучения с биологическими объектами.

Защищаемые положения:

1. Добавление изопропилового спирта в состав дихромированной желатиновой эмульсии в количестве 1−10 объемных процентов увеличивает светочувствительность эмульсии в 2−4 раза. Порог фотохимической реакции записи голограмм существенно зависит от состава слоя и составляет 6−15 Дж/см для слоев ДЖ без пластификаторов (глицерин, изопропиловый спирт), 1,5−2 Дж/см для слоев с глицерином, 16−50 Дж/см для слоев с изопропиловым спиртом.

2. Фракционирование экспозиции (прерывистое освещение или запись с накоплением энергии) при записи голограмм на самопроявляющихся слоях дихромированного желатина сопровождается изменением коллимированного коэффициента пропускания в перерывах между экспозициями. Величина и направление изменения зависят от наличия или отсутствия в слое пластификатора (глицерина, изопропилового спирта), а также от накопленной плотности энергии экспозиции. Формирование устойчивого изображения достигается за время порядка 120−240 сек и требует плотности энергии порядка 60−120 Дж/см2, в зависимости от состава и толщины слоя.

3. ИК лазерный отжиг позволяет управлять голографическими характеристиками СПДЖ, поскольку результирующее поведение ДЭ определяется соотношением двух процессов — высокочастотного (характерные времена — 20−40 сек) и низкочастотного (характерные времена — 60−100 сек). Высокочастотный процесс связан с формированием задубленных участков среды, включая все промежуточные стадии: от поглощения кванта излучения до образования связи Сг3± желатин. Низкочастотный процесс связан с разрушением записанного изображения вследствие диффузии. Соотношение между высокочастотными и низкочастотными процессами зависит от состава эмульсии и интенсивности записывающего излучения.

Связь с государственными программами и проектами.

Диссертационная работа связана с планами научно-исследовательских работ, проводимых в Иркутском Высшем Военном Авиационном Инженерном Училище (Военном Институте) на кафедре электрооборудования и оптоэлектронных средств воздушной разведки в рамках темы НИР «Спекл-оптические методы исследования поверхностей и подповерхностной структуры объектов для анализа трибологических процессов» по проекту Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 05−08−33 639. Ранее работа осуществлялась при частичной поддержке РФФИ в рамках проекта № 01−02.

17 141 и по проекту МНТЦ № 2057Р European Office of Aerospace Research and Development USA.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of optoand microelectronics (APCOM) «(Владивосток -2003, 2005 гг., Хабаровск — 2004 г.) — VI Региональной школе-семинаре молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск, 2005) — «Научной сессии МИФИ-2005», на конкурсе научных работ молодых исследователей Самарского Научного Центра Российской Академии Наук (Самара — 2003) (где докладу по части диссертационной работы было присуждено третье место) — на научном семинаре Самарского филиала Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (2004) — на Иркутских городских научно-методических семинарах «Физика наукоемких технологий», научных семинарах и рабочих совещаниях Самарского филиала ФИАН, Иркутского Высшего Военного Авиационного Инженерного Училища (Военного Института), Иркутского Государственного университета, Иркутского Государственного Технического Университета, Иркутского Государственного Педагогического Университета, Дальневосточного Государственного Технического Университета и Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссертации, получено автором лично, либо при его участии. Постановка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Экспериментальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы (123 наименования), изложенных на 158 страницах и содержит 53 рисунка.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых в работе задач. Определена цель работы. Изложены научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.

В первой главе описан объект исследования и рассматриваются данные по изучению первичных и вторичных механизмов светочувствительности в слоях ДЖ, выделяются фазо-структурные переходы, ответственные за процесс записи. Обобщена информация о структурах, возникающих в ДЖ на различных уровнях организации и степени устойчивости таких структур. Определено, что большую роль в формировании структуры слоя в целом играет вода, при этом показано, что гидратные оболочки молекул желатина находятся на грани стабильности. Рассмотрены возможности изменения свойств слоев ДЖ путем введения пластификаторов, дана классификация пластификаторов, традиционно применяемых в слоях ДЖ. На основе приведенных данных выделены вопросы, исследование которых актуально для развития современных представлений о процессах в нелинейных регистрирующих средах для голографии.

Во второй главе приведены результаты исследования временных характеристик записи скрытого изображения (СИ) в сухих слоях ДЖ с помощью методов вейвлет-анализа. Определены динамические особенности процесса записи при различных интенсивностях воздействия.

На основе данных вейвлет-анализа выявлено, что в слое одновременно идут два процесса: процесс записи изображения и процесс «размывания» изображения, вызванный диффузией ионов хрома вдоль слоя. При малой интенсивности характерное время «размывания» изображения составляет около.

150 сек. Увеличение интенсивности приводит к преобладанию процесса записи над процессом «размывания».

В третьей главе исследовались временные характеристики процессов, происходящих при записи голограмм на различных длинах волн, в сухих слоях с последующим проявлением парами воды. В одном случае запись производилась гелий-кадмиевым лазером (^=0,44мкм), считывание проводилось гелий-неоновым лазером (^=0,63мкм), проявление парами воды происходило непосредственно после окончания записи. Во втором случае запись и считывание велось гелий-неоновым лазером, и был реализован режим дозаписи, т. е. проявление и запись осуществлялись параллельно по времени. С помощью вейвлет-преобразовапия проведен сравнительный анализ процессов, происходящих ДЖ-системах в обоих случаях. Выявлено наличие двух процессов — высокочастотного и низкочастотного, определены их характерные времена. Показано также, что низкочастотные компоненты выражены гораздо сильнее и локализованы намного хуже для случая записи гелий-неоновым лазером.

В четвертой главе исследовались изменения, происходящие под действием лазерного излучения при регистрации голограмм, в СПДЖ-эмульсиях. Выявлено, что под действие излучения в слое формируется фазовая структура, которая обладает индикатрисой рассеяния, изменяющейся с увеличением суммарной плотности энергии экспозиции. Определены механизмы изменения индикатрисы рассеяния, показана их зависимость от состава регистрирующего слоя. Исследованы изменения характерного времени фотохимической реакции в зависимости от наличия в эмульсии пластификаторов (глицерина, изопропилового спирта) и от интенсивности записывающего излучения. Показано, что кинетика фотохимической реакции при режиме прерывистого освещения (или фракционирования экспозиции) существенно зависит от режима фракционирования, суммарной плотности энергии экспозиции и от состава регистрирующего слоя.

Пятая глава посвящена исследованию методом вейвлет-анализа поведения ДЭ при различных режимах лазерного ИК отжига. Показано, что кинетика ДЭ имеет различное поведение в зависимости от суммарной плотности энергии и режима отжига. Для каждого из четырех режимов отжига выявлена оптимальная плотность энергии отжига, которая определяется взаимодействием ИК квантов с аквакомплексами, что приводит к ослаблению водородных связей и облегчает фазо-структурпые переходы при записи изображения. Проведенный вей влет-анализ кинетики ДЭ показал, что результирующее поведение ДЭ отожженных слоев определяется соотношением двух процессов — высокочастотного и низкочастотного. Определены характерные времена и природа этих процессов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Вейвлет-анализ кинетики ДЭ при различных интенсивностях записи выявил, что как в сухих, так и в самопроявляющихся слоях, одновременно происходят два процесса: запись изображения (образование сшивок) и «размывание» изображения (разрушение сшивок). Интенсивность записывающего излучения приводит к изменению соотношения между этими процессами: увеличение интенсивности ведет к преобладанию процесса записи, уменьшение интенсивности — к преобладанию процесса размывания и уменьшению его характерного времени, которое составляет в сухих слоях около 150 сек, а в толстых слоях 50−60 сек.

2. Эксперименты по измерению коллимированного коэффициента пропускания в различных условиях показали, что в слое ДЖ под действием лазерного излучения с А,=633 нм формируется рассеивающая структура типа линзы. Индикатриса рассеяния этой структуры изменяется во времени (с изменением суммарной плотности энергии экспозиции), что вызвано циклическим изменением фазового набега с течением времени. Показано также, что изменение угла рассеяния зависит от концентрации пластификатора в системе.

3. Исследовано влияние пластификаторов на скорость и порог фотохимической реакции. Показано, что добавление глицерина в эмульсию снижает порог реакции, значительно увеличивает скорость реакции, но практически не влияет на чувствительность эмульсионного слоя. Добавление в эмульсию ИПС повышает порог реакции, но при этом в целом увеличивает скорость фотохимической реакции, а чувствительность эмульсии возрастает в 2−4 раза.

4. Показано, что в желатиновой эмульсии почти вся вода находится в свободном состоянии и поэтому введение пластификатора не может нарушать гндратную оболочку молекул желатина по механизму конкуренции за водородные связи с молекулами воды.

5. Исследовано поведение ДЭ при фракционировании экспозиции. Показано, что в перерывах между экспозициями наблюдаются изменения коэффициента пропускания. Величина и направление изменения зависят от наличия или отсутствия в слое пластификатора, а также от суммарного времени экспозиции и от соотношения длительности экспозиции и времени между экспозициями, что объясняется формированием в слое жесткого каркаса молекулярных сшивок под действием лазерного излучения.

6. Исследование временных характеристик кинетики ДЭ при различных режимах предэкспозиционного лазерного ИК отжига показало, что оптимальный режим отжига и оптимальная суммарная плотность энергии отжига (около 20 Дж/см) определяется взаимодействием ИК квантов с аквакомплексами, что приводит к ослаблению водородных связей и облегчает фазо-структурные переходы при записи изображения.

7. Выявлена возможность управлять свойствами слоя, меняя суммарную плотность энергии отжига, т.к. результирующее поведение ДЭ отожженных слоев определяется соотношением двух процессов — высокочастотного (характерное время 20−40 сек) и низкочастотного (характерное время — 60−100 сек). Высокочастотный процесс — это процесс образования сшивки, включая все промежуточные стадии: от поглощения кванта излучения до образования связи «Сг3± желатин». Низкочастотный процесс связан либо с размыванием записанного изображения, либо с расходом энергии экспозиции на восстановление водородных связей.

8. На основе данных вейвлет-анализа кинетики лазерного ИК отжига предложена численная характеристика для описания свойств слоя — «объем под вейвлет-поверхностыо, нормировннный на срез по наибольшему масштабу». Чем меньше «нормированный объем», тем лучше голографические характеристики слоя.

Т.о., изучение процессов, происходящих при записи изображения в слоях ДЖ, позволяет выделить четыре основных процесса, определяющих результат записи. Соотношение вкладов этих процессов изменяется в зависимости от состава слоя, его толщины, а также от характеристик воздействия — интенсивности излучения, длительности и режима экспозиции, наличия или отсутствия предэкспозиционных воздействий:

1. Разбалтывание водородных связей, перестройка структуры слоя в целом, таким образом, чтобы новая структура была оптимальна для дальнейшего перехода «спираль-клубок» и образования сшивки. Именно эти процессы определяют порог реакции. Длительность этого процесса определяется состоянием гидратных оболочек макромолекул желатина и подвижностью компонент эмульсии в целом, поэтому характерные времена этого процесса имеют значительный разброс и составляют для СПДЖ от 4 до 100 сек.

2. Процесс образования сшивок, приводящий к записи изображения в целом. Является основным «полезным» процессом, поэтому одинаково важен для любых модификаций слоев ДЖ. Имеет очень сильную зависимость от интенсивности. Характерные времена составляют единицы и десятки секунд (от 5 сек по данным для фракционирования в слоях с глицерином, до 20−40 сек по данным для отжига). При низкой интенсивности (1 мВт/см и менее) могут достигать 150 сек (в сухих слоях с проявлением парами воды).

3. Процесс размывания изображения. Идет по двум основным каналам: диффузия ионов хрома и разрыв уже образовавшихся сшивок из-за большой подвижности компонент эмульсии. В случае тонких слоев ДЖ разрушение изображения идет в основном за счет первого механизма, а в толстых СПДЖ слоях подключается второй механизм из-за большей подвижности компонент самопроявляющегося слоя по сравнению с сухим. Данный процесс обратен процессу образования сшивок, при малой интенсивности активно конкурирует с ним. Имеет характерные времена от 50−60 до 150 сек.

4. Предельный случай размывания изображения — восстановление первичной структуры водородных связей — имеет место в слоях с очень большой подвижностью компонентов (например вследствие чрезмерно большой суммарной плотности энергии отжига) или в слоях с низкой интенсивностью записи. Характерные времена составляют порядка 100 сек.

Заключение

.