Введение к работе
1.1 Актуальность темы диссертации. Исследование взаимосвязи между свойствами молекул и характеристиками конденсированных упорядоченных и неупорядоченных сред занимает одно из центральных мест в физике твердого тела. Это обусловлено как фундаментальными, так и прикладными аспектами проблемы. В последние годы особый интерес для исследований представляют высокомолекулярные материалы для регистрации оптической и голографиче-ской информации - самопроявляющиеся слои дихромированного желатина (ДЖ), аморфные и стеклообразные полупроводники, полимеры и другие. Это обусловлено как развитием физики конденсированного некристаллического состояния вещества, так и с широким практическим применением этих материалов в оптической обработке информации, голографии, микроэлектронике и других областях науки и техники. Однако, по сравнению с высоким уровнем количественного описания и качественного понимания процессов, происходящих в кристаллических структурах, в области физики конденсированного некристаллического состояния вещества зачастую отсутствуют даже качественное объяснение ряда явлений, протекающих в таких процессах.
Одним из наиболее широко применяемых и перспективных материалов для регистрации оптической и топографической информации, оптической обработки информации являются слои ДЖ, в которых первичным процессом является фотоперенос электрона. Достоинствами этого носителя являются высокая разрешающая способность, низкий уровень шумов, высокая дифракционная эффективность и др. Но наряду с достоинствами имеется и ряд недостатков - плохая воспроизводимость результатов, трудоемкий процесс получения высококачественных голограмм и др. Разработанные недавно самопроявляющиеся слои дихромированного желатина (СПДЖ) позволили устранить такие недостатки. Однако, механизм светочувствительности таких систем, а также направление и эффективность фотофизических и фотохимических процессов, обуславливающих светочувствительность пока еще не установлены. Это связано, в частности с тем, что светочувствительный слой является сложной смесью макромолекул в студнеобразном состоянии. Очевидно, что твердое полимерное состояние среды с существенно отличными от кристаллов и стеклообразных твердых тел физико-химическими свойствами специфически влияет на первичные процессы фотопереноса заряда при фотолизе донорно-акцепторных комплексов, что, в свою очередь, затрудняет исследование материалов такого типа. Поэтому исследование фотопроцессов в таких сложных объектах, как самопроявляющиеся коллоидные системы представляются актуальным как для развития одного из фундаментальных направлений физики твердого тела, так и для расширения сферы практического применения такого типа материалов в голографии.
С другой стороны, традиционные дифракционные и электронно-микроскопические методы, успешно применяемые при исследовании кристаллических твердых тел, для таких материалов зачастую оказываются малоэф-
фективными и малоинформативными. В последние годы для исследований
первичных фотофизических и фотохимических процессов в конденсированных
средах начинают использоваться голографические методы, которые имеют ряд
преимуществ перед другими спектральными методами исследований фотохи
мических процессов. Однако, большинство исследований в основном ведется в
области изучения макроскопических параметров фотоиндуцированных изме
нений светочувствительных систем и вне поля зрения исследователей часто
остаются фундаментальные явления - первичные фотофизические и фотохи
мические процессы. В связи с этим представляется актуальным определить
возможность извлечения информации о подобных фундаментальных микро
скопических процессах непосредственно из результатов голографических ис
следований. t
В последних исследованиях основное внимание было уделено комплексному изучению отклика всей студнеобразной системы на световое воздействие, то есть были рассмотрены вторичные процессы и определена возможность управления ими для оптимизации голографических свойств самопроявляющихся ДЖ - систем. Учет этих данных позволяет, исключив влияние вторичных процессов, перейти к непосредственному изучению первичной фотохимической реакции, варьируя, например, за счет технологии синтеза, протекание вторичных процессов фотомодификации студнеобразной структуры. Также и определение величины собственной «красной» светочувствительности ДЖ позволяет по новому подойти к решению проблемы оптической сенсибилизации коллоидных систем к красному диапазону видимого спектра излучения, что весьма актуально для практических применений.
Таким образом, в целом, актуальной является проблема исследования взаимосвязи первичных фотофизических и фотохимических процессов с целью управления направленностью и эффективностью процесса записи топографической и оптической информации в самопроявляющихся коллоидных системах.
Дополнительную актуальность вопросам совершенствования самопроявляющихся сред на ДЖ обеспечивает и возможность их использования для записи «глубоких» голограмм и селектограмм, поскольку они позволяют реализовать действительно трехмерную, а не только пленочную регистрирующую голографическую память.
1.2 Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось исследование механизмов светочувствительности в самопроявляющихся желатиновых системах, сенсибилизированных к красному излучению, а также оптимизация оптических и голографических характеристик данных светочувствительных материалов. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование оптических и голографических свойств самопроявляющихся коллоидных систем, чувствительных к красной области спектра и выявление первичных фотохимических актов, инициирующих оперативную запись оп-
тической информации на носителях данного класса светочувствительных систем;
исследование оптических и голографических свойств конденсированных коллоидных самопроявляющихся систем при различных условиях синтеза и при различных соотношениях компонентов с целью повышения разрешающей способности и светочувствительности регистрирующей среды;
исследование макроскопических оптически наблюдаемых эффектов, обусловленных фотоиндуцированными внутриструктурными изменениями в конденсированной коллоидной системе и разработка методик исследования первичных фотопроцессов, происходящих при взаимодействии излучения с регистрирующей средой;
исследование фотоиндуцированного коллапса студнеобразной сетки полимерной матрицы и определение механизмов светочувствительности системы «полимер - краситель метиленовый голубой».
1.3 Объект и предмет исследования.
Объект исследования диссертационной работы - конденсированные желатин-глицериновые системы, в том числе сенсибилизированные к красной области спектра излучения.
Предмет исследования - первичные фотофизические и фотохимические процессы обуславливающие последующие фазоструктурные изменения в самопроявляющихся желатин-глицериновых системах при записи голограмм. 1.4. Научная новизна. В диссертационной работе впервые были получены следующие результаты:
показано, что при высоком влагосодержании слоя ДЖ можно вводить в состав эмульсии фотодубитель- дихромат аммония - в количестве до 50% по массе сухого желатина, что увеличивает светочувствительность с уровня 10 Дж/см2 до 200 мДж/см2, при стандартной методике проявления водой экспонируемого слоя;
Показано, что направление (увеличение или уменьшение) фотоиндуцированного красным излучением изменения показателя преломления зависит от соотношения концентраций между сенсибилизирующим красителем и дихроматом аммония в желатиновой матрице;
Экспериментально было обнаружено, что порядок фотохимической реакции, при записи голографической информации в системе СПДЖ, зависит от концентрации ионов хрома в последней;
Экспериментально было обнаружено, что при высоком влагосодержании в системе «полимер - метиленовый голубой» происходит фотоиндуцирован-ный коллапс студнеобразной полимерной матрицы, обусловленный сшиванием деметилированными молекулами красителя метиленового голубого соседних макромолекул полимера водородными мостичными связями;
экспериментально было показано, что ламинирование светочувствительного слоя существенно улучшает голографические характеристики самопроявляющейся конденсированной системы «дихромированный желатин-
метиленовий голубой» за счет устранения низкочастотных шумов, обусловленных дифференциальной усадкой слоя. 1.5.Практическая значимость. Результаты проведенных исследований послужили физической основой для разработки недорогих высокоэффективных сверхтолстых фазовых самопроявляющихся сред, способных работать в красной области спектра. Разработанные методом оптимизации голографических характеристик СПДЖ использовались при записи сверхглубоких голограмм и селектограмм, для разработки новых систем топографической памяти в рамках работ, проводящихся в Физико-Техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН. Способы оптической сенсибилизации стандартных и СПДЖ слоев к красному излучению использовались в работах по оптимизации голографических характеристик фотопластинок ПФГ-04М, выпускаемых АО «Славич», и для тестирования регистрирующих сред при серийном производстве изобразительных голограмм в НТФ «МеДиа».
Результаты исследований по синтезу сверхтолстых регистрирующих сред представляют практический интерес и для разработки высокочувствительных голографических датчиков сейсмических колебаний и для тиражирования компьютерных оптических дифракционных элементов для управления структурой лазерного излучения. 1.6. Защищаемые положения.
-
Доминирующим первичным механизмом, обеспечивающим красную светочувствительность самопроявляющейся конденсированной системы «дихро-мированный желатин - глицерин - метиленовый голубой», является однофо-тонный процесс фотопереноса электрона от электронодонорных групп желатина к возбужденной молекуле метиленового голубого. При этом последняя восстанавливается до лейкоформы и способна осуществить вторичный процесс переноса электрона к фотодубителю - иону хрома. При этом может происходить и побочная реакция фотодеметилирования молекул метиленового голубого. Повышение концентрации дихромата аммония до 50% по массе сухого желатина подавляет побочную реакцию и ведет к повышению светочувствительности.
-
Фотоиндуцированный коллапс в конденсированной системе «желатин -глицерин - метиленовый голубой» с влагосодержанием не менее 40% происходит при наличии свободной поверхности слоя и обусловлен фотодублением полимера деметилированными молекулами красителя метиленового голубого (МГ) за счет образования водородных связей. Сшивание деметили-рованной молекулой метиленового голубого происходит при поглощении двух фотонов излучения с длиной волны 0,63мкм.
-
Процесс фотоиндуцированного уменьшения показателя преломления в конденсированной системе «дихромированный желатин - глицерин- метиленовый голубой» происходит при концентрации дихромата аммония, на порядок превышающей концентрацию метиленового голубого, и имеет пороговый по интенсивности излучения характер. Пороговое значение интенсивности излучения, обуславливающее фотоиндуцированное уменьшение показа-
теля преломления, уменьшается с увеличением концентрации дихромата аммония. 4. Ламинирование (исключение свободной поверхности слоя) увеличивает дифракционную эффективность и разрешающую способность голографическо-го изображения, записанного на самопроявляющейся конденсированной системе «дихромированный желатин - глицерин - метиленовый голубой» за счет устранения модуляции поверхностного рельефа, обусловленного диф- ференциальной усадкой слоя в результате коллапса студнеобразной сетки. 1.7.Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках ГНТП «Фундаментальная метрология» и федеральной программы «Оптика. Лазерная физика», по планам Иркутского филиала Института Лазерной Физики СО РАН в рамках НИР «Развитие теории процессов взаимодействия излучения с веществом и разработка новых методов управления лазерным излучением (номер государственной регистрации 01.9.40 005837)». Часть работ выполнялась по плану сотрудничества ИФ ИЛФ СО РАН с Приднестровским государственным университетом в рамках научно-исследовательской программы №20-93 «Информационные характеристики топографического процесса и управление ими» (1993-1997 гг.). Работа частично финансировалась в рамках фантов РФФИ №94-02-05632а и №96-02- 16796а. 1.8.Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: XXIII, XXIV и XXV Международных школах по голографии (г. Москва, 1994г., 1996г., и г. Ярославль, 1997г.); Международном симпозиуме по оптико-информационным науке и технологии «OIST'97» (г. Москва, 1997 г.); II Международной конференции по микроэлектронике и компьютерным наукам (г. Кишинев, 1997); Школе-семинаре «Люминесценция и сопутствующие явления»(г. Иркутск, 1997); научных семинарах Московского института электроники и математики, Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН, Иркутского, Новосибирского, Кишиневского, Одесского и Приднестровского университетов, Института Лазерной физики СО РАН и др.
1.9. Личный вклад автора. Решение всех задач, сформулированных в диссер
тации, получено автором лично, либо при его определяющем участии. Поста
новка задач и разработка экспериментальных методик выполнены совместно с
научным руководителем и соавторами опубликованных работ. Эксперимен
тальные результаты, их получение и обработка, анализ и интерпретация прове
дены автором лично. Принадлежность указанных научных результатов лично
соискателю признана всеми соавторами и научным руководителем.
-
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 11 работ в отечественных и зарубежных изданиях
-
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения, списка используемой литературы из 100 наименований, содержит 70 рисунков и 1 таблицу. Общий объем диссертации составляет 155 страниц
