Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Роль диффузии в формировании экспозиционной характеристики многокомпонентных фотополимеризующихся композиций 14
1.1 Механизмы неоднородной фотополимеризации жидких мономеров 15
1.2 Диффузионные процессы в многокомпонентных фотополимеризующихся средах 26
1.3 Пространственно-частотные характеристики наведенных неоднородностей показателя преломления многокомпонентных ФПК 33
1.4 Собственные шумы ФПК с инертными компонентами 39
ГЛАВА 2 Регистрация голограмм в фотополимеризующихся средах с инертной компонентой малой вязкости 46
2.1 Частотно-контрастная характеристика слоя многокомпонентной ФПК 47
2.2 Экспериментальное исследование процесса записи объемных голограмм в ФПК с метанолом 53
2.3 Голографическая диагностика распределения показателя преломления в полимерных голограммах 58
2.4 Оптическое формирование рельефных голограмм из ФПК 65
2.5 Пороговые эффекты процесса записи голограмм 69
ГЛАВА 3 Использование собственных неоднородностей фотополимеризующейся композиции для записи и восстановления полутоновых изображений 77
3.1 Зависимость статистических характеристик собственных неоднородностей ФПК от интенсивности инициирующего полимеризацию излучения 78
3.2 Оптическое усиление фазовых неоднородностей в слое ФПК 82
3.3 Оптические системы для формирования полутоновых изображений светорассеивающими транспарантами 87
3.4 Экспериментальное исследование процессов записи и проецирования светорассеивающих транспарантов из ФПК с метанолом 92
Заключение 98
Список литературы 100
Список работ по диссертации
- Диффузионные процессы в многокомпонентных фотополимеризующихся средах
- Пространственно-частотные характеристики наведенных неоднородностей показателя преломления многокомпонентных ФПК
- Голографическая диагностика распределения показателя преломления в полимерных голограммах
- Оптическое усиление фазовых неоднородностей в слое ФПК
Введение к работе
Актуальность темы
Дифракционные структуры, модулирующие фазу электромагнитной волны, позволяют эффективно реализовывать радиофизические методы управления параметрами излучения: изменять спектральный состав, формировать диаграмму направленности. В оптическом диапазоне они могут также заменять традиционные оптические элементы. При этом прозрачные голо-графические линзы обладают большой светосилой, имеют малую толщину, их достаточно просто адаптировать для компенсации астигматизма световых пучков. Наряду с регулярными оптическими дифракционными структурами также немаловажный интерес представляют и светорассеивающие транспаранты со случайной фазовой структурой. Они эффективно формируют однородные световые распределения, экранируют мощные оптические пучки. Отсутствие поглощения в таких оптических элементах позволяет использовать их для формирования изображений в мощных световых потоках, где у амплитудных транспарантов происходит сильный нагрев непрозрачных областей. Все это определяет возрастающий интерес к разработке новых методов создания и применения фазовых дифракционных структур.
В настоящее время известно много способов формирования стабильных дифракционных структур с поверхностным рельефом: механическая и химическая обработка поверхности прозрачных материалов; оптические технологии, использующие резисты, термопласты и др. Однако практически все они являются многостадийными и технологически сложными. К тому же поверхностные рельефы слабо устойчивы к внешнему механическому воздействию. Объемные фазовые структуры (с неоднородным распределением показателя преломления) более защищены, их можно формировать непосредственно оптическим излучением, используя методы лазерной физики. Так, в динамической голографии для этого широко применяются реверсивные нелинейные среды (ниобат лития и др.). Однако здесь требуются большие мощности излучения, к тому же после снятия его воздействия, в таких средах наведенные градиенты показателя преломления релаксируют.
В последнее время для создания фазовых дифракционных структур все более широкое применение находят фотополимеризующиеся композиции (ФПК). Современные ФПК - это прозрачные материалы, в которых под действием светового поля происходит необратимый переход от жидкого мономера (пм= 1.48) к твердому полимеру (пР=\.5), сопровождающийся увеличением показателя преломления. Процесс фотополимеризации протекает по радикальному механизму, поэтому такой фоторегистрирующий материал обладает достаточно высокой светочувствительностью, что позволяет проводить запись неоднородных по показателю преломления структур излу-чением с интенсивностью в единицы мВт!см . Однако разница значений пР и пм в ФПК незначительна и составляет всего 1 - 5%. К тому же неоднородное
распределение показателя преломления в композиции можно получить, только если реакцию фотополимеризации проводить не до конца. При полной полимеризации такого фоторегистрирующего слоя даже неоднородным излучением образуется однородный полимер. Соответственно, оптически неоднородная структура из ФПК является нестабильной - композиция остается активной к воздействию светового поля и после прекращения процесса экспонирования.
Одним из способов решения указанных проблем является добавление в состав ФПК нейтральных к процессу полимеризации инертных компонент, которые значительно различаются с полимеризатом по показателю преломления и образуют истинный раствор с мономером. Примером таких инертных компонент могут служить а-бромнафталин (nN-nP = 0.157) и метанол (nP-nN= 0.172), вязкости которых существенно различны. Так вязкость а-бромнафталина практически сравнима с вязкостью ФПК, а вязкость метанола ниже ее на порядок. Существует ряд работ, в которых исследовано перераспределение инертных компонент в ФПК при неоднородной фотополимеризации. В них рассмотрены только инертные компоненты с большой вязкостью, так как авторы полагают, что уменьшение вязкости композиции приводит к сглаживанию наведенных в ней излучением градиентов показателя преломления. Однако нейтральные добавки с низкой вязкостью должны перераспределяться в объеме ФПК более эффективно. В связи с этим возникает вопрос о конкуренции перечисленных выше факторов, определяющих эффективность формирования градиента показателя преломления в многокомпонентных ФПК при полимеризации неоднородным излучением. Требуется построение адекватных диффузионных моделей, учитывающих не только перераспределение мономера и инертной компоненты, но и подвижность полимера на начальных стадиях фотополимеризации, где наиболее сильно проявляются нелинейные свойства такого процесса. Также необходимо определить, при какой величине подвижности нейтральной добавки и интенсивности воздействующего излучения, определяющей скорость полимеризации, достигается наиболее эффективное перераспределение компонент ФПК.
Другим вопросом при создании дифракционных элементов на основе ФПК является ее разрешающая способность. Существующие модели экспозиционной характеристики фотополимеризующихся сред указывают лишь на низкую эффективность формирования градиента показателя преломления в композиции на высоких пространственных частотах. Фактически, это означает отсутствие ограничения на разрешающую способность фазовых оптических элементов, поскольку их дифракционную эффективность можно повысить увеличением толщины фоторегистрирующего слоя. В то же время известные экспериментальные данные указывают на ограничение разрешающей способности ФПК ее собственными флуктуациями показателя преломления. При этом не существует адекватных моделей развития такого собственного шума композиции, и даются противоречивые описания меха-
низма его влияния на разрешающую способность полимерных оптических элементов.
В последнее время также возрастает интерес к формированию изображений в мощных световых потоках, поэтому становятся актуальными задачи создания непосредственно оптическим излучением непоглощающих рассеивающих транспарантов. Соответственно, возникает вопрос о возможности использования для этого собственных неоднородностей ФПК. Здесь необходимо исследовать зависимости амплитуды и размера этих неоднородностей от интенсивности воздействующего излучения, разработать оптимальные проекционные оптические системы, позволяющие восстанавливать изображение с рассеивающего полимерного транспаранта.
Цель диссертации
Целью диссертации является теоретическое и экспериментальное исследование процесса оптического формирования стабильных объемных и рельефных диэлектрических дифракционных структур в ФПК с инертной компонентой как за счет регистрации неоднородных распределений интенсивности светового поля, так и за счет процессов самоорганизации градиентов показателя преломления в ФПК:
исследование диффузионных процессов в многокомпонентной ФПК при полимеризации неоднородным по интенсивности излучением;
анализ зависимостей частотно-контрастных характеристик слоев из многокомпонентных ФПК от параметров фоторегистрирующей среды (вязкости компонент, нелинейности экспозиционной характеристики композиции) и воздействующего излучения (интенсивности, контраста регистрируемого неоднородного распределения);
выявление механизмов развития собственных флуктуации показателя преломления в фотополимеризующейся среде, их влияния на разрешающую способность ФПК;
экспериментальное исследование процессов записи объемных и рельефных голограмм в ФПК с инертной компонентой.
разработка новых методов регистрации распределений интенсивности в ФПК.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается как в постановке ряда не решенных ранее задач, так и в полученных оригинальных результатах: 1. впервые рассмотрена роль многокомпонентных диффузионных процессов в формировании градиентов показателя преломления неоднородным по интенсивности излучением в жидких фотополимеризующихся средах с неполимеризационноспособными добавками;
теоретически и экспериментально исследована возможность оптической записи стабильных объемных и рельефных голограмм в ФПК с инертными компонентами малой вязкости;
впервые проанализировано влияние процесса развития собственных концентрационных неоднородностей фотополимеризующейся среды на ее разрешающую способность;
предложен и экспериментально реализован метод регистрации и проецирования полутоновых изображений за счет использования собственных неоднородностей показателя преломления многокомпонентных ФПК.
Практическая значимость работы
Практическая значимость работы состоит в развитии методов решения нелинейных нестационарных задач взаимодействия светового излучения с жидкой фотополимеризующейся средой; в реализации оптического синтеза стабильных объемных и рельефных голограмм; в разработке новых методов регистрации распределений интенсивности за счет механизмов развития собственных неоднородностей показателя преломления ФПК.
Полученные в диссертации теоретические и экспериментальные результаты могут быть использованы учреждениями, занимающимися вопросами создания прозрачных фоторегистрирующих сред, разработкой методов нелинейной оптики, изготовлением оптических дифракционных структур (например, ИНГУ, ИПФ РАН, ИФМ РАН, ФТИ РАН, ИМХ РАН).
Основные положения, выносимые на защиту
Диффузионные процессы в жидкой ФПК, содержащей инертную компоненту, позволяют при неоднородной полимеризации формировать оптические элементы, которые остаются стабильными при полной полимеризации фоторегистрирующего слоя.
Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) полимерных голограмм с инертной компонентой имеет немонотонную зависимость от пространственной частоты - всегда существует оптимальная пространственная частота, на которой наиболее эффективно происходит формирование неоднородного распределения показателя преломления ФПК. Значение оптимальной пространственной частоты и величина максимума ЧКХ определяется не только вязкостью компонент ФПК, но и интенсивностью воздействующего светового ПОЛЯ.
В ФПК могут достаточно эффективно развиваться ее собственные (термодинамические) неоднородности показателя преломления. Такой собственный шум композиции не позволяет регистрировать на высоких пространственных частотах полимерные голограммы с большой дифракционной эффективностью.
Относительно небольшие концентрации инертной компоненты (-10%) позволяют не только формировать стабильные дифракционные структуры
из ФПК, но и в несколько раз увеличить их дифракционную эффективность.
Применение высоколетучих веществ (например, спиртов) в составе ФПК в качестве инертной компоненты позволяет записывать рельефные дифракционные оптические элементы непосредственно световым излучением малой мощности. При этом высотой рельефа можно управлять путем варьирования концентрации инертной компоненты в ФПК.
В процессе фотополимеризации даже под действием однородного излучения происходит самоусиление собственных неоднородностей композиции в толщине полимерного слоя. Такое оптическое усиление реализуется и в полихроматическом свете.
Светорассеивающие структуры можно создавать из ФПК за счет развития ее собственных неоднородностей показателя преломления при полимеризации направленным оптическим излучением. Экспозиционная характеристика изображения, восстанавливаемого с таких транспарантов, определяется как интенсивностью излучения, используемого при записи, так и параметрами проецирующей оптической системы (угловой апертурой проецирующего объектива, размерами источника излучения).
Апробация результатов и публикации
Достоверность результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается использованием известных методов решения диффузионных уравнений в жидких средах (в частности, стандартного конечно-разностного метода решения дифференциальных уравнений); применением методов волновой оптики для расчета световых распределений и оптических схем (разложение по плоским волнам); совпадением результатов, полученных аналитически, численно и экспериментально.
Основные результаты опубликованы в статьях рецензируемых журналов: Оптика и спектроскопия (2006 г., 2008 г.), Материаловедение (2007 г.), а также в Proc. of SPIE (2006 г.). Материалы диссертации докладывались на Третьей Международной конференции молодых ученых «Оптика - 2003» (С- Петербург, 2003 г.), на Второй Международной конференции «Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers» (Ялта, 2005 г.), на Восьмой Международной конференции «Laser & Fiber-Optical Network Modeling» (Харьков, 2006 г.), на Восьмой Международной конференции «Корреляционная оптика» (Черновцы, 2007 г.), на Третьей Международной школе по химии и физикохимии олигомеров (Петрозаводск, 2007 г.), на Девятой, Десятой, Одиннадцатой и Двенадцатой Сессиях молодых ученых (Н. Новгород, 2004 - 2007 гг.), на Шестой, Седьмой, Восьмой, Девятой, Десятой и Одиннадцатой конференциях по радиофизике (Н. Новгород, 2002 - 2007 гг.). Исследования, результаты которых приведены в диссертации, выполнены при поддержке грантов РФФИ 05-03-32706-а и 06-03-08186-офи, программы РНПВШ №4625, гранта ведущей научной школы России №1641.2003.2 (школа В.А. Зверева и Н.С. Степанова).
Личный вклад автора
Диссертант принимал непосредственное участие как в постановке задач, так и в расчетах, построении аналитических моделей, экспериментальных работах, обсуждении и физической интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, списка работ по диссертации и приложения. Общий объем диссертации составляет ПО страниц, включая 55 рисунков и список литературы из 73 наименований.
Диффузионные процессы в многокомпонентных фотополимеризующихся средах
Фотополимеризующаяся композиция является нереверсивной фоторегистрирующей средой. В ходе химической реакции полимеризации, которая инициируется воздействием оптического излучения, входящий в состав ФПК жидкий мономер преобразуется твердое, более плотное вещество — полимер [23,34], при этом, степень полимеризации композиции определяется дозой воздействующего светового поля. Как следствие, увеличение плотности композиции сопровождается возрастанием ее показателя преломления [35], поэтому в основе механизма отображения распределений интенсивности на ФПК лежит изменение оптической плотности среды [36 - 38].
Использование ФПК в качестве фоторегистрирующего материала подразумевает запись неоднородных распределений интенсивности. В связи с этим, возникает вопрос об эффективности отображения различных пространственных частот регистрируемого светового поля в виде неоднородного распределения показателя преломления. Поскольку ФПК изначально представляет собой жидкую фоторегистрирующую среду, то при полимеризации неоднородным светом помимо процесса преобразования мономера в полимер необходимо также учитывать и диффузионное перераспределение ее компонент. Существующие теоретические модели полимеризации ФПК в неоднородном световом поле с достаточной точностью позволяют оценить эффективность записи в области низких пространственных частот [26,39,40]. Однако они не объясняют наблюдаемого в экспериментах снижения эффективности записи на высоких пространственных частотах [30,41]. По-видимому, заложенное в эти модели предположение о неподвижности полимера на всех стадиях процесса полимеризации не является достаточно корректным, так как на начальных стадиях полимеризации, пока не образовалась достаточно жесткая полимерная сетка, молекулы полимера обладают подвижностью сравнимой с исходным мономером. В последнее время появились работы, в которых уже учтено влияние конечной вязкости полимера на амплитуду его градиентов, формируемых в ФПК при неоднородной полимеризации [28,44]. Но данные модели построены для двухкомпонентных композиций, состоящих из мономера и полимера, соответственно, в них не рассматривается перераспределение инертных компонент (нейтральных добавок), необходимых для сохранения неоднородной структуры полимера при высоких степенях полимеризации [26, 39]. Кроме того, в ФПК существуют и собственные термодинамические флуктуации показателя преломления [32], которые в ходе реакции фотополимеризации могут значительно увеличивать свою амплитуду [25,32]. Поэтому при исследовании процессов записи изображений на таком фотоматериале необходимо определить условия, при которых эти неоднородности становятся минимальными и, соответственно, вносят наименьшие искажения в формируемое неоднородным световым полем распределение показателя преломления.
Отличительной особенностью реакции радикальной фотополимеризации является то, что рождение первичных свободных радикалов происходит за счет поглощения инициатором квантов света [34,45]. Следовательно, скорость рождения свободных радикалов V-, зависит не просто от времени, а от экспозиции Я, определяемой как произведение интенсивности /инициирующего излучения на время t экспонирования: H=I-1.
Увеличение цепи молекулы полимера происходит за счет присоединения активным центром молекулы мономера, поэтому скорость этой реакции прямо пропорциональна концентрации свободных радикалов и концентрации мономера. В тоже время, основной причиной обрыва цепной реакции полимеризации является рекомбинация образовавшихся макрорадикалов друг с другом. В соответствии с этИхМ, кинетические уравнения процесса полимеризации имеют вид [24]: VXH)-k,-Nl
Согласно принципу стационарного состояния [24], через некоторый промежуток времени после начала процесса фотополимеризации устанавливается равенство скоростей реакции образования активных центров и обрыва цепи, а, следовательно, концентрация свободных радикалов в композиции становится постоянной. В этом
Считая изменение объема композиции незначительным, дифференцирование первого соотношения (1.1.5) по dH позволяет найти связь между скоростью изменения концентрации мономера и его массовой доли: Мм = т dM (ll6) dH Mu-V0 dH Используя ранее полученное выражение (1.1.2) в последнем соотношении (1.1.6), находим выражение для скорости полимеризации, выраженное через массовую долю мономера: которое также может быть представлено и через массовую долю полимера: Выражение (1.1.8) показывает, что скорость полимеризации линейно зависит от массовой доли полимера. Отсюда следует, что скорость процесса должна затухать по соответствующему закону по мере превращения мономера в полимер. На самом же деле, скорость радикальной полимеризации не только не снижается с конверсией полимера, а, наоборот, возрастает [33,47]. Увеличение скорости полимеризации в гомогенных растворах, таких как ФПК, наблюдается при конверсии мономера 10-20% [46]. Причиной этого является уменьшение константы скорости реакции обрыва цепи kt, которое вызвано понижением взаимодействия макрорадикалов при снижении вязкости композиции. С другой стороны, скорость реакции полимеризации определяется- и скоростью роста цепи, которая также может меняться с увеличением вязкости среды. Однако размер молекул мономера мал по сравнению с размером макрорадикалов и не меняется в ходе реакции полимеризации, поэтому константа роста кр с увеличением глубины превращения уменьшается незначительно - всего в несколько раз, в то время как, константа обрыва цепи снижается в 100 - 1000 раз [46]. Существенное уменьшение константы роста цепи, и, как следствие, снижение скорости полимеризации наблюдается значительно позже, при достижении степени полимеризации порядка. 50-70%. Таким образом, функция скорости радикальной полимеризации V{P) качественно имеет вид, показанный на рис. 1.1.1.
Мономер, входящий" в состав композиции, является1 жидкостью, поэтому возникающие градиенты его концентрации при неоднородной фотополимеризации приводят к возникновению диффузионных потоков. Следовательно, при рассмотрении механизма формирования неоднородных структур в ФПК необходимо учесть два основных процесса: радикальную полимеризацию и диффузионный массоперенос. В тоже время, влиянием перераспределения инициатора в ходе реакции полимеризации можно пренебречь, поскольку его количество к общему объему композиции незначительно ( 1%), но при этом такое количество инициатора не ограничивает скорость образования первичных радикалов, т.е. скорость инициирования V-x практически не зависит от степени преобразования (конверсии) мономера [24].
Пространственно-частотные характеристики наведенных неоднородностей показателя преломления многокомпонентных ФПК
Процесс топографической записи основан на регистрации распределения интерференционной картины двух волн - опорной и предметной (отраженной от регистрируемого предмета) [8]. В зависимости от вида используемой фоторегистрирующей среды интерференционная картина может отображаться в форме пространственного распределения коэффициента поглощения (амплитудные голограммы), либо за счет вариаций пространственного распределения показателя преломления или толщины фоторегистрирующего слоя (фазовые голограммы) [55]. Большей дифракционной эффективностью обладают фазовые голограммы, так как в них не происходит поглощения энергии световой волны, восстанавливающей изображение. А при определенной форме профиля распределения пространственного изменения фазы дифракционная эффективность может достигать 100% [12]. Традиционно для изготовления фазовых голограмм применяются термопласты, фоторезисты, отбеленные фотоэмульсии [56]. Однако все эти фоторегистрирующие материалы помимо процесса записи требуют последующей дополнительной обработки проэкспонированного фоторегистрирующего слоя. Это не только не позволяет контролировать качество получаемой голограммы во время ее записи, но и вносит дополнительные искажения в зарегистрированную структуру. Фотополимеризующаяся композиция не обладает указанными недостатками, процесс записи с ее использованием -одностадийный. Композиция практически прозрачна в оптическом диапазоне, что позволяет наблюдать дифракцию на формирующейся голограмме непосредственно во время записи. Однако изменение показателя преломления в ФПК под действием светового поля незначительно и не превышает 1 - 5% [24]. К тому же, голограммы из ФПК нестабильные - композиция остается активной к воздействию светового поля и после прекращения процесса записи до тех пор, пока не будет достигнута полная конверсия мономера. При этом, даже в случае полимеризации неоднородным распределением интенсивности образуется однородный слой полимера.
В первой главе было показано, что применение инертной компоненты не только позволяет решить проблему стабильности формируемых оптических элементов из ФПК, но и существенно увеличить их дифракционную эффективность. Однако в такой фоторегистрирующей среде может быть нелинейное отображение интерференционных распределений интенсивности в неоднородную структуру показателя преломления, что снижает дифракционную эффективность получаемой голограммы и приводит к искажению восстанавливаемого с нее изображения.
Фотополимеризующиеся среды используются не только для создания оптических элементов с объемным распределением показателя преломления, но также на их основе можно формировать и рельефные дифракционные структуры за счет усадочных процессов, возникающих при полимеризации [59-61]. В свою очередь, использование инертной компоненты позволяет дополнительно увеличить градиенты распределения полимера в ФПК. Возможно, при удалении инертной компоненты после процесса экспонирования, это также позволит и значительно увеличить высоту поверхностного рельефа полимерных оптических элементов.
С ростом пространственной частоты регистрируемого распределения интенсивности эффективность его отображения в неоднородное распределение показателя преломления значительно снижается. Поэтому, чтобы получить высокую дифракционную эффективность голограммы из ФПК, приходится использовать фоторегистрирующий слой большой толщины. В тоже время известно, что фотополимеризующимся средам присущи процессы самоорганизации их собственных концентрационных неоднородностей, изначально обусловленных термодинамическими флуктуациями фоторегистрирующей среды [32]. Поэтому при рассмотрении процессов записи и восстановления изображений с использованием ФПК необходимо учитывать не только воздействие неоднородного светового поля, но и влияние собственного шума композиции на дифракционную эффективность формируемых из нее полимерных голограмм.
В свою очередь, произвольное распределение светового поля предметной волны Е„р можно представить в виде суперпозиции плоских волн. Поэтому, основные закономерности процесса регистрации голограмм можно проследить, рассмотрев запись голограммы двух плоских волн. Для случая симметричного распространения предметной и опорной волн по отношению к плоскости фоторегистрирующего слоя ФПК (рис.2.1.1 а), распределение светового поля предметной волны имеет вид:
Голографическая диагностика распределения показателя преломления в полимерных голограммах
Привлекательность использования жидких фотополимеризующихся композиций (ФПК) в качестве голографических материалов определяется реализуемостью в них простого и оперативного одностадийного (без химического проявления) процесса фоторегистрации, а также возможностью контроля голограммы на этапе ее экспонирования. Поэтому, несмотря на то, что современные фоторезисты обеспечивают высокое качество производства рельефных голограмм, в настоящее время появилось большое количество работ, в которых предлагается топографическим методом формировать рельефные дифракционные структуры в ФПК за счет усадочных процессов [59 - 61]. Световое излучение инициирует реакцию полимеризации ФПК, приводящую к увеличению ее плотности. Изменение плотности в композиции составляет 1 -5% [24]; однако, сопоставимая по величине неоднородная усадка реализуется лишь в тонких, менее 10 мкм, слоях фотополимера [61]. Кроме того, на качество толстых полимерных голограмм существенно влияют собственные концентрационные неоднородности такой среды [А1]. Поэтому для получения глубокого рельефа голограммы и, соответственно, высокой ее дифракционной эффективности, необходимо создавать значительную модуляцию интенсивности регистрируемого светового поля, т.е. использовать интерферирующие пучки, сравнимые по амплитуде. Это характерно лишь для процесса оптического формирования дифракционных решеток. При записи голографнческих изображений амплитуды опорной и предметной волн могут отличаться в десятки раз.
Инертные добавки образуют с мономером истинный раствор и не совместимы с конечным полимером. Они не участвуют в реакции полимеризации и эффективно вытесняются из областей с большим содержанием полимера. Соответственно, воздействие неоднородного излучения в объеме композиции создает не только неоднородную структуру полимера, но и неоднородное распределение концентрации инертной компоненты, противофазное регистрируемому распределению интенсивности. Формируемое неоднородным излучением распределение компонент ФПК однородно по толщине фоторегистрирующего слоя. Но если одна из его поверхностей граничит с веществом, обладающим малой адгезией к полимеру, то такая неидентичность границ полимеризуемого объема может привести к вытеснению инертной компоненты к этой поверхности. Тогда, при использовании в качестве инертной компоненты высоколетучего вещества становится возможным самоформирование поверхностного рельефа, так как после извлечения образца из реактора инертная компонента испаряется с поверхности полимерной структуры.
Предложенным методом (рис.2.4.1) проводилась голографическая запись рельефных полимерных решеток (Р) в ФПК с инертной компонентой (N). Для записи использовалась жидкая ФПК на основе стандартного олигомера ОКМ-2 с хинонным фотоинициатором [23]. В качестве инертной компоненты, обладающей высокой летучестью, применялся метанол, образующий истинный раствор с мономером ОКМ-2. Он также имеет малую вязкость, благодаря чему может эффективно перераспределяться в ФПК во время процесса полимеризации. Расстояние между стекол (S\ и Sy реактора определяло толщину фоторегистрирующего слоя И. Антиадгезионное покрытие внутренней поверхности стекла і% изготавливалось посредством его силиконирования: обработки парами диметилдихлорсилана. Регистрировалась интерференционная картина двух плоских когерентных волн Е\ и Ei (длина волны 0.63 мкм) со средней суммарной интенсивностью 1 мВт/см2. Продолжительность экспонирования составляла 30 с. Период регистрируемого распределения интенсивности задавался углом а между волновыми векторами интерферирующих волн и составлял 6 мкм. Запись топографических дифракционных решеток проводилась при разных концентрациях инертной компоненты N и соотношениях интенсивностей интерферирующих пучков т = \Е2\1/\Е\\2 при толщине фоторегистрирующего слоя 1г==6мкм. Для
Сравнение дифракционных решеток, полученных при записи близкими по интенсивности интерферирующими световыми пучками (от 0.5), свидетельствует, о том, что применение инертной компоненты значительно увеличивает- амплитуду рельефа полимерных голограмм и, при этом, не ухудшает качества их поверхности [62, А20] (рис.2.4.2аг3б). Тенденция увеличения амплитуды рельефа за счет использования инертной компоненты наблюдается и при существенном различии интенсивностей интерферирующих волн (рис.2.4.2е,г). Следует отметить, что уже при т 0.05 глубина рельефа голограммы на ФПК без инертной компоненты не превышает 60 нм и, соответственно, здесь не может быть достигнута высокая дифракционная эффективность.
Исследование зависимости глубины поверхностного рельефа от концентрации инертной компоненты показывает, что, изменяя содержание ./V, можно управлять глубиной рельефа hr и, соответственно, дифракционной эффективностью рельефных полимерных голограмм (рис.2.4.3). Также эффективно при N Ф 0 оптимальный, режим записи голограммы можно задать и соотношением интенсивностей регистрируемых волн. Это не свойственно для голограмм, формируемых за счет усадочных процессов. При JV= 0 существенная зависимость величины Ігг от т наблюдается только при от 0.1. Однако важно отметить, что зависимость высоты рельефа полимерной голограммы от концентрации инертной компоненты возрастает не монотонно (рис.2.4.3). Значительная величина N не способствует эффективному формированию поверхностного рельефа. Большое количество инертной компоненты приводит к созданию более эластичного полимера, на поверхности которого рельеф сглаживается силами поверхностного натяжения после испарения инертной компоненты. Так, если при записи объемных голограмм оптимальное количество инертной компоненты в ФПК составляет 30% [26], то для формирования рельефных голограмм целесообразно использовать меньшую концентрацию N-не более 10%.
Таким образом, применение инертной компоненты позволяет значительно увеличить высоту поверхностного рельефа оптически формируемых полимерных голограмм [А4, А6, А11]. При этом, не только повышается качество регистрации интерференционных картин с низким контрастом, но и появляется возможность управления дифракционной эффективностью рельефной голограммы за счет изменения концентрации инертной компоненты в ФПК. Также, получение непрерывных дифракционных рельефов достаточно большой высоты, позволяет существенно уменьшить хроматические искажения, характерные для бинарных и ступенчатых структур.
Пороговые эффекты процесса записи голограмм Известно, что наибольшая информационная емкость голограмм достигается путем выбора высокой пространственной частоты в качестве несущей при их записи [50]. Здесь, используя в качестве фоторегистрирующего материала жидкие ФПК, необходимо учитывать наличие диффузионных процессов в композиции при ее неоднородной фотополимеризации, которые, как было показано в предыдущей главе, могут приводить к значительному снижению эффективности записи на высоких пространственных частотах (рис. 1.3.2, кривая 7). Но поскольку на основе ФПК формируются фазовые оптические элементы, то малую глубину модуляции показателя преломления всегда можно компенсировать увеличением толщины фоторегистрирующего слоя. Следовательно, для голограмм, которые обычно имеют узкий пространственный спектр, разрешающая способность такого фоторегистрирующего материала не ограничена. Однако это не так, как показывают экспериментальные- исследования [30], разрешение ФПК ограничивается пространственной частотой 10 мм .
Ранее было установлено, что процесс экспонирования ФПК сопровождается увеличением ее собственного шума (рис. 1.4.26), а, значит, возможна его конкуренция с регулярным распределением показателя преломления, наведенным оптическим излучением. В литературе выдвигалось предположение о том, что разрешение ФПК определяется пространственным размером ее собственных неоднородностей [30]. Но из результатов, полученных в предыдущей главе, следует, что формирующийся в ходе процесса записи пространственный размер р = 2кЬ/и о неоднородностей ФПК составляет десятки микрометров [63,64]. При сравнении спектральных распределений собственного шума ФПК (рис. 1.4.5) и регистрируемых периодических распределений показателя преломления (рис. 1.3.2, кривая 1) в одинаковой полосе пространственных частот собственный шум композиции всегда имеет значительно меньшую амплитуду а„, чем амплитуда Ап\ неоднородностей, наведенных излучением, а, следовательно, не может оказывать существенного влияния на качество изображения, восстанавливаемого с помощью голограммы. Однако при записи голограмм на высоких пространственных частотах соотношение амплитуд а„ и Ащ может измениться [А13, А19]. К тому же, оно в значительной степени зависит от контраста регистрируемой интерференционной картины опорной и предметной волн. Так, например, численное моделирование
Оптическое усиление фазовых неоднородностей в слое ФПК
В качестве примера, нарис.3.2.3 приведены зависимости доли не рассеянной волны и пространственный спектр рассеянного излучения от величины / для полностью заполимеризованного слоя ФПК толщиной 200 мкм.
Таким образом, дифракция направленного монохроматического излучения на слое ФПК совместно с нелинейным процессом развития этих неоднородностей могут привести к значительному увеличению суммарной дисперсии &„ показателя преломления (3.2.19) в объеме композиции. Для мелкомаштабных неоднородностей, которые самоформируются под действием излучения высокой интенсивности (/= 104 Лк), в этом случае, толщина транспаранта, обеспечивающая полное рассеяние падающего на него излучения согласно формуле (3.2.20) (Ш&п ж) будет составлять всего 200мкм. Поскольку рассмотренный процесс оптического усиления (3.2.17) флуктуации показателя преломления ФПК не зависит от длины волны оптического излучения, то данный эффект будет наблюдаться и в направленном полихроматическом свете [70, 71].
Оптические системы для формирования полутоновых изображений светорассеивающими транспарантами Рассмотрим процесс восстановления полутонового изображения с рассеивающего фазового транспаранта из ФПК. Пусть, восстанавливающее изображение световое поле создается точечным источником, расположенным в точкеz = 0 (рис.3.3.1). Распределение светового поля в плоскости источника (z = 0): Е(4) = Еа8{4). (3.3.1)
Влияние размеров восстанавливающего изображение источника (при Д = Arj = s) на экспозиционную характеристику слоя ФПК при размере апертуры фокусирующего объектива 10 и при условии d = 2000 мкм р (I: s= 10 мм, 2: s = 20 мм, 3: s = ЪО мм).
Расчеты, эффективности прохождения оптического; излучения, рассеянного фазовыми транспарантами из ФПК (рис.3.2.3), через рассмотренную выше проекционную систему приведены на рис.3.3.2. Как видно, если выполнено условие d р, то чем больше пространственный размер неоднородностей р, тем больше интенсивность в восстановленном изображении (рис.3.3.2а). Если же d р,. то, в этом случае, происходит дифракция не на случайном фазовом экране с большим количеством рассеивающих центров размера р, а на отдельных неоднородностях размера d. А так как на малых по размеру неоднородностях возникает большее рассеяние, то это приводит к снижению эффективности прохождения излучения через оптическую систему для всех интенсивностей;/ воздействующего излучения, для которых d р (рис.3.3.26).
Для случая протяженного источника S необходимо рассмотреть его отдельный точечный элемент, расположенный в точке f, щ плоскости Z = 0. Создаваемое таким источником световое поле в плоскости источника (z = 0) (рис.3.3.1):
Проводя рассуждения аналогичные приведенным выше и учитывая, что точки: протяженного источника излучают некогерентно, можно показать, что создаваемое ими распределение интенсивности в плоскости наблюдения имеет вид: /(- -V)=My)2(j
Если источник восстанавливающей системы имеет конечные размеры, то излучение проходит через оптическую систему с меньшей эффективностью не только из-за сильного его рассеяния нсоднородностями транспаранта, но при большом удалении излучающей точки источника от оси оптической системы. В этом случае, часть, световой волны, создаваемой такой точкой источника, не попадает в фокусирующий объектив, проекционной системы, что приводит к снижению контраста восстанавливаемого изображения (рис.3:3.3). метанолом Возможность регистрации полутоновых изображений в ФПК в виде рассеивающих оптических элементов также исследовалась, экспериментально. Поскольку оптическое усиление собственных неоднородностей ФПК (3.2.19) не зависит от длины волны светового поля, полимеризация проводилась в направленном полихроматическом свете. В качестве источника такого оптического излучения использовался мультимедийный проектор (рис.3.4.1а). В основе данного устройства лежит телескопическая проекционная система [3]. Проведенные измерения характеристик данного устройства показали, что угол расхождения создаваемого им светового потока не превышает 2; также, при формировании однородного светового потока отклонения освещенности от среднего значения / не превосходят 3%. Более того, мультимедийный проектор обладает и широким динамическим диапазоном 300-1.2-105 Лк. Формируемый световой поток проецировался с помощью зеркала на горизонтально расположенный слой ФПК. Использовалась композиция на основе ОКМ-2, с чувствительным к видимому диапазону света хинонным фотоинициатором [23]. Параметры такой фоторегистрирующей среды при используемых интенсивностях следующие: у = 4, #о = 100 мВт-с/см1, цм = 0.4 мкм21с, / = 0.13, пм= 1.48, пР=1.5. Инертной компонентой служил метанол (аМ( = 4мкм2/с, пц= 1.328) с концентрацией Ы- 10%. Фотополимеризация композиции проводилась между двух покровных стекол, так как находящийся в воздухе кислород является ингибитором реакции полимеризации. Соответственно, толщина фоторегистрирующего слоя h задавалась расстоянием между этих стекол и составляла 200 мкм. Регистрируемые полутоновые изображения моделировались с помощью компьютера подключенного к проектору, это позволяло создавать до 256 градаций интенсивности воздействующего излучения.
Для восстановления записанного изображения с рассеивающего транспаранта Т(ху) необходима проекционная система с оптической фильтрацией. В качестве такой системы использовался кодоскоп (оверхед-проектор). Угловой размер его апертуры составляет -10. В ходе процесса фотополимеризации композиции большей интенсивности воздействующего излучения соответствует формирование более сильно рассеивающих центров. Соответственно, при восстановлении изображения излучение с таких участков транспаранта Т(х,у) менее эффективно проходит через апертуру кодоскопа, поэтому с помощью такой оптической системы наблюдается негативное восстановленное изображение. Отметим, что можно формировать и позитивное изображение в такой восстанавливающей системе без дополнительных элементов, если проводить запись негативного изображения-. Это легко реализуется при создании регистрируемого распределения интенсивности с помощью компьютера.
Как было показано, динамический диапазон освещенности, в котором формируются рассеивающие центры, дающие различные по своим характеристикам пространственные спектры рассеяния в применяемой восстанавливающей системе (рис.3.3.2), составляет от 0.5 до 5 кЛк. Изначально предустановленная экспозиционная характеристика проектора в требуемом динамическом диапазоне позволяет создавать всего 25 градаций (р) интенсивности воздействующего светового поля (рис.3.4.16, кривая 1), поэтому, используя встроенные настройки проектора (яркость/контраст), его экспозиционная характеристика была преобразована к виду, приведенному на рис.3.4.16, кривая 2. Это позволило увеличить количество градаций интенсивности в 5 раз.
Первоначально проводилась запись тестового распределения интенсивности, состоящего из однородных по освещенности прямоугольных участков -дискретного рассеивающего оптического клина. Изображение, формируемое кодоскопом, с полученного таким способом рассеивающего транспаранта приведено на рис.3 А,2а. Измеряя с помощью люксметра освещенность в каждом отдельном квадрате этого изображения, была построена экспозиционная характеристика рассеивающего полимерного слоя ,ФПК (рис.3.4.26, кривая Г). Как видно, она достаточно линейна и полностью лежит в рассматриваемом
