Регистрирующая среда для записи фазовых трехмерных голограмм и способ изготовления фазовых трехмерных голограмм

 

Изобретение относится к голографии. Сущность изобретения: в качестве регистрирующей среды используется раствор замещенного фенантренхинона в полимерной матрице. Для усиления среда выдерживается в темноте при температуре, обеспечивающей диффузию фенантренхинона в полимере, а для фиксирования подвергается некогерентной засветке. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к трехмерной голографии, полимерным регистрирующим средам и может быть использовано для разработки систем хранения, обработки и передачи информации, голографических оптических элементов.

Известна регистрирующая среда, представляющая собой раствор парабензохинона в полиметилметакрилате [1] Этой среде присущи следующие недостатки. Экспозиция, требуемая для записи голограмм на данной среде, составляет десятки джоулей на квадратный сантиметp. Низкая чувствительность исключает использование среды для создания голограмм площадью более нескольких квадратных миллиметров. Способ записи голограмм на такой среде, вытекающий из ее фотохимических свойств, состоит лишь в экспонировании ее интерференционным полем и не предусматривает постэкспозиционного усиления. Записи голограмм в реальном масштабе времени сопутствуют динамические эффекты, приводящие к искажению восстанавливаемого волнового фронта относительно записанного, что влечет, например, принципиальную невозможность создания отражательных голограмм с эффективностью более 91% [2] Среда с записанной на ней голограммой не утрачивает светочувствительности, что может привести к деструкции голограммы при считывании.

Целью изобретения являютcя повышение светочувствительности регистрирующей среды, дифракционной эффективности голограмм после экспонирования усиление и стабильности голограмм фиксирование.

Цель достигается тем, что в качестве регистрирующей среды используется раствор замещенного фенантренхинона с общей формулой где R_1-8 водород или углеводородные заместители, а полимер выбран из класса карбоцепных такой, что фенантренхинон способен испытывать фотоприсоединение к его полимерной цепи, или сополимер, включающий звенья таких полимеров или смесь полимеров, включающую полимеры-сополимеры указанных классов, при содержании компонентов, мас.

Замещенный фенантрен- хинон 0,1-20 Полимер 80-99,9 Способ изготовления голограмм состоит из следующих этапов: экспонирование регистрирующей среды когерентным светом в полосе поглощения фенантренхинона, усиление полученной таким образом в реальном масштабе времени голограммы за счет диффузионного выравнивания концентрации непрореагировавшего фенантренхинона посредством выдерживания среды с записанной голограммой в темноте при температуре, обеспечивающей диффузию фенантренхинона в полимере, фиксирование посредством засветки голограммы некогерентным светом в полосе поглощения фенантренхинона.

Механизм образования голограммы на регистрирующей среде.

Освещение полимерного материала излучением, поглощаемым фенантренхиноном, вызывает генерацию семихиноновых радикалов, при этом распределение концентрации радикалов C_R(X) повторяет распределение интенсивности света I(X). При записи голограммы двух плоских волн I(X) I_o (1 + cos(2 π X/Λ)); C_R(X) Co(1 cos(2 π X/Λ)), где Λ пространственный период, Λ=λ/(2 sin Θ), а распределение концентрации непрореагировавшего фенантренхинона противоположно по фазе: С_P(X) C_Р^o C_o(1 + cos(2 π X/Λ)).

Распределения концентрации фенантренхинона и радикалов, имеющих различные поляризуемости, α_P, α_R образуют распределение показателя преломления (фазовую голограмму). Голограммы, образованные распределением фенантренхинона и радикалов, повторяя распределение концентраций, противофазны и, следовательно, частично гасят друг друга, уменьшая результирующую дифракционную эффективность η sin n₁= const-C₀(α_R-α_P) Радикалы, присоединяясь к макромолекулам, приобретают фиксированное положение. Квантовый выход фотоприсоединения достигает максимального единичного значения [3] Молекулы же фенантренхинона диффундируют, что приводит к выравниванию их концентрации и исчезновению соответствующей голограммы: n₁(t) const ˙ C_o(α_R-α_P) exp(-4 π²Dt/Λ²); n₁(0) const ˙ C_o (α_R-α_P);
n₁(∞) const ˙ C_o α_R, что регистрируется как рост результирующей дифракционной эффективности (усиление). Если после усиления голограмма подвергается равномерной засветке, то распределенный равномерно фенантренхинон превращается в присоединенные к полимерным цепям фенантреновые структуры с соответствующим изменением спектра, но без изменения модуляции показателя преломления. Происходит одновременное отбеливание и фиксирование голограммы.

При использовании прототипа полиметилметакрилата с бензохиноном диффузионное перемешивание светочувстви- тельного вещества происходит уже во время экспонирования благодаря меньшему объему и соответственно большему коэффициенту диффузии бензохинона (объемам фенантренхинона и бензохинона 180 и 100 А³ соответствуют коэффициенты диффузии в полиметилметакрилате при 20^оС порядка 10^-18 10^-17 и 10^-13 10^-12 см²/с отличаются на пять порядков [4] Несмотря на сходство физико-химических процессов, протекающих в двух средах, среда с бензохиноном обеспечивает запись голограмм в реальном масштабе времени без последующего усиления в отличие от среды с фенантренхиноном.

Экспериментальные результаты, приведенные в табл. 1 и 2, показывают усиление пропускающих голографических дифракционных решеток, зарегистрированных на предлагаемой среде различного состава при различных температурных режимах. Достигается коэффициент усиления по амплитуде модуляции показателя преломления 3-5.

Для записи голограммы на предлагаемой среде требуется экспозиция в единицы джоулей на квадратный сантиметр (это также отражено в таблице), что на порядок меньше, чем для среды-прототипа. Достигнута цель повышение чувствительности.

Фиксирование. После записи на блочном (полимеризованном в массе) образце толщиной 1 мм пропускающей голографической дифракционной решетки с пространственной частотой 300 мм^-1 до дифракционной эффективности 3% проведено ее усиление до эффективности 62% Далее участок среды с голограммой подвергают экспонированию светом ртутной лампы ДРШ-250 с длиной волны 436 нм с контролем кинетики пропускания образцом этого света до запределивания этой кинетики. Измеренная после этого дифракционная эффективность составила 64% (все измерения на 633 нм), а образец утратил всякую светочувствительность попытка записать на нем голограмму при экспозиции 10 Дж/см² не дала результата, эффективность голограммы менее 0,1% при этом дифракционная эффективность ранее записанной голограммы не изменилась.

Формула изобретения

1. Регистрирующая среда для записи фазовых трехмерных голограмм, представляющая собою композицию из прозрачного стеклообразного полимера и хинонового соединения, отличающаяся тем, что в качестве хинона используют замещенный 9,10-фенантренхинон общей формулы

где R₁ R₈ водород или углеводородные заместители,
а полимер из класса карбоцепных такой, что фенантренхинон способен испытывать фотоприсоединение к его полимерной цепи, или сополимер, включающий звенья таких полимеров, или смесь полимеров, включающая полимеры сополимеры указанных классов, при содержании компонентов, мас.

Замещенный фенантренхинон 0,1 20,0
Полимер 80,0 99,9
2. Способ изготовления фазовых трехмерных голограмм на среде, состоящий в экспонировании среды интерференционным световым полем, отличающийся тем, что усиливают посредством диффузионного уравнивания концентрацию непрореагировавшего фенантренхинона при выдерживании голограммы после экспонирования при температуре, обеспечивающий диффузию фенантренхинона в полимере.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что после усиления производят фотофиксирование посредством засветки голограммы некогерентным светом в полосе поглощения фенантренхинона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2