Фотополимерные композиции для записи отражательных голограмм в широком спектральном диапазоне
Владельцы патента RU 2552351:
Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." (KR)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области светочувствительных регистрирующих сред, а именно к голографическим фотополимерным материалам, пригодным для регистрации объемных пропускающих и отражательных голограмм. Предложена фотополимерная композиция для получения цветных отражающих и пропускающих голограмм, чувствительная к излучению лазеров во всем видимом диапазоне спектра, содержащая полимерное связующее, мономерный компонент и систему фотоинициирования с акцептором и донором электронов, донором атома водорода и красителем-сенсибилизатором, отличающаяся тем, что содержит в качестве мономера N-акрилоилтиоморфолин, в качестве компонента системы фотоинициирования красителя-сенсибилизатора содержит тиоэритрозин триэтиламмониевый совместно с акцептором электрона, представленным бис(4-трет-бутилфенил)иодонием трифторметансульфоната с добавкой в качестве компонента системы фотоинициирования красителя-сенсибилизатора: 6-ацетиламино-2-метилкерамидонина совместно с донором электрона в виде тетрабутиламмония бутилтрифенилбората при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Технический результат - предложенная композиция пригодна для регистрации объемных пропускающих и отражательных голограмм. 4 н.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Изобретение относится к области светочувствительных регистрирующих сред, а именно к топографическим фотополимерным материалам, пригодным для регистрации объемных пропускающих и отражательных голограмм.
Разработка новых фотополимерных композиций для записи голограмм является актуальной задачей при современном уровне развития лазерной, оптической и полиграфической промышленности. При записи голограмм в фотополимере в результате воздействия лазерного излучения происходит образование полимерного продукта из мономера, вследствие чего происходит изменение показателя преломления вещества фотослоя в максимумах интерференционной картины. Образуется фазовая голограмма, на которой может быть достигнута высокая дифракционная эффективность. Фотополимерные материалы лишены недостатков присущих используемым ранее для записи голограмм галоидосеребряным фотослоям и бихромированной желатине. Применение фотополимеризующихся материалов в процессах записи голограмм позволяет избежать многостадийности вторичных, в том числе мокрых, обработок и осуществлять запись голограммы в реальном масштабе времени при непосредственном контроле качества голограммы.
Большинство известных несеребросодержащих (бессеребряных) светочувствительных материалов на основе органических или неорганических соединений имеют высокую разрешающую способность записанной информации, вследствие отсутствия зернистости изображения, но отличается ограниченностью спектральной фоточувствительности в видимой области спектра. Расширение диапазона спектральной фоточувствительности таких материалов является актуальной задачей современных технологий.
Известны однослойные и многослойные голографические фотополимерные материалы, предназначенные для регистрации монохромных и многоцветных голограмм. В патенте США №4942102 [1] описана композиция, в которой используются мономеры акрильного и/или винильного типа, полимерное связующее (поливинилацетат, поливинилбутираль, поливинилацеталь, поливинилформаль), пластификатор. Инициирующая система, которая включает в себя: сенсибилизатор - соединение из класса бис-(диалкиламинобензилиден)кетонов; инициатор - ортозамещенный биимидазол, например, 2,2'-бис(о-хлорофенил)-4,4',5,5'-тетрафенилбиимидазол; донор водорода, например, 2-меркаптобензоксазол, 2-меркаптобензотиазол, 4-метил-4H-1,2,4-триазол-3-тиол или их смеси.
Голографический материал, приготовленный на основе описанной композиции, имеет малую дифракционную эффективность (~5%) на стадии записи изображения, однако позволяет получать отражающие голограммы с дифракционной эффективностью 70-80% после термической (при температуре 80-160°C) обработки и/или мокрой обработки в органических растворителях. Кроме того, в [1] рекомендуется подогрев материала до экспонирования при температуре 30-50°C. Мокрая обработка данного материала, приводящая к повышению дифракционной эффективности является дополнительным, но не необходимым условием.
Малая дифракционная эффективность голограммы после экспонирования является недостатком материала. В ряде случаев, например, при получении массива пропускающих Фурье-голограмм, необходим контроль качества информации в реальном масштабе времени эксперимента, для чего необходимо обеспечить значения дифракционной эффективности на уровне 20-30% на стадии записи.
Еще одна фотополимерная композиция описана в патенте США №4959284 [2]. Эта композиция содержит в качестве мономерного компонента циклопропановые соединения. В роли красителя-сенсибилизатора используется известное соединение циклопентанон 2,5-бис[4-(диэтиламино) фенил]метилен (DEAW). Полученный фотополимерный материал позволяет формировать монохромные голограммы с дифракционной эффективностью более 90%, излучением в синей области спектра. Однако данный материал обладает относительно низкой чувствительностью 50÷150 мДж/см2.
В выложенной заявке на патент США №20100086860 [3] описана фотополимерная композиция, содержащая производные ненасыщенных уретанов с функционализированными группами в качестве мономерного компонента, растворенного в полиуретановой матрице, в количестве порядка 25% от массы всей композиции. В качестве красителя-сенсибилизатора используется New Methylene Blue (Метиленовый Голубой). Данная система фотоинициирования позволяет осуществлять запись только монохромных голограмм излучением красной области спектра. Предложенный фотополимерный материал имеет чувствительность порядка 5 мДж/см2 и обеспечивает уровень дифракционной эффективности более 70%.
Еще одна патентная заявка США №20110065827 [4] предлагает фотополимерную композицию, содержащую уже другой мономерный компонент - ненасыщенный глицидиловый эфир акрилата уретана. Используя тот же краситель - New Methylene Blue - был получен фотополимерный материал, в котором затем были записаны голограммы с большей дифракционной эффективностью (порядка 80%) при чувствительности около 20 мДж/см2.
В патентной заявке США №20120214089 [5] изложен способ изготовления фотополимерного материала, обладающего чувствительностью к излучению с длинами волн 633, 532 и 473 нм. Фотополимерная композиция на основе полиуретановой матрицы с акрилатными мономерами содержит в качестве со-инициатора трис-(3-хлор-4-метилфенил)(гексил)борат тетрабутиламмония, а в качестве красителей сенсибилизаторов: New Methylene Blue (λmax=632 нм), Safranine O (λmax=520 нм) и Astrazone Orange G (λmax=490 нм). В материале, полученном из этой композиции, были записаны голограммы с дифракционной эффективностью 99% при заявленной чувствительности материала (мДж/см) к соответствующим длинам волн: 9-36 (λmax=633 нм), 16-128 (λmax=532 нм) и 16-128 (λmax=473 нм). Подобный разброс значений чувствительности фотослоев может быть связан с низкой воспроизводимостью экспериментальных образцов, что сильно затрудняет использование данного фотополимерного материала и ставит под сомнение его применимость в промышленных масштабах.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является фотополимерная композиция для получения голографического материала, описанная в патентной заявке США №2012/0086993 [6]. В фотополимерной композиции используется акрилоильный мономерный компонент 9,9-бис[4-(2-акрилоилоксиэтокси)фенил]флуорен (Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd., NK Ester A-BPEF). Фотополимерная среда содержит в качестве сенсибилизатора для сине-зеленой области спектра краситель 3-бутил-2-[3-(3-бутил-фенил-1,3-бензоксазол-2(3H)-илиден)пропан-1-ен-1-ил]-5-фенил-1,3-бензоксазол-1-иум (λmax=510 нм), а для красно-зеленой области спектра - (3-этил-2-[5(3-этил-1,3-бензоксазол-2(3H)-илиден)пента-1,3-диен-1-ил]-1,3-бензоксазол-3-иум (λmax=595 нм).
Полученный двуслойный фотополимерный материал позволяет записывать голограммы с дифракционной эффективностью порядка 80%, с чувствительностью: 6 мДж/см2 излучению с длиной волны 473 нм, 4 мДж/см2 - 532 нм и 40 мДж/см2 - 633 нм. Анализ приведенных в [6] спектров поглощения используемых красителей показывает, что оба красителя чувствительны в зеленой области спектра. Этот факт говорит о том, что существенную роль при записи голограмм в данный фотополимер будет играть явление перекрестной сенсибилизации, то есть при возбуждении излучением синей области спектра, чувствительность фотополимера в зеленой области спектра будет заметно снижаться (и наоборот), что необходимо учитывать при экспонировании полноцветной голограммы. Еще более усложняет расчет режима экспонирования полноцветной голограммы существенно различающаяся чувствительность используемых красителей по всему диапазону спектра.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке усовершенствованной фотополимерной композиции, которая обеспечивала бы достижимый уровень дифракционной эффективности не менее 75%, имела одинаковую чувствительность не более 30 мДж/см2 в широком спектральном диапазоне от 400 до 700 нм, и чтобы влияние перекрестного обесцвечивания при экспонировании полноцветной голограммы было минимальным.
Технический результат достигается за счет применения новой фотополимерной композиции для получения цветных отражающих и пропускающих голограмм, чувствительной к излучению лазеров во всем видимом диапазоне спектра (красный - R, зеленый - G, синий - В), содержащей полимерное связующее, мономерный компонент и систему фотоинициирования с акцептором и донором электронов, донором атома водорода и красителем сенсибилизатором, при этом заявляемая композиция отличается тем, что она содержит в качестве мономера N-акрилоилтиоморфолин формулы (I):
,
в качестве компонента системы фотоинициирования красителя сенсибилизатора она содержит тиоэритрозин триэтиламмониевый формулы (2):
совместно с акцептором электрона, представленным бис(4-трет-бутилфенил)иодонием трифторметансульфоната формулы (3):
с добавкой в качестве компонента системы фотоинициирования красителя сенсибилизатора - 6-ацетиламино-2-метилкерамидонина формулы (4):
совместно с донором электрона в виде тетрабутиламмония
бутилтрифенилбората формулы (5):
при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| - полимерное связующее | 40-50 |
| - указанный мономерный компонент | 40-46 |
| - сшивающий компонент | 3-9 |
| -указанный краситель: 6-ацетиламино-2- | 0.1-0.2 |
| метилкерамидонин | |
| - указанный краситель: тиоэритрозин | 0.25-0.35 |
| Триэтиламмониевый | |
| - Метиленовый Голубой | 0.02-0.03 |
| - указанный акцептор электрона: | 2.4-3.4 |
| бис(4-трет-бутилфенил)иодония | |
| трифторметансульфонат | |
| - указанный донор электрона: | 4.5-6.5 |
| тетрабутиламмоний бутилтрифенилбората | |
| - донор электрона: 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиол | 1-6 |
| - донор атома водорода: | 1-6 |
| (4-гидроксифенил)-1H-тетразол-5-тиола | |
| - поверхностно-активное вещество: | 0.2-0.3 |
| бис(2-этилгексил)сульфоксукцинат натрия |
Таким образом, первым шагом к решению поставленной задачи является выбор эффективной мономерной компоненты, в качестве которой используется N-акрилоилтиоморфолин формулы (I):
Анализ уровня техники показал, что данный мономер впервые используется в качестве компонента фотополимерной композиции.
Синтез N-акрилоилтиоморфолина осуществлялся в сухой трехгорлой колбе емкостью 500 мл, снабженной механической мешалкой, термометром и капельной воронкой для выравнивания давления. Колбу заряжали бензолом (200 мл), карбонатом калия (35 г), тиоморфолином (21 мл), обеспечивая, таким образом, долевое соотношение компонентов 20:3.5:2.1, и охлаждали до 0°C. Затем при перемешивании и охлаждении добавляли по каплям раствор 20 мл акрилоилхлорида в 80 мл бензола, обеспечивая, таким образом, долевое соотношение компонентов 2:8, в течение 2 часов при температуре 0-2°C. Реакционную смесь перемешивали в течение 1 часа при 0-2°C, белый осадок фильтровали, используя тефлоновую воронку с двумя слоями фильтровальной бумаги, промывали бензолом (3×50 мл, т.е. 15 частями) и отжимали.
Комбинированные органические фильтраты освобождали от растворителя с использованием роторного испарителя при 40-50°C (в бане). Сырой продукт (17.7 г) перегоняли при пониженном давлении, получая 13.0 г (42%) N-акрилоилтиоморфолин. Продукт представляет собой вязкую прозрачную бесцветную маслянистую жидкость, имеет очень хорошую растворимость в хлороформе, дихлорметане, четыреххлористом углероде, бензоле и большинстве органических растворителей. N-акрилоилтиоморфолин обеспечивает большую величину модуляции коэффициента преломления (до 0.01).
Как правило, фотополимерная композиция также содержит сшивающий мономер, задача которого заключается в образовании перекрестных сшивок между полимерными цепочками, образуемыми в результате фотополимеризации мономерного компонента. Подобные сшивки придают стабильность, жесткость записываемой голограмме и увеличивают ее срок жизни. Обычно, в качестве сшивающего мономера используют ди- и триакриламиды, а именно: 1,4-бисакрилоильное производное пиперазина, трисакрилоильное производное 1,4,7-триазациклононана или их смеси.
В качестве полимерного связующего может быть применен поливинилпирролидон, ацетобутират целлюлозы, поливинилацетат, поливинилбутираль или их смеси.
Для сенсибилизации фотополимерной композиции к красной области спектра использовалась система фотоинициирования на базе красителя-сенсибилизатора Метиленового Голубого и со-инициаторов донора и акцептора электрона. В качестве со-инициаторов использовали:
донор электрона - 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиола и донор атома водорода - 1-(4-гидроксифенил)-1H-тетразол-5-тиола. Для улучшения свойств в композицию также было включено поверхностно-активное вещество - бис(2-этилгексил)сульфоксукцинат натрия. В целом, заявляемая фотополимерная композиция, содержащая данную систему фотоинициирования, обладает чувствительностью к излучению в спектральном диапазоне от 600 до 690 нм.
Для сенсибилизации фотополимерной композиции к зеленой части спектра наиболее часто используют систему фотоинициирования, содержащую какой-либо краситель ксантенового ряда, например Эозин, Эритрозин, Бенгальский Розовый и со-инициаторы: донор и акцептор электрона. Роль акцептора электронов, как правило, играет сульфониевая либо йодониевая соль либо их смеси.
В качестве сенсибилизатора в заявляемой композиции был использован ранее не известный ксантеновый краситель Тиоэритрозин триэтиламмониевый формулы (2):
Замена атома кислорода в молекуле ксантенового красителя на атом серы приводит к увеличению выхода в триплетное реакционноспособное состояние при возбуждении молекулы. Дополнительная замена в молекуле тиофлуоресцеина атомов водорода на тяжелые атомы йода оказывает еще более существенное влияние на свойства тиксантенового красителя. Фотополимерная композиция, содержащая данный краситель, обладает чувствительностью к излучению в спектральном диапазоне от 505 до 590 нм. Тиоэритрозин обладает эффективным сенсибилизирующим эффектом и позволяет достичь чувствительности фотополимерной композиции на 10-15% выше, чем у его кислородного аналога Эритрозина.
Иодирование тиофлуоресцеина осуществляется в присутствии молекулярного йода в 1H растворе NaOH при 100°C. Это позволяет получить тетрайодтиофлуоресцеин (Тиоэритрозин) с выходом около 71%. Значение коэффициента экстинкции красителя в максимуме поглощения λmax=542 нм составило lg□ε=4.88 (0.1H NaOH, вода). ПК спектр, вазелиновое масло, см-1: 1733 (C=O лактон). ЯМР 1H спектр (CDCl3), δ, m.p.: 6.01 у.с (2H, 20H), 7.57 с (2H, H1'8'), 7.58 м (2H, H5,6), 7.72 м (1H, H7), 7.94 м (1Н, H4). Найдено, %: C 28.37; H 0.98; I 59.32; S 3.71. C20H8I4O4S. Вычислено, %: C 28.20; H 0.95; I 59.58; S 3.76.
В качестве со-инициатора для Тиоэритрозина 2 используется, донор электрона - 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиол. В качестве акцептора электрона наибольшую эффективность показывает не использовавшаяся ранее соль йодония - бис(4-трет-бутилфенил)иодония трифторметансульфоната формулы (3):
Для сенсибилизации фотополимерной композиции к синей части спектра используется система фотоинициирования, содержащая синтезированный авторами и не используемый ранее краситель-сенсибилизатор на основе производных керамидонина - 6-ацетиламино-2-метилкерамидонин формулы (4):
Данный краситель показал высокую эффективность при сенсибилизации свободнорадикальной полимеризации в комплексе с со-инициаторами: донором электрона - 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиолом и донором электрона - солью алкилтрифенилбората, а именно тетрабутиламмоний бутилтрифенилбората формулы (5):
Данные краситель-сенсибилизатор и соль алкилтрифенилбората впервые используется в качестве компонентов системы фотоинициирования. Отсутствие в композиции с красителем - 6-ацетиламино-2-метилкерамидонином соинициатора тетрабутиламмоний бутилтрифенилбората или замена его на другой донор электрона приводит к резкому (в разы) снижению уровня дифракционной эффективности голограмм. Фотополимерный материал, приготовленный на основании данной композиции, обладает чувствительностью к излучению в спектральном диапазоне от 400 до 525 нм;
Приготовление композиций. Компоненты композиции последовательно растворяют в органическом растворителе - смеси хлороформа и ацетона в соотношении от 1:1 до 1:1.5, тщательно перемешивают и выливают на прозрачную стеклянную, пленочную либо пластиковую основу. После полива слой высушивается в присутствии паров растворителей в течение 18-20 часов при температуре 23-26°C и влажности не более 50%. Количество выливаемой композиции определяет конечную толщину фотополимерного слоя, при поливе 30-35 мкл/см2 композиции, содержащей около 90% массовой доли растворителей, получается фотополимерный слой 40-45 мкм. После высыхания фотополимерный слой покрывается защитной лавсановой пленкой. Защитное покрытие предотвращает доступ кислорода к фотослою в процессе записи голограммы и служит для предохранения от механических воздействий и влияния внешней среды.
Для получения тестовых голограмм были приготовлены фотополимерные слои, сенсибилизированные Метиленовым Голубым -R-фотополимер, Тиоэритрозином триэтиламмониевым - G-фотополимер и 6-Ацетиламино-2-метилкерамидонином - В-фотополимер. Запись голограмм осуществлялась на экспериментальной установке, схема которой приведена на Фиг.1, где 1 - лазер, 2 - пространственный фильтр, 3 - коллимирующий объектив, 4 - зеркала, 5 - спектрометрическая лампа, 6 - световод, 7 - светоделительное зеркало, 8 - спектрометр, 9 - фотополимерный слой, 10 - световод.
Для записи голограмм использовалось излучение He-Ne лазера (633 нм), Nd:YAG:DPSS лазера (532 нм) и Ar+ лазера (514 и 488 нм), а также DPSS лазера (473 нм) и полупроводникового диодного лазера (655 нм). Интенсивность лазерного излучения составляла 8-10 мВт/см2, формирование голографических дифракционных решеток происходило за 3-5 секунд. Дифракционная эффективность решеток сразу после записи составляла 30-50%. Записанное голографическое изображение устойчиво, однако фотополимерный слой все еще содержит не прореагировавшие компоненты (краситель, мономер и т.д.) Для нейтрализации таких компонент используется простейшая процедура постобработки - экспонирование излучением галогеновой лампы мощностью 500 Вт на расстоянии 10 см (с одновременным нагревом до температур 100-110°C) в течение 1 минуты. В результате такого воздействия фотополимерный слой становится химически инертным с малой величиной поглощения в видимом диапазоне спектра, а дифракционная эффективность голограммы в результате термического усиления возрастает до значений более 75%.
Сопоставительный анализ данной композиции с аналогами позволяет сделать вывод, что заявляемый состав композиции отличается от известных введением новых компонентов, а именно: мономерного компонента N-акрилоилтиоморфолина, красителя сенсибилизатора Тиоэритрозина триэтиламмониевого совместно с акцептором электронов - бис(4-трет-бутилфенил)иодония трифторметансульфонатом и красителя сенсибилизатора 6-ацетиламино-2-метилкерамидонина совместно с донором электронов - трифенил(н-бутил)боратом тетрабутиламмония.
Анализ описанных в литературе составов фотополимерных композиций для записи голограмм показывает, что известно использование некоторых вводимых в заявляемое решение веществ, например, Метиленовый Голубой или 1,4-бисакрилоильное производное пиперазина. Однако только комплексное применение этих компонентов в сочетании с другими компонентами обеспечивает требуемые свойства фотополимерного материала, а именно: высокую дифракционную эффективность и высокую чувствительность к излучению оптического диапазона при записи в реальном масштабе времени пропускающих и отражательных голограмм, а также высокую стабильность полученных голограмм. Поэтому заявляемый состав композиции придает голографическому материалу требуемые свойства. Полученный на базе данных композиций фотополимерный материал обладает одинаковой чувствительностью не более 25 мДж/см2 в спектральном диапазоне 400-700 нм. При экспонировании полноцветных голограмм в данный фотополимер явление перекрестного обесцвечивания практически не проявляется.
Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Голографический фотополимерный материал, сенсибилизированный красителем Метиленовым Голубым, чувствительный к излучению красной области спектра
Для получения раствора красителя берут 1 мг Метиленового Голубого и 10 мг бис(2-этилгексил)сульфоксукцината натрия и растворяют их в 1 мл хлороформа и 200 мкл ацетона. Для приготовления светочувствительной композиции берут 12 мг 1,4-бисакрилоил пиперазина, 2.5 мг 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиола и 2.5 мг 1-(4-гидроксифенил)-177-тетразол-5-тиола, растворяют их в 250 мкл хлороформа и 200 мкл ацетона. К полученному раствору добавляют 100 мкл полученного раствора красителя, 120 мкл раствора мономера (N-акрилоилтиоморфолин в хлороформе 1:1) и 600 мкл раствора полимерного связующего (12% раствор по массе поливинилацетата в хлороформе). Все компоненты тщательно перемешивают с применением механической мешалки и ультразвуковой ванны.
Готовый раствор в количестве 650 мкл поливают на предметное стекло (76 мм × 26 мм × 1 мм), которое помещено на выровненный по горизонтали котировочный столик. Полученный экспериментальный образец закрывают чашкой Петри для достижения оптимальной концентрации паров растворителей над поверхностью фотополимерного слоя. Под чашкой Петри образец высыхает в течение 18-20 часов при температуре 23-26°C и влажности не более 50%. В результате высушивания получают фотополимерный слой толщиной 40-45 мкм. Сверху на слой полимера прикатывают защитную лавсановую пленку.
Данный образец экспонируют излучением He-Ne (633 нм) и полупроводникового лазерного диода (655 нм) лазеров на установке, схема которой приведена на Фиг.1. В результате светоиндуцированного воздействия в толще фотополимерного слоя происходит формирование фазовых отражательных голограмм. После записи голограмм образец подвергают конечной постобработке: экспонированию светом галогеновой лампы и кратковременному нагреву. В результате чего фотополимерный слой обесцвечивается и происходит усиление голограмм. Параметры записанных голограмм приведены в Таблице 1.
Пример 2. Голографический фотополимерный материал, сенсибилизированный красителем Тиоэритрозином триэтиламмониевым, чувствительный к излучению зеленой области спектра
Для получения раствора красителя берут 4 мг Тиоэритрозина триэтиламмониевого и растворяют его в 1 мл хлороформа и 1 мл ацетона. Для приготовления светочувствительной композиции берут 9 мг 1,4-бисакрилоил пиперазина, 3.6 мг бис(4-трет-бутилфенил)иодония трифторметансульфоната и 5.5 мг 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиола, растворяют их в 180 мкл хлороформа и 150 мкл ацетона. К полученному раствору добавляют 200 мкл полученного раствора красителя, 90 мкл раствора мономера (N-акрилоилтиоморфолин в хлороформе 1:1) и 350 мкл раствора полимерного связующего (12% раствор по массе поливинилацетата в хлороформе). Все компоненты тщательно перемешивают.
Готовый раствор в количестве 650 мкл поливают на предметное стекло и закрывают чашкой Петри, высушивают в течение 18-20 часов при температуре 23-26°C и влажности не более 50%. В результате высушивания получают фотополимерный слой толщиной 35-40 мкм. Сверху на слой полимера прикатывают защитную лавсановую пленку.
Данный образец экспонируют излучением Ar+ (514 нм) и Nd:YAG:DPSS (532 нм) лазеров на установке, схема которой приведена на Фиг.1. После записи голограмм образец подвергают конечной постобработке - фотополимерный слой обесцвечивается и происходит усиление голограмм. Параметры записанных голограмм приведены в Таблице 1.
Пример 3. Голографический фотополимерный материал, сенсибилизированный красителем 6-ацетиламино-2-метилкерамидонином, чувствительный к излучению синей области спектра
Для получения раствора красителя берут 1 мг 6-ацетиламино-2-метилкерамидонина и растворяют его в 1 мл хлороформа и 1 мл ацетона. Для приготовления светочувствительной композиции берут 9 мг 1,4-бисакрилоил пиперазина, 7 мг трифенил(н-бутил)бората тетрабутиламмония и 5,5 мг 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиола, растворяют их в 180 мкл хлороформа и 150 мкл ацетона. К полученному раствору добавляют 360 мкл полученного раствора красителя, 90 мкл раствора мономера N-акрилоилтиоморфолин в хлороформе 1:1) и 350 мкл раствора полимерного связующего (12% раствор по массе поливинилацетата в хлороформе). Все компоненты тщательно перемешивают.
Готовый раствор в количестве 650 мкл поливают на предметное стекло и закрывают чашкой Петри, высушивают в течение 18-20 часов при температуре 23-26°C и влажности не более 50%. В результате высушивания получают фотополимерный слой толщиной 35-40 мкм. Сверху на слой полимера прикатывают защитную лавсановую пленку.
Данный образец экспонируют излучением Ar+ (488 нм) лазера и DPSS лазера (473 нм) на установке, схема которой приведена на Фиг.1. После записи голограмм образец подвергают конечной постобработке - фотополимерный слой обесцвечивается и происходит усиление голограмм. Параметры записанных голограмм приведены в Таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Свойства голографических фотополимерных материалов с различными красителями-сенсибилизаторами | ||||
| краситель-сенсибилизатор | длина волны экспонирующего излучения, нм | чувствительность, мДж/см2 | дифракционная эффективность, % | |
| Пример 1 | Метиленовый Голубой | 633 | 25 | >80 |
| 655 | 25 | >70 | ||
| Пример | Тиоэритрозин | 514 | 25 | >80 |
| 2 | триэтиламмониевый | 532 | 25 | >70 |
| Пример 3 | 6-Ацетиламино-2-метилкерамидонин | 488 | 25 | >70 |
| 473 | 25 | >70 |
Таким образом, предлагаемая композиция содержащая в качестве мономерной компоненты - N-акрилоилтиоморфолин, в качестве компонент системы фотоинициирования, чувствительной к излучению зеленой области спектра: краситель-сенсибилизатор - Тиоэритрозин триэтиламмониевый и акцептор электрона - бис(4-трет-бутилфенил)иодония трифторметансульфонат; в качестве компонент системы фотоинициирования, чувствительной к излучению синей области спектра: краситель-сенсибилизатор - 6-ацетиламино-2-метилкерамидонин и донор электрона - тетрабутиламмоний бутилтрифенилбората обладает следующими достоинствами: обеспечивает значения дифракционной эффективности записанных голограмм более 75%, обладает одинаковой чувствительностью 25 мДж/см2 во всем спектральном диапазоне 400-700 нм, при экспонировании полноцветных голограмм явление перекрестного обесцвечивания практически не проявляется.
Наиболее перспективной сферой применения таких материалов является изобразительная голография, включая синтезированные голограммы, голографические дисплеи, а также голографические оптические элементы и защитные голограммы.
1. Фотополимерная композиция для получения отражающих и пропускающих голограмм, чувствительная к излучению лазеров спектрального диапазона 400-525 нм, содержащая полимерное связующее, мономерный компонент и систему фотоинициирования с красителем-сенсибилизатором и донорами электронов,
отличающаяся тем, что она
в качестве компонентов системы фотоинициирования содержит краситель-сенсибилизатор 6-ацетиламино-2-метилкерамидонин формулы
совместно с донором электронов тетрабутиламмония бутилтрифенилборатом формулы
а в качестве мономерного компонента содержит N-акрилоилтиоморфолин формулы
причем эта фотополимерная композиция содержит следующие компоненты при следующих массовых соотношениях, мас. %:
| полимерное связующее | 40-50 |
| указанный мономерный компонент | 40-46 |
| сшивающий компонент | 3-9 |
| указанный краситель-сенсибилизатор: | |
| 6-ацетиламино-2-метилкерамидонин | 0,1-0,2 |
| указанный донор электронов: | |
| тетрабутиламмония бутилтрифенилборат | 4,5-6,5 |
| донор электронов: 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиол | 1-6 |
2. Фотополимерная композиция для получения отражающих и пропускающих голограмм, чувствительная к излучению лазеров спектрального диапазона 505-590 нм, содержащая полимерное связующее, мономерный компонент и систему фотоинициирования с красителем-сенсибилизатором и акцептором и донором электронов,
отличающаяся тем, что она
в качестве компонентов системы фотоинициирования содержит краситель-сенсибилизатор тиоэритрозин триэтиламмониевый формулы
совместно с акцептором электронов бис(4-трет-бутилфенил)иодония трифторметансульфонатом формулы
а в качестве мономерного компонента содержит N-акрилоилтиоморфолин формулы
причем эта фотополимерная композиция содержит следующие компоненты при следующих массовых соотношениях, мас. %:
| полимерное связующее | 40-50 |
| указанный мономерный компонент | 40-46 |
| сшивающий компонент | 3-9 |
| указанный краситель-сенсибилизатор: | |
| тиоэритрозин триэтиламмониевый | 0,25-0,35 |
| указанный акцептор электронов: | |
| бис(4-трет-бутилфенил)иодония трифторметансульфонат | 2,4-3,4 |
| донор электронов: 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиол | 1-6 |
3. Фотополимерная композиция для получения отражающих и пропускающих голограмм, чувствительная к излучению лазеров спектрального диапазона 600-690 нм, содержащая полимерное связующее, мономерный компонент и систему фотоинициирования с красителем-сенсибилизатором, донором электронов и донором атома водорода,
отличающаяся тем, что она
в качестве компонентов системы фотоинициирования содержит краситель-сенсибилизатор Метиленовый Голубой совместно с донором электронов 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиолом и донором атома водорода 1-(4-гидроксифенил)-1H-тетразол-5-тиолом,
а в качестве мономерного компонента содержит N-акрилоилтиоморфолин формулы
причем эта фотополимерная композиция содержит следующие компоненты при следующих массовых соотношениях, мас. %:
| полимерное связующее | 40-50 |
| указанный мономерный компонент | 40-46 |
| сшивающий компонент | 3-9 |
| Метиленовый Голубой | 0,02-0,03 |
| донор электронов: 5-метил-1,3,4-тиадиазол-2-тиол | 1-6 |
| донор атома водорода: | |
| 1-(4-гидроксифенил)-1H-тетразол-5-тиол | 1-6 |
| поверхностно-активное вещество: | |
| бис(2-этилгексил)сульфоксукцинат натрия | 0,2-0,3 |
4. Способ получения мономера N-акрилоилтиоморфолина, предназначенного для использования в качестве мономерного компонента в композиции по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что N-акрилоилтиоморфолин получают путем синтеза, включающего в себя выполнение следующих операций:
- заряжают сухую трехгорлую колбу, снабженную механической мешалкой, термометром и капельной воронкой, бензолом, карбонатом калия, тиоморфолином в соотношении частей 20:3,5:2,1;
- охлаждают до 0°С и перемешивают;
- добавляют по каплям 2 части раствора акрилоилхлорида в 8 частях бензола в течение 2 часов при температуре 0÷2°С;
- реакционную смесь перемешивают в течение 1 часа при 0÷2°С;
- белый осадок фильтруют, промывают 15 частями бензола и отжимают;
- освобождают комбинированные органические фильтраты от растворителя с использованием роторного испарителя при 40-50°С;
- сырой продукт перегоняют при пониженном давлении, получая конечный продукт.
