Введение к работе
1.1. Актуальность темы. Исследования фотоиндуцированных фазовых переходов в аморфных и упорядоченных средах занимают одно из центральных мест в современной физике твердого тела. Это связано как с фундаментальными, так и прикладными аспектами проблемы. Все возрастающее применение фотоиндуцированных фазоструктурных переходов в регистрирующих средах при фотографической и голографической записи и хранении информации также вызывает быстрое развитие этого раздела физики. Тем не менее, достижения теории фотоиндуцированных фазовых переходов имеют пока ограниченный характер - зачастую даже отсутствуют качественные модельные представления, позволяющие адекватно описать явления, происходящие, например, в пленочных структурах при регистрации оптической информации.
Среди наиболее широко исследуемых и применяемых в
голографии регистрирующих сред особое место по своим уникальным
свойствам занимают слои дихромированного желатина (ДЖ). Слои ДЖ
являются также хорошим модельным материалом для изучения
основных характеристик фазовых переходов различной природы в
частично упорядоченных и квазикристаллических пленочных системах.
Но, хотя история исследования и применения ДЖ уже перевалила за
полуторавековую черту в механизме записи оптической информации на
слоях ДЖ остается очень много неясного. Так, принято считать, что
запись голограмм происходит за счет светового дубления желатина и это
часто трактуется как совершенствование трехмерного каркаса
межмолекулярных связей или, иными словами, как фотоиндуцированное
формирование квазикристаллической структуры задубленного желатина.
Но рентгеноструктурные исследования показали рост степени
аморфизации желатина при экспонировании, а отнюдь не рост степени
кристалличности структуры. Причины возникающей в ДЖ сильной
модуляции показателя преломления связываются с самыми
разнообразными процессами - от внутримолекулярного перехода
«спираль-клубок» до чисто механического растрескивания слоя при
сушке в изопропаноле, но полного объяснения оптическим свойствам
среды не дают. Изощренные попытки описать на химическом языке
процессы, происходящие в слое ДЖ при его засветке и обработке, также
не дали реальных результатов. Использование физических подходов для
описания структурных превращений (хорошо развитых в разделе физики
твердого тела - статистической физике полимеров) для описания
явлений в ДЖ при записи голограмм пока имеют фрагментарный и
непоследовательный характер. Поэтому многочисленные
экспериментальные результаты по применению слоев ДЖ в голографии трудно сопоставимы и часто противоречивы. Это может быть объяснено как несовпадением технологий синтеза сред на основе ДЖ, так и отсутствием единой сенситометрической системы для описания фазовых голографических сред.
С физической точки зрения фотографическая регистрация информации всегда осуществляется посредством специально организованного фазового перехода в веществе. Поэтому исследование механизма записи в слоях ДЖ может привести к пониманию процессов взаимодействия излучения с аморфными телами и фотоиндуцированных конформационных переходов в полимерных и неупорядоченных средах.
Принято считать, что разрешающая способность ДЖ определяется размером молекулы желатина, однако при повышении уровня задубленности ДЖ, что является способом эффективного увеличения размера исходной молекулы, снижения разрешающей способности замечено не было. Более того, высокозадубленный слой ДЖ, являясь единой макромолекулой с высокими эластоупругими свойствами, позволяет регистрировать голографическую информацию с разрешением не хуже 1000 лин/мм, что даже в случае дискретной регистрирующей галоидосеребряной среды требует применения специальных высокоразрешающих фотоэмульсий.
ДЖ как сложная, иерархически организованная система, могущая испытывать различные структурные превращения является одним из наиболее перспективных не только в практическом, но и в исследовательском плане, объектом. Желатин как полимер обладает многими характеристиками, близкими к реальным биологическим объектам - белкам, ДНК, ферментам и др. Поэтому его изучение способствует достижению прогресса в понимании биохимических и биофизических процессов жизнедеятельности и, наоборот, использование результатов, полученных в биологии, позволяет представить более ясную картину взаимодействия излучения с ДЖ и разработать способы управления процессом регистрации голограмм.
1.2.Целью диссертационной работы является исследование структурных превращений и фазовых переходов в слоях дихромированного желатина и определение характеристик процесса записи в них голографической информации в зависимости от технологических параметров и условий синтеза и проявления подобных регистрирующих сред.
Основные задачи, которые решались при исследовании фазоструктурных переходов в ДЖ, состояли в следующем:
- разработка и обоснование сенситометрической системы для
описания голографических свойств фазовой регистрирующей среды на
основе ДЖ;
разработка физической модели конформационных превращений макромолекул желатина, учитывающей наличие взаимодействия с материалом подложки;
определение параметров и условий синтеза и проявления слоев ДЖ для селективного выделения определенных структурных переходов в желатине и их целенаправленного изменения;
определение голографических характеристик слоев ДЖ, включая их спектральную светочувствительность.
1.3. Методы исследований. Для решения поставленных задач
были выполнены комплексные исследования фазовых переходов при
регистрации голографической информации в слоях ДЖ, работающих в
различных режимах - водного и кислотного проявления, проявления
водяными парами и самопроявления. Интерпретация экспериментальных
результатов осуществлялась с привлечением методов статистической
физики полимеров и физики твердого тела, коллоидных и дисперсных
систем, физики поверхностных явлений и результатов биохимических
исследований белковых систем, а также голографических и оптических
методов анализа процессов взаимодействия когерентного излучения с
веществом. Также широко использовались методы теории
фотографического процесса и технологии синтеза фотоэмульсий.
-
Связь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в рамках ГНТП «Фундаментальная метрология» и по плану Иркутского филиала Института Лазерной Физики СО РАН. Часть работ осуществлялась при поддержке РФФИ в рамках фанта № 96-02- 16796а.
-
Научная новизна работы состоит в том, что впервые показана превалирующая роль структурных внутримолекулярных и надмолекулярных фазовых переходов желатина при записи на них голографической информации и, в частности:
выявлены основные параметры синтеза слоев ДЖ, обеспечивающие максимальную эффективность процессов структурных превращений при регистрации голограмм;
исследованы зависимости голографических характеристик слоев ДЖ от условий регистрации голограмм и свойств исходной желатиновой эмульсии;
определены физические причины полихроматичности первичной фотохимической реакции в слоях ДЖ;
выявлены причины собственной светочувствительности ДЖ в красной области спектра;
- предложена и обоснована концепция механизма записи
голограмм в хромированных коллоидах, позволяющая оптимизировать
параметры последних путем управления процессами синтеза и
проявления слоев;
- определен механизм формирования фазового рельефа в слоях
ДЖ под действием некогерентного излучения и показана возможность
эффективного контактного копирования дифракционных оптических
элементов.
1.6. Практическая значимость работы. Проведенные
исследования способствовали разработке фазового регистрирующего
материала для записи голограмм, обладающего воспроизводимыми и
оптимальными характеристиками по сравнению с известными
стандартными слоями ДЖ. Предложен способ сенситометрического
испытания слоев ДЖ, позволяющий определить необходимые для
записи голограмм свойства материала.
Разработаны способы синтеза глобулярных и фибриллярных слоев ДЖ, позволяющие оптимизировать характеристики голографических и компьютерных оптических элементов, а также улучшить характеристики рельефных фазовых голограмм.
Выявленное влияние структуры слоя ДЖ на его светочувствительность к красному излучению позволяет существенно модифицировать процесс копирования голограмм, а также приступить к разработке процессов цветного голографирования на одном носителе записи. Метод контактного копирования дифракционных структур некогерентным излучением от стандартных источников освещения позволяет значительно упростить процесс тиражирования синтезированных компьютерных оптических элементов.
Результаты исследований использовались при разработке серийного производства радужных голограмм на базе НТФ «МеДиа».
1.7. Защищаемые положения:
1. Запись оптической информации в дихромированном желатине
(ДЖ) происходит за счет двух фазовых переходов. Во-первых, под
действием фотовозбужденных ионов хрома происходит изменение
структуры участка .цепи макромолекулы желатина по механизму
фазового внутримолекулярного перехода «спираль-клубок». Во-вторых,
происходит изменение каркаса макромолекулярных связей в
желатиновом слое.
2. Численные параметры фазовых переходов, такие как
энергетическая светочувствительность, пороговая плотность
интенсивности экспонирующего излучения и времена релаксации, на
порядок отличаются друг от друга. Управление характеристиками этих процессов эффективно осуществляется на уровнях химического состава эмульсии, условий полива, вариации свойств подложки и режима проявления слоев ДЖ.
-
Центром скрытого изображения в ДЖ является участок цепи макромолекулы желатина, переходящий под действием фотовозбужденного иона хрома из спирализованного в клубковое конформационное состояние. При проявлении экспонированного слоя ДЖ происходит значительное уменьшение размера центра скрытого изображения. Предельная разрешающая способность слоя ДЖ поэтому зависит от энергии экспозиции и режима проявления и составляет от 200 до 2000 А.
-
Собственная светочувствительность слоя ДЖ к излучению красного спектрального диапазона обусловлена комплексами ионов хрома, локализованными в области ядра глобулы макромолекулы желатина. Поэтому для обеспечения максимальной светочувствительности к излучению красного спектрального диапазона и некогерентному белому свету необходимо использовать слои ДЖ с глобулярной структурой.
1.8. Апробация работы: Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и
семинарах: XXIII, XXIV и XXV Международных школах-симпозиумах
по когерентной оптике и голографии (г.Москва, 1994, 1996 гг и г.
Ярославль, 1997 г.); научно-практической конференции по материалам
для голографии (г. Переславль-Залесский, 1996 г.); конференции-
коллоквиуме SPIE по голографии (г. Киев, 1997 г.); Международном
симпозиуме по оптико-информационным науке и технологии -
«OIST'97» (г. Москва, 1997 г.); II Международном симпозиуме
«Современные проблемы лазерной физики» (г. Новосибирск, 1997 г.);
научных семинарах Новосибирского и Иркутского университетов,
Московского института электроники и математики, Физического
института им. П.Н. Лебедева РАН, Института Лазерной Физики СО РАН.
1.9. Личный вклад автора. Экспериментальные результаты, их
получение и обработка, анализ и интерпретация проведены автором
лично. Постановка задач и разработка экспериментальных и
технологических методик выполнены совместно с научным
руководителем и соавторами опубликованных работ.
-
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных работ.
-
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения и списка литературы (180 наименований), изложенных на 192 страницах и содержит 39 рисунков и 7 таблиц.