Способ записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Совете кик

Социалистичесиин

Республик

<»>976425

- (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 17 ° 11.80 (21) 3230324/18 25 с присоединением заявки № (23) Лриоритет (51) М. Кл.

G 03 H 1/18

9кударставный комнтвт

СССР не делам нзоарвтвннй н отарытнй

Опубликовано 23.11.82. Бюллетень № 43

Дата опубликования OBHcRHNQ 25 . 1 1 . 82 (53) УДК 772 °

° 99(088.8) (72) Автор изобретения

М. l0. Баженов

Киевский ордена Ленина государственный университвт им. Т.Г. Шевченко (71) Заявитель (54) СПОСОБ ЗАПИСИ ФАЗОВЫХ ГОЛОГРАММ

НА ОДНОСЛОЙНЫХ ФОТОПЛАСТИЧЕСКИХ

СРЕДАХ

Изобретение относится к голографии.

Известен способ записи фазовых голограмм на однослойных дотопластических средах, заключающийся в зарядке, экспонировании и нагреве фо5 топластической среды. После образования начального рельефа поверхности появляется дополнительная деформирующая сила, связанная с перераспределением зарядов по поверхности пленки в соответствии с образовавшимся геометрическим рельефом. На поверхности пленки поддерживается примерно постоянный потенциаЛ, определяемый мощностью зарядового устройства и скоростью спада потенциала 1 1.

Способ позволяет увеличить дифракционную эффективность отношения сигнал/шум, но лишь при контрасте интер- 20 ференционных полос, превышающем 0,4.

При малом контрасте интерференционных полос начальный геометрический рельеф поверхности мал и сравним по амплитуде с хаотическими деформациями поверхности разогретой пленки, поэтому при дальнейыей зарядке и проявлении будет происходить усиление сигнала и ыума. Кроме того, вносятся дополнительные частотные и нелинейные искажения,так как скорость перераспределения поверхностного заряда зависит от амплитуды и пространственной частоты рельефа.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ записи фазовых голограмм на однослойных фотопластич ских средах, заключающийся в зарядке поверхности среды, формировании скрытого изображения экспонированием интерференционной картины при интенсивности опорной волны большей интенсивности объектной волны, проявлении скрытого изображения, закреплении полученного рельефа и дополнительнои зарядке поверхности. При повторном проявлении происходит усиление рельефа. Описан3 97642 ный процесс можно повторять несколько раз (2).

Однако при усилении рельефа увеличиваются и нелинейные искажения. Повторный нагрев снижает оперативность записи, так как для обеспечения высокой цикличности работы фотопластической среды, дополнительную зарядку необходимо проводить на остывший материал, 10

Целью изобретения является повышение дифракционной эффективности ro лограмм, увеличение отношения сигнал/шум за счет устранения "морозной" деформации и расширения полосы ре- 15 гистрируемых пространственных частот в высокочастотную область.

Для достижения поставленной цели согласно способу записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах, заключающемуся в зарядке поверхности среды, формировании интерференционной картины при интенсивности опорной волны большей интен25 сивности объектной волны, проявлении скрытого изображения, закреплении полученного рельефа и дополнительной зарядке поверхности, усиливают скрытое изображение путем повторного экспонирования по крайней мере один раз, 30 тем же волновым фронтом, причем дополнительную зарядку проводят каждый раэ таким образом, чтобы изменение потенциала поверхности происходило на линейном участке и средний модуль по- З5 верхностного потенциала оставался неизменным во время записи, после чего проводят однократное проявление скрытого изображения.

При этом последнее экспонирование производят до снижения модуля поверхностного потенциала в два раза, что повышает отношение сигнал/шум.

Кроме того толщину фотопластической среды и угол между опорным и 45 объектным лучами выбирают таким образом, что произведение низшей регистрируемой пространственной частоты на толщину среды составляет 0,6-0,7, что позволяет снизить частотные ис- 50

4 циала поверхности пленки. Глубина модуляции поверхностного потенциала при экспозициях, соответствующих линейному участку модуляционной характеристики, и контрасте интерференционной картины 0,06-0,4 не превышает 0,018-0,12 от начального потенциала поверхности. Во время следующей за экспонированием дополнительной линейной зарядки при такой малой глубине потенциального рельефа изменение потенциала поверхности в каждой точке происходит почти на одинаковую величину, т.е. происходит рост постоянной составляющей потенциала, сопровождающийся незначительным уменьшением переменной составляющей, которое зависит от пространственной частоты. При повторном экспонировании вновь образующийся потенциальный рельеф суммируется с остаточным после дополнительной зарядки потенциальным рельефом, так как экспонирование производят тем же волновым фронтом. Таким образом, происходит усиление потенциального рельефа поверхности при сохранении или некотором увеличении постоянной составляющей потенциала, т.е. происходит увеличение произведения, которое определяет деформирующую силу скрытого изображения. Описанный процесс усиления скрытого изображения повторяют несколько раэ до образования величины потенциального рельефа, достаточной для получения требуемой дифракционной эффективности голограммы. Чрезмерное усиление скрытого изображения проводить нецелесообразно, так как из-за нелинейности светораэрядной характеристики фотопластической среды, а также нелинейной зарядки величину потенциального рельефа больше определенного усиления получить невозможно. Для того, чтобы избежать черезмерного усиления постоянной составляющей поверхностного потенциала при многократном усилении, длительность дополнительной зарядки выбирают таким образом, чтобы прирост потенциала за это время был равен спаду постоянной составляющей потенциала за время экспонирования при зарядке той же полярности или превыыал время первоначальной зарядки в 2 раза при зарядке противоположной полярности, 20 кажения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При первом экспонировании происходит формирование скрытого электроста- 55 тического изображения - потенциального рельефа, сопровождающееся уменьшением постоянной составляющей потенДля обеспечения линейного изменения потенциала поверхности при зарядке необходимо, чтобы зарядный ток

5 97 намного превышал токи утечки через фотопластическую среду и не зависел от потенциала поверхности пленки, Этого добиваются путем увеличения потенциала на коронирующей нити до 14 18 кВ или используют другие способы скоростной зарядки, а также увеличения .толщины фотопластической среды, Большая величина сил скрытого изображения, полученная повторными экспонированиями.с дополнительными зарядка" ми, обеспечивает получение высокой дифракционной эффективности при однократном проявлении, а также высокое отношение сигнал/шум.

Исключение из процесса усиления голограммы повторных проявлений устраняет возможность возникновения и усиления хаотических деформаций поверхности в процессе записи, устраняет нагрев и коробление фотопластической среды и.подложки, тем самым повышая оперативность и цикличность работы сред. Описанный способ записи позволяет значительно расширить передаточную характеристику среды в область высоких пространственных частот, причем такое расширение может сопровождаться как общим увеличением дифракционной эффективности записи при контакте интерференционных полос менее 0,5, так и увеличением дифракционной эффективности только в области высоких частот при контакте более 0,5. Это объясняется тем, что при дополнительной зарядке потенциальный рельеф низких пространственных частот будет уменьшаться сильнее, чем потенциальный рельеф высоких частот из-за перераспределения заряда в приповерхностном слое среды. Известно, что переменные составляющие электрического поля над поверхностью фоточувствительной среды уменьшаются при удалении от поверхности пленки по экспоненциальному закону

Е, exp (-Ж1 ° z) где - нормальная составляющая электрического поля;

Е - тангенциальная составляющая пРля и - пространственная частота записи.

При больших и составляющие потенциального рельефа затухают при удалении от поверхности пленки значительно быстрее, чем низкочастотные, тем самым оказывая значительно меньшее влияние на распределении подле6425 6 тающих к поверхности среды ионов при дополнительной зарядке. Этим эффектом, s частности, объясняется ухудшение передачи высоких пространственных

S частот при проявлении скрытого изображения заряженными порошковыми про" явителями в электрофотографии - в области низких пространственных частот частицы порошка передают потен10 циальный рельеф, распределяясь в соответствии со скрытым изображением, в области средних частот передача ухудшается, появляется общий фон, в области высоких частот заряженные

15 частицы не передают потенциальный .рельеф, распределяясь равномерно по поверхности, Аналогичное явление происходит при дополнительной зарядкев области низких пространственных

20 частот будет происходить выравнивание потенциального рельефа, в области средних - частичное снижение глубины модуляции, в области высоких частот потенциальный рельеф будет сохранен 5 почти полностью. При проведении ряда последовательных циклов усиления начального потенциального рельефа коэффициент усиления увеличивается с по" вышением пространственной частоты

З0 записи. Происходит расширение передаточной характеристики в область высоких частот и общая линеаризация передаточной характеристики в области частот выше квазирезонансных.

Время экспонирования и количество циклов усиления при регистрации голограмм определяется эмпирически. Для обычно используемых карбозолосодержащих фотопластических сред, сенсиби"

40 лизированных 1-84 (по весу) электронно-акцепторных веществ, нужное время экспонирования может быть определено по спаду постоянной составляющй поверхностью потенциала при экспони45 ровании. Фототок j в этих средах при обычно используемых электрических полях 0,2-2) 10 8/м выражается зависимостью IjI А g U - /Д ; где 3 - интенсивность падающего све50 та;

U - потенциал поверхности фотопластической среды;

d " "толщина пленки;

A " коэффициент, зависящий от

55 коэффициента поглощения и квантового выхода используемой среды.

При малых временах зарядки тонкие пленки фотопластических сред могут

7 9764 быть описаны моделью плоского конденсатора, в этом случае уравнение светс вого спада потенциала имеет вид

dU 1 dQ 1 U+ — = - — А»вЂ”

dt c dt с d> у 5 где Q - заряд на поверхности пленки, — <О, так как происходит уменьшение сЩ.

< заряда во времени; с - емкость фотопластической среды; t - текущее вре- 10 мя.

Решение этого уравнения при начальном условии U/t=0 = U представляет собой гиперболическую зависимость, что подтверждается на экспе- 35 рименте

1 1 АЭ вЂ” =+ t, 0 Uр ссГ

Для двух разЛичных точек поверхности, освещаемых светом с различными ин- 20 тенсивностями Э,! и 3, можно записать

1 1 АЗл — = — + — t;

25 с0 Я.:ь 1 при t = М

ЬО

U мсек с 2

Э - »1 где к =

3 +3 q

Наиболее просто зависимость a.u(t)

45 можно получить путем графического перемножения зависимостей 0() U(t) t, причем для удобства пользования графиком ось ординат удобно выразить в единицах ЬU/Uo., Деформирующая сила, как отмечалось ранее, пропорциональная произведению ЬО . U, эту зависимость также легко получить путем графического перемножения соответствующих кривых. При линейной дополнительной зарядке, осуществляемой таким об" 55 разом, происходит восстановление первоначального потенциала .U, например в точке поверхности пленки 2, точка 1

1 1 АЭя.

4-

U Uo d c

Отсюда можно легко найти глубину obразующегося при экспонировании потен циального рельефа 60 = 0< - О

ЬО=UОА

»а. -Э 30

cd Учитывая, что при контрасте интерференционных полос k< 0,4 на линейном участке модуляционной кривой

J U< — Q ) < 0,12 UO, можно приближен( но считать U U U. Исследование величины ЬО на экстремум при таких условиях показывает, что

25 8 будет иметь потенциал Uo+hU. В этом случае, при повторном экспонировании пленки тем же BoaHoBblM (ppoHTQM HQMHQ записать

1 1 А»<

a.—

ОЛ Uîau d

1 А»д.

U U о dË.с

Глубина потенциального рельефа при первом повторном экспонировании Ь U в этом случае

ЬО = ЬО()> (3 -Э )

U - AtU

4 Uî dec

=ЬО()+ЬО

U "о

Таким образом, за время дополнительного экспонирования мы получаем усиление прежнего потенциального рельефа ЬО на величину АО(Оф, что и обуславливает получение полезного эффекта. Зависимость ЬО от времени получаем описанным выше графическим способом, умножая зависимость DU(t) на возведенную в квадрат зависимость

U/Оо и суммируя ее с зависимостью

hU(t). Аналогичным образом можно получить глубину потенциального рельефа, получаемого при i-ом цикле усиления, в этом случае графические построения проводят с использованием зависимости Щ. (й). Соответствующие зависимости ЬО„- U. получают такие способом графического умножения.

Рассчетные зависимости 50„ и Ь U„. U от времени экспонирования приведены на фиг. 1 и 2. Кривые 1-7 — примеры первого и последуюцих повторных экспонирований. Видно, что наибольшее усиление деформируащей силы, пропорциональной О ° О, можно получить при длительности экспонирований, соответствующих спаду постоянной составляющей поверхностного потенциала

1 на 5-20 от начального. При этом, как отмечалось ранее, длительность дополнительной зарядки целесообразно устанавливать таким образом, чтобы происходило восстановление начального потенциала поверхности (по модулю) или наблюдался его незначительный рост. Для этого длительность дополнительной зарядки устанавливают равной 5-203 от первоначальной при заряде той же полярности и 2003 при заряде противоположной полярности, Количество повторных экспонирований и дополнительных зарядок нецелесооб97642 разно устанавливать более 6-7, так как с увеличением числа циклов усиления, коэффициент усиления резко снижается и при больших временах экспонирования наблюдается рост нелинейных искажений. Для получения записи с малыми нелинейными искажениями, время экспонирования целесообразно выбирать в пределах, соответствующих спаду постоянной составляющей по- |o тенциала на 5- 104 и проводить 4-5 циклов усиления.

При использовании предлагаемого способа записи с целью получения повышенного отношения сигнал/шум в записанной голограмме, последнее экспонирование производят до снижения модуля поверхностного потенциала в

2 раза, т.е. длительность последнего экспонирования устанавливают равной 2в

150-400/ от предшествующих. При этом происходит значительное уменьшение постоянной составляющей поверхностного потенциала. После проявления это сопровождается как уменьшением дифрак-2S ционной эффективности записи, пропорциональной U, так и уменьшением хаотических деформаций, амплитуда которых пропорциональна exp(d - U ), где оС- коэффициент, не зависящий от напряжения. Полезный эффект обусловливается значительно более резким уменьшением хаотических деформаций поверхности по сравнению с регу" лярным рельефом. Однако при черезмер35 ном уменьшении дифракционной эффективности записи отношение сигнал/шум может начать ухудшаться, так как уровень шума, обусловленный косметическими дефектами пленки, не зависит от напряжения. Таким образом, увеличение. длительности последнего экспо- . нирования более, чем в 4 раза, что соответствует спаду постоянной составляющей поверхностного потенциала фЯ не более, чем в 2 раза, нецелесообразно.

Известно, что в области пространственных частот записи, выше и ниме квазирезонансной, происходит спад

50 передаточной характеристики, причем в области высоких пространственных частот максимальная дифракционная эффективность записи падает пропорционально 1/И.

SS

Предлагаемый способ записи, как отмечалось, позволяет расширить полосу регистрируемых пространственных

5 10 частот в высокочастотную область за счет увеличения коэффициента усиле" ния при увеличении пространственной частоты потенциального рельефа. Таким образом, скорость спада переда-. точной характеристики при пространственных частотах выше квазирезонансных, при использовании предлагаемого способа записи снижается и передаточная характеристика линеаризируется, а при частотах ниме квазирезонансных, скорость спада характеристики увеличивается. Поэтому, для снижения частотных искажений целесообразно проводить запись голограмм на частотах, превышающих квазирезонансную. При этом, кроме того, можно сократить время проявления и стирания записи, тем самым повысив оперативность и цикличность работы сред, и дополнительно увеличить отношение сигнал/шум. Это объясняется тем, что высокие пространственные частоты достигают максимума развития и стираются раньше, чем квазирезонансные и низкочастотные, тем самым способствуя подавлению хаотических деформаций на этих частотах.

Таким образом, для записи голограмм предлагаемым способом, толщину фотопластической среды и угол между опорным и объектным лучами выбирают таким образом, что произведение низшей регистрируемой пространственной частоты на толщину среды составляет

0,6-0,7, так как для практически ис" пользуемых карбазолосодержащих сред при удельных потенциалах поверхности пленки 100-200 В/мкм и однократном проявлении произведение квазирезонансной пространственной частоты на толщину пленки не превышает 0,6.

Пример 1. фотопластическую среду, нанесенную на стеклянные подложки, покрытые двуокисью олова, и представляющую собой сополимер 9-винил и 9-пропенилкарбазола, сенсибилизированный 4/ (по весу) 2, 4, 7 три" нитрофлуоренона, равномерно заряжают в темноте с помощью коронного разряда в течение 130 мс. Толщина пленки

1,8 мкм. Потенциал коронирующей нити при всех зарядках поддерживают равным

14 кВ. После зарядки производят регистрацию голограммы плоского волнового фронта, при этом Э =0,18 Вт/м, 1.

3 = 73 Вт/м . (т.е. K = 0,1), пРо" . странственная частота записи N

= 400 мм ", используемый источник 11 9764 когерентнога света - лазер типа

ЛГ-38. Длительность экспонирования пленки 20 мс После этого производят усиление скрытого электростатического изображения, для чего в темноте производят первую дополнительную зарядку пленки длительностью 25 мс. За" тем производят первое повторное экспонирование тем же волновым фронтом цлительностью 20 мс. Описанный про- 1р цесс дополнительной зарядки и повтор ного экспонирования повторяют 5 раз. После окончания последнего повторного экспонирования пленку проявляют путем пропускания прямоугольного импульса тока через подслой из двуокиси олова.

Длительность проявления 550 мкс, на-. пряжение проявления 160 В, сопротив" ление проводящего подслоя 30 Ом, образец представляет собой матрицу с элементами размером 8» 8 мм. После охлаждения пленки до комнатной температуры измеряют дифракционную эффективность записи q и отношение сигнал/шум с помощью фотоприемника чувствительностью 100 Вм /Вт. 3а отношение сигнал/шум принимают отношение интенсивности света, измеренного .в первом порядке дифракции к наиболь" шей интенсивности окружающей засветки, лзмеренной непосредственно возле первого порядка дифракции. В ре" зультате описанного процесса записи получают голограмму плоского волнового фронта с g 103 и отношением сигнал/шум 400:1. При обычном после" довательном процессе записи, т.е. при проявлении после первого же экспонирования, получают следующие,параметры голограмм: = 1,23 и отношение сигнал/шум 100:1. Таким образо зом, использование предлагаемого процесса записи позволило повысить дифракционнуа эффективность в 8,3 раза и отношение сигнал/шум в 4 раза.

Пример 2. На фотопластичес43 кую среду, описанную в примере 1, производят запись голограммы плоского волнового фронта, последователь-.. ность и режимы записи те же, что и в примере 1. Однако длительность -последнего повторного экспонирования устанавливают равной 80 мс. При этом получают голограмму с параметрами

p - =33 и отношение сигнал/шум 900:1.

Таким образом, использование предлагаемого способа записи позволило увеличить. дифракционную эффективность в 2,5 раза и отношение сигнал/шум в

25 12

9 раз по сравнению с известным последовательным способом записи.

Пример 3. Производят запись голограммы равномерно освещенного диффузора, представляющего собой два плоскопараллельных матовых стекла, расположенных друг за другом с зазором 2 мм, что необходимо для увеличения равномерности рассеяния света.

Область пространственных частот записи составляет 300-1500 мм -". Интенсивность опорного луча 5 Вт/м, средняя интенсивность объектного

0,2 Вт/м . В качестве фотопластичес2. кой среды используют полиэпоксипропенилкарбазол, сенсибилизированный 4 (no весу) тринитрофлуоренадицианометилена, толщина пленки 1,2 мкм. Последовательность операций записи та же, что и в примере 1. Потенциал коронирующей нити при всех зарядках составляет 12 кВ,, Длительность всех экспонирований 100 мс. Длительность первой зарядки 150 мс, дополнительных зарядок - 30 мс. Проявление записи осуществляют одним прямоугольным импульсом тока длительностью 0,7 мс, напряжение проявления 200 В, сопротивление проводящего подслоя 90 Ом. После охлаждения произвОдят считывание полученной голограммы путем углового перемещения фотоприемника относительно опорного луча. При этом расстояние фотоприемника от плоскости голограммы сохраняют равным 60 мм. Каждому углу отклонения фотоприемника от опорного луча соответствует своя пространственная частота. Диаметры входного окна фотоприемника и восстанавливающего.луча - 2 мм.

Предлагаемый способ записи позволяет значительно увеличить полосу регистрируемых пространственных частот в сторону высоких, например по уровню 0,7 на 400 мм, и увеличить дифракционную эффективность записи в области высоких частот до 4 раз при приведенных режимах записи.

Предлагаемый способ записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах позволяет получить увеличение дифракционнои эффективности записи и отношения сигнал/шум до

10 раз, а также до 2 раз расширить передаточную характеристику в область высоких частот, считая от частоты квазирезонанса, Это позволяет получать голограммы диффузных протяженных объектов, а также голограммы любых

Формула изобретения

13 976425 других видов при малом контрасте интерференционных полос, с большой дифракционной эффективностью и высоким отношением сигнал/шум. При регистрации голограмм предлагаемым способом значительно уменьшаются частотные искажения. Использование способа не приводит к снижений цикличности и оперативности работы сред, так как процесс усиления является чисто фи- 10 зическим, протекающим при комнатной температуре. Предлагаемый способ позволяет выделить слабый когерентный сигнал на фоне шума и проводить запись голограмм при сильной равномер- ts ной окружающей засветке, так как с помощью дополнительных зарядок восстанавливается постоянная составляющая потенциала поверхности пленки.

В ряде случаев предлагаемый способ 2о позволяет отказаться от применения высокочувствительных регистрирующих сред, так как с целью сокращения времени экспонирования может быть просто увеличена интенсивность опор- 2S ного луча. Высокая экономическая эффективность предлагаемого способа записи обусловливается тем, что полезный эффект достигается без дополнительных экономических и материаль- ЗО ных затрат, без применения новых устройств и элементов.

1. Способ записи фазовых голограмм на однослойных фотопластических средах, заключающийся в зарядке поверхности среды, формировании скрытого изображения экспонированием интерференционной картины при интенсивности опорной волны больше интенсивности объектной волны, проявлении скры1

l4 того изображения, закреплении полученного рельефа и дополнительной зарядке поверхности, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения дифракционной эффективности голограмм, увеличения отношения сигнал/шум за счет устранения "морозной" деформации и расширения полосы регистрируемых пространственных частот в высокочастотную область, усиливают скрытое изображение путем повторного экспонирования по крайней мере один раз тем же волновым фронтом, причем дополнительную зарядку проводят каж° дый раз таким образом, чтобы изменение потенциала поверхности происходило на линейном участке и средний модуль поверхностного потенциала ос" тавался неизменным во время записи, после чего проводят однократное проявление скрытого изображения.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше" ния отношения сигнал/шум, последнее экспонирование производят до снижения модуля поверхностного потенциала в два раза.

3. Способ по и. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью снижения частотных искажений, толщину фотопластической среды и угол между опорным и объектным лучами выбирают таким образом, что произведение низшей регистрируемой пространственной частоты на толщину среды составляет 0,6-. 0,7.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Credellе T.L. Spong F.×. Thermoplastic media for holographiñ recording R.Ñ.A. Rev. 1972, 33, и р. 206-226.

2. Заявка франции h" 2292275,, кл. G 03 Н 1/04, опублик. 1976 (прототип).

976425 гкс. олюосил.

Единицу

Тираж 488

ВНИИПИ Заказ 9001/75

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

2 3 4

8+CMR Ph CltdA peAtAöð ёиг. f

2 8

Юрг ж экспониро5аиия

Фиг, 1

t экс юлжгчилч микис ы