Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
СМІРНОВА ТЕТЯНА МИКОЛАЇВНА
УДК 535.31; 681.7; 778.38.01:5.35
ГОЛОГРАФІЧНИЙ ЗАПИС НА ФОТОПОЛІМЕРАХ:
МЕХАНІЗМИ І РЕЖИМИ ЗАПИСУ, ДИФРАКЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ
ГОЛОГРАФІЧНИХ ГРАТОК
01.04.05 - оптика, лазерна фізика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Київ - 2001
Дисертація є рукописом.
Робота виконана у Відділі фотоактивності
Інституту фізики НАН України
Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник Інституту фізики НАНУ, професор Є.О.Тихонов.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник Інституту фізики НАНУ, професор А.О.Борш;
доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник Державного оптичного інституту ім. С.Вавілова (Санкт-Петербург), професор Д.І. Стаселько ;
доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу Інституту фізики напівпровідників НАНУ, професор І.З. Індутний;
Провідна організація: Київський університет ім. Тараса Шевченка, фізичний факультет, кафедра оптики.
Захист відбудеться 22 ___лютого__ 2001 р. в 1430 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: Київ, просп. Науки, 46.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики НАН України за адресою: Київ, просп. Науки, 46.
Автореферат розісланий 22 _січня_ 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат фізико-математичних наук Іщук В.А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Фотополімерні композиції (ФПК), дослідженню яких присвячена дисертаційна робота, належать до найбільш популярних реєструючих середовищ для голографії. Вони забезпечують запис тривимірних (брегівських) фазових голограм з високою довготривалою стабільністю параметрів. Стимулом до розвитку вказаних матеріалів послужив комплекс притаманних ним властивостей.
Передусім вони забезпечують формування і фіксацію голограм безпосередньо в процесі запису, що розширює область їх застосування від образотворчої голографії і виготовлення голографічних оптичних елементів (ГОЕ) до голографічної інтерферометрії та пристроїв кореляційної оптики. Відсутність хімічної обробки також спрощує і здешевлює технологію виготовлення голограм.
Другим не менш важливим фактором є те, що полімери, як і інші органічні сполуки, відносно дешеві і мають більш різноманітну структуру, яка легше піддається модифікації, ніж, наприклад, кристали, що відкриває можливості управляти їх фізичними і голографічними властивостями.
Все вищезгадане послужило причиною інтенсивних досліджень фотополімерних середовищ, підсумком яких став комерційний випуск деяких матеріалів рядом зарубіжних фірм.
ФПК являють собою багатокомпонентні суміші, основними компонентами яких є полімеризаційноздатні (ПЗ) сполуки і ініціатор (сенсибілізатор) радикальної фотополімеризації. Відгук системи на світлове поле зумовлюється фотополімеризацією, формування і фіксація голограми –дифузійним перерозподілом компонент. По кількості компонент, що беруть участь у дифузійному процесі, відомі ФПК можна розділити на бінарні і монокомпозиції. Перші містять дві ПЗ компоненти з істотно різною реакційною здатністю (у граничному випадку одна з компонент може бути хімічно інертною). У других рухлива ПЗ компонента і ініціююча система введені в нейтральну полімерну матрицю. Ця робота присвячена дослідженню і створенню бінарних композицій, однак спільність механізму запису зумовлює схожість в закономірностях формування голограм у вказаних середовищах.
Актуальність теми дисертаційної роботи зумовлюється:
- зростаючим попитом на синтетичні полімерні матеріали для голографічного запису, які успішно замінюють галогенідосрібні середовища і біхромовану желатину в різних областях застосувань;
- назрілою потребою в створенні методів визначення оптимального складу носія по фізико-хімічним властивостям його компонент для переходу від емпіричного пошуку ефективних середовищ до цілеспрямованого управління їх параметрами;
- відсутністю достатньої наукової бази для здійснення вказаного переходу і, отже, потребою в поглибленому комплексному вивченні закономірностей формування голограм на фотополімерних матеріалах.
Зв'язок з програмами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках наукової тематики Інституту фізики НАН України. Нижче перераховані відповідні теми, в дужках вказана роль автора в їх виконанні.
Бюджетні теми:
1980-1984 рр.. “Дослідження і створення активних і пасивних періодичних структур для генерації, підсилення і фільтрації світла" №держ.реєс.081022744 (відп. виконавець).
-1989 рр.. “Дослідження нелінійно-оптичних, спектроскопічних і фотохімічних явищ і процесів в полімерах і полімеризаційноздатних композиціях і створення на цій основі лазерних і голографічних оптичних елементів і лазерів" №держ.реєс.01860042918 (відп. виконавець);
-1994 рр.. “Лазерна фотофізика композиційних органічних матеріалів і її використання в квантовій електроніці, голографії і інформатиці" 1.4.1 - В/69 №держ.реєс. 0192V018158 (відп. виконавець);
-1996 рр.. “Нелінійні і оптичні явища в забарвлених рідинах і полімерах при взаємодії з лазерним випромінюванням піко-, фемтосекундної тривалості і голографічні дифракційні структури на фотополімерах" 1.4.1. В/10, № держ.реєс. 0194V024078 (відп. виконавець);
-1999 рр.. “Дослідження світлоіндукованих періодичних структур, перетворень і самодифракції падаючого і генерованого випромінювання в полімерах і рідинах" 1.4.1. У/31-25, № держ. реєс. 0197V009164 (відп.. виконавець);
-2002 рр.. “Оптика голографічних і градієнтних структур в фотополімерах і їх використання в лазерах і системах голографічного розпізнавання образів" 1.4.1В/62, №держ.реєс.0100V000283 (відп. виконавець).
Проекти Державного комітету по науці і технології (ДКНТ):
.01/05348 по дог. № 2/1078-97 “Розробка технології виробництва полімерних лазерних нелінійно-оптичних і реєструючих голографічних матеріалів і елементів" №держ.реєс.00197V19271 (відп. виконавець);
.01/00206Р-95 компл. проект №06.01.02\005К-95 “Фотополімерний матеріал для запису голографічних зображень з фізичним виявом і фіксацією" (відп. виконавець);
М/1380-97 “Розробка нових лазерних систем і керуючих пристроїв лазерної техніки" (відп. виконавець).
Тема фонду фундаментальних досліджень ДКНТ, “Дослідження механізмів голографічного запису на фотополімерних матеріалах", шифр “ФПК", №держ.реєс.0193U042236 (керівник теми).
Мета роботи –розробка фізичних основ створення фотополімерних композицій для голографічного запису, удосконалення методів запису, що включає:
- встановлення взаємозв'язку між голографічними характеристиками матеріалів, фізико-хімічними властивостями компонент середовища і кінетичними параметрами процесів, що зумовлюють формування голограм;
- визначення умов реалізації високоефективного запису в фотополімерах;
- створення і удосконалення фотополімерних композицій для виготовлення голографічних граток і ГОЕ на їх основі.
Для виконання поставленої мети вирішувалися такі задачі:
- розробка базової композиції для проведення досліджень;
- визначення залежності голографічних характеристик матеріалу від термодинамічної сумісності і концентрації компонент композиції; дослідження впливу структури полімеру, що формується, на параметри голограм;
- вивчення особливостей кінетики запису і визначення вкладів в неї полімеризаційного і дифузійного процесів;
- теоретична розробка кінетичної моделі запису;
- дослідження динамічних ефектів, що розвиваються в реєструючому шарі при прямому голографічному записі і розробка методів мінімізації їх впливу на параметри граток;
- вивчення особливостей запису в середовищах із змінним середнім показником заломлення та усадкою;
- узагальнення результатів і розробка методів модифікації матеріалів.
Наукова новизна отриманих результатів:
. Створено ряд оригінальних фотополімерних композицій ФПК-488,520,650, які вміщують ПЗ сполуки (мономери, олігомери) та хімічно нейтральну компоненту. ФПК забезпечують ефективний запис в спектральному діапазоні 350-670 нм голографічних граток з високою довгостроковою стабільністю параметрів.
. Встановлено полімеризаційно - дифузійний механізм голографічного запису на фотополімерних композиціях, які містять ПЗ сполуки та нейтральну компоненту. Показано, що об'ємні голограми формуються в процесі запису в результаті дифузійного перерозподілу олігомеру (мономеру) і нейтральної компоненти між ізофазними площинами голограми
. Вперше визначена роль фазового розділення композиції в формуванні та фіксації голограм. Встановлено, що голограми на досліджуваних композиціях є двофазними просторово –впорядкованими структурами, рівноважність яких забезпечує довгострокову стабільність голограм. Показано внесок фазового розділення в формування рельєфу на подібних середовищах, його вплив на голографічні характеристики ФПК.
. Запропонована і розвинута термодинамічна модель процесу голографічного запису на бінарних ФПК, у відповідності з якою голограми формуються внаслідок фазового розділення первісної композиції і просторового перерозподілу фаз, що утворюються, між ізофазними площинами голограми. Вперше визначено залежність концентраційного складу і голографічних характеристик фотополімерних середовищ, від термодинамічної спорідненості компонент композиції, яку можна кількісно охарактеризувати відмінністю їх параметрів розчинності. Для матеріалів типу ФПК-488 визначено допустимий діапазон відмінності параметрів розчинності полімеру і НК, в межах якого реалізується максимальна ефективність і швидкість запису.
5. Вперше експериментально і теоретично вивчено вплив кінетичних параметрів полімеризаційного і дифузійного процесів на кінетику формування голограм на ФПК. Розділено внески вказаних процесів в кінетику запису. Визначено умови запису, при яких ефективність і швидкість запису визначаються кінетичними параметрами полімеризаційного процесу і не залежать від швидкості дифузійного масопереносу. Виділено елементарні реакції полімеризації що максимально впливають на швидкість і ефективність запису в досліджуваних ФПК.
Встановлено механізм темнового самопідсилення голограм на ФПК. Показано, що після припинення опромінення голограми формуються внаслідок розвитку постполімеризаційного процесу. Визначено умови підвищення його ефективності. Реалізовано постполімеризаційне підсилення граток на ФПК до дифракційної ефективності 100%.
. Вперше для теоретичного опису голографічного запису на фотополімерах запропоновано використання кінетичного методу описання фотополімеризації, виділено основні елементарні реакції та враховано особливості полімеризації при глибоких степенях перетворення. В результаті розроблено теоретичну модель процесу запису, яка дозволила проаналізувати залежність кінетики запису від кінетичних параметрів процесів полімеризації і взаємодифузії компонент.
Запропоновано критерій ефективності запису, що встановлює співвідношення між кінетичними параметрами полімеризації, коефіцієнтом взаємодифузії компонент, інтенсивністю і періодом поля, виконання якого забезпечує досягнення максимальної ефективності і швидкості запису та мінімізацію нелінійності відгуку середовища.
. Вперше на підставі встановленого зв'язку між голографічними характеристиками ФПК її складом та кінетичними параметрами процесів, що зумовлюють запис, запропоновано критерій вибору компонент композиції згідно з їх термодинамічними та фізико-хімічними властивостями.
. Вперше визначено залежності дифракційних властивостей граток різного типу (пропускних об'ємних та рельєфних, відбивних) від особливостей механізму їх формування, а саме: нелінійності відгуку на світлову дію, зміну середнього показника заломлення та усадки матеріалу в процесі запису. Запропоновано метод компенсації розузгодження інтерференційної картини та гратки, який забезпечує формування в процесі запису високоефективних відбивних граток.
. Поглиблено уявлення про особливості нестаціонарного перетворення когерентних світлових пучків в середовищах з локальним інерційним нерелаксуючим відгуком, до яких належать фотополімери. Вперше показано, що усадка матеріалу яка приводить до зміщення гратки відносно поля, є фактором, що підсилює динамічний енергообмін у подібних середовищах. Досліджено динамічне самопідсилення голограм і фотоіндуковане світлорозсіяння в фотополімерах. Запропоновано метод зменшення фотоіндукованого світлорозсіяння, яке визначає шумові характеристики голографічних граток, оснований на використанні постполімеризаційного самопідсилення голограм, що забезпечує ефективний запис граток з товщиною до 1 мм і відповідно високою кутовою та спектральною селективністю.
Практичне значення отриманих результатів.
Результати роботи можуть стати основою для:
1) створення фотополімерних голографічних матеріалів з необхідними параметрами;
) розробки голографічних методів дослідження дифузії у багатокомпонентних сумішах в умовах відбування хімічних реакцій, вимірювання кінетичних параметрів полімеризації та термодинамічної сумісності полімерів і розчинників.
Розроблені фотополімерні матеріали можуть використовуватись для виготовлення ГОЕ та фазових масок, при вирішенні задач кореляційної оптики, для голографічної фотографії, що продемонстровано в роботі низкою прикладів.
Зокрема, голографічні гратки на ФПК-488 випробувались в дисперсійних резонаторах імпульсних лазерів на барвниках зі змінною довжиною хвилі генерації. Перехід від традиційних рельєфних відбивних граток до об'ємних пропускних дозволив суттєво покращити характеристики лазерів.
Особистий внесок автора полягає в наступному:
- Автором визначено ціль і задачі дисертаційної роботи, обрано та обгрунтовано методи дослідження, автор приймала участь у постановці та проведенні експерименту.
- В роботах, які визначають наукову новизну дисертації [2-25], автору належить провідна роль в постановці наукових задач, аналізі інтерпретації та узагальнені результатів, написанні статей.
- Задачі робіт [3,5,9,14-16,21] були поставлені автором сумісно з Є.О. Тихоновим. У [2,4,6-8,11-13,17] задачі досліджень були поставлені автором. Інші автори вказаних робіт приймали участь у проведенні експерименту, обговоренні результатів та оформленні статей. Роботи [18-20,31,32] виконано автором особисто. Також особисто виявлено та пояснено ефект темнового підсилення голограм [4,8], запропоновано механізм формування рельєфних структур [13], розвинуто термодинамічну модель процесу голографічного запису [16-19], запропоновано метод оптимізації складу композицій [19] та спосіб запису відбивних граток [14,15]. В роботах [1,10] автор приймала участь в експериментальних дослідженнях, аналізі та обговоренні результатів, написанні робіт. Роботи [2-9,11-21,29-35] були написані автором.
- При розробці теорії голографічного запису автором поставлено задачу, запропоновано модель процесу, при одержанні загальної системи рівнянь автором описано полімеризаційний процес [22,24], проаналізовано кінетичні закономірності та сформульовано критерій ефективності запису [25]. Узагальнене дифузійне рівняння в системі рівнянь одержано В.В.Обуховським [22] та обгрунтовано Г.М.Карповим [24,27]. Г.М.Карповим за участю В.В.Обуховського виконано всі розрахунки [22-27]. Г.М.Карповим також проведено узагальнення системи рівнянь для опису процесу запису в бінарних та монокомпозиціях [28] та передбачено ефект інверсії фази гратки [25]. Вказані співавтори рівною мірою приймали участь в обговоренні результатів, написанні статей [22-28], інші співавтори цих робіт приймали участь в одержанні експериментальних результатів.
Випробування роботи Матеріали дисертаційної роботи докладалися на IV і VI Всесоюзних конференціях по голографії (Єреван, 1982 і Вітебськ, 1990), IY Всесоюзній конференції “Перестраиваемые по частоте лазери”(Новосибірськ, 1983), III Всесоюзній конференції по обчислювальній оптоелектроніці "Проблемы оптической памяти" (Єреван, 1987); XIII Всесоюзній конференції по КиНО (Мінськ, 1988), та слідуючих міжнародних конференціях: семінарі ЮНЕСКО “Three-Dimensional Holography. Science, Culture, Education" (Київ, 1989), по голографії кореляційній оптиці і реєструючим матеріалам (Чернівці, 1993), “Optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro- and quantum electronics" (Київ, 1995, 1997), “Optical holography and its applications" (Київ, 1997), “Coherent and nonlinear optics- ICONO'98" (Москва, 1998), “Nonlinear optics of liquid and photorefractive crystals" (Крим, 1995, 1997 р.), “Advanced materials" (Київ, 1999), “Application of photonic techniligy" (Canada, Quebec, 2000).
Публікації. Основні результати, що виносяться на захист, викладені в 28 статтях, опублікованих в фахових журналах і збірниках, 10 доповідях, опублікованих в тезах та трудах конференцій, список яких наведено в кінці автореферату.
Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 8 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 216 найменувань, і додатку. Повний об'єм дисертації становить 317 стор., включаючи 268 стор. тексту, 23 таблиці, 100 малюнків, 20 стор. списку використаних джерел, і 2 стор. додатку.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У розділі 1 приведено класифікацію полімерних реєструючих середовищ для об'ємного голографічного запису. Проаналізовано основні етапи в розробці фотополімерних матеріалів, розвитку уявлень про механізми формування голограм, спадкоємність в підходах.
Тут також описано дослідження, що привели до розробки базової композиції. Внаслідок аналізу відомих з літератури ФПК і попередніх досліджень композицій різного складу розроблена оригінальна бінарна композиція ФПК-488. Вона містить: суміш олігомерів з класу олігоуретан- і олігоефіракрилатів, утворюючих сітчасті полімери; ініціюючу систему, що забезпечує світлочутливість в спектральному діапазоні 350-520 нм; нейтральну компоненту (НК) з більш високим, ніж у полімера показником заломлення. У ФПК-488 реалізовано підхід, заснований на використанні суміші ПЗ компонент з різною реакційною здатністю (реакційна здатність НК дорівнює 0). Голограми на ФПК-488 формуються в процесі запису і не потребують ніякої постобробки. ФПК забезпечує довготривалу (більше 5 років) стабільність параметрів граток.
Розділ 2 присвячено дослідженню механізму голографічного запису на ФПК, встановленню ролі фазового розділення композиції в формуванні голограм.
Експонування рідкого шару ФПК актинічним випромінюванням приводить до утворення вільних радикалів і ініціювання реакції радикальної полімеризації. Процес полімеризації супроводжується зменшенням об'єму, тобто усадкою і відповідно збільшенням густини () матеріалу. З іншого боку, розкриття подвійних зв'язків в молекулі мономеру чи олігомеру при входженні її в полімерну молекулу означає зміну електронної структури молекул і зменшення пов'язаної з нею поляризуємості (). Зв'язок між показником заломлення (n), і описується відомою формулою Лорентц-Лоренца.
Для ФПК-488, як і інших вінілових полімерів, перехід від мономеру (олігомеру) до полімеру супроводжується зростанням n, що є результатом перевищення збільшення густини над зменшенням поляризуємості (). Одержані дані про зміну n і усадку полімеру, що утворюється при полімеризації ФПК-488 і композиції без НК, приведено в таблиці 1.
Таблиця 1
Зміна n і d шару ФПК-488 при полімеризації
Параметри ФПК-488 без НК ФПК-488
Стан системи Рідка суміш Полімер Рідка суміш Полімер
nD 1.473 .521 .539 .560
Dn 0.048 .021
Dn/n 0.032 .014
Dd/d 0.25 .17
Очевидно, що при полімеризації ФПК в інтерференційному полі запис завжди буде мати місце внаслідок запізнювання полімеризації у вузлах поля відносно полімеризації в пучностях. Однак при відсутності дифузійного перерозподілу компонент формування стабільних голограм можливе лише у разі залежності густини і поляризуємості полімеру, що формується, від інтенсивності (I) поля. Залежність (I) в загальному випадку визначається двома чинниками: збільшенням глибини перетворення полімеру () і щільності полімерної сітки із зростанням I.
Таким чином, запис стабільних голограм на ФПК може зумовлюватися трьома процесами, що визначають модуляцію показника заломлення : 1)модуляцією густини - ; 2)модуляцією поляризуємості - і 3)модуляцією концентрації полімеру і НК (хімічного складу) внаслідок взаємодифузії олігомеру і НК між освітленими і неосвітленими областями.
Для з'ясування внесків різних механізмів в формування голограм запис голографічних граток в однакових умовах проводився на ФПК з різними НК і тій же композиції, але без НК. Відповідні кінетичні криві показано на рис.1
Для ФПК-488 спостерігається зростання дифракційної ефективності з подальшою стабілізацією при досягненні максимального значення. При відсутності НК гратка виявляється нестабільною. Залишкова =0.5%, відповідно амплітуда модуляції показника заломлення =6.9Ч10-4. Гратка при цьому має кутову селективність, що свідчить про об'ємну модуляцію n. Залишкова модуляція показника заломлення є результатом залежності n полімеру, що формується, від I записуючого поля. Для різних модифікацій ФПК (розд.5) залишкова дифракційна ефективність має різну величину. Так для олігомерної складової ФПК-488-А = 3% (=0.0017), ФПК-488-В = 7% (=0.0026). Однак, слабка залежність n(I), характерна для досліджуваних матеріалів, не забезпечує високоефективного запису на ФПК без НК.
Стабілізація граток при введенні різних НК і залежність їх від різниці між показниками заломлення полімеру () та НК () вказують на те, що основою механізму запису є дифузійний перерозподіл компонент. Дифузійний масопереніс є наслідком порушення термодинамічної рівноваги первісної суміші при полімеризації в інтерференційному полі. Напрямок дифузії НК можна встановити прямими вимірами зміни n на межі світла і тіні, оскільки, як видно з табл.1, введення в склад композиції НК з підвищує її n. Відповідні вимірювання показали збільшення n в неосвітленій області. Це дозволило зробити висновок, що НК дифундує з освітлених областей шару в неосвітлені. Гратка в цьому випадку () зсунута на відносно розподілу I поля. Якщо , максимуми в просторовому розподілі n відповідають пучностям поля. В останньому випадку на кінетичній кривій спостерігається максимум (рис.1, крива 3). Зменшення до стаціонарного значення пов'язано з полімеризацією і зростанням композиції у вузлах поля.
Відомо, що полімеризація олігомерів, які входять до складу ФПК, в присутності розчинників спричиняє утворення двофазної системи: дисперсії фази, збагаченої розчинником (фаза ), в полімерній матриці з рівноважним вмістом розчинника (фаза ). Логічно припустити, що голограма на ФПК також є двофазною структурою з просторово впорядкованим розподілом вказаних фаз. Це припущення підтверджено нами експериментально. Використання молекул несиметричного поліметинового барвника, смуги флуоресценції якого в полімерній матриці і НК істотно відрізняються спектральним положенням, як молекулярного зонда, дозволило підтвердити наявність в голограмі на ФПК областей збагачених НК. Залежність розмірів мікроструктури від I поля дозволила шляхом зменшення I отримати гратки, в яких фаза утворює мікрошари і може бути видалена промиванням в розчиннику, що приводить до зміни гратки. Початкову величину можна відновити, просочуючи її в НК.
Властивості гратки як двофазної структури залежать від термодинамічної спорідненості полімеру, що формується, та НК і можуть бути описані за допомогою фазових діаграм в координатах: –концентрація НК (об.%). В інтерференційному полі виникають дві підсистеми, що відповідають пучностям і вузлам поля. Полімеризація і витиснення надлишкової НК, яка перевищує її рівноважний вміст в полімері, спочатку відбувається в освітлених областях, що спричиняє появу градієнта концентрації НК. Якщо внаслідок запізнення полімеризації в неосвітлених областях взаємодифузія олігомеру і НК встигає встановлювати їх рівноважний розподіл в полімеризаті, то фазове розділення в неосвітлених областях буде відбуватися при концентрації НК, що перевищує початкову. Таким чином, фаза концентрується головним чином в неосвітлених областях, які відповідають вузлам поля. У відповідності з вищесказаним гратки можна визначити як
(1)
де - показники заломлення вказаних фаз; - об'ємні частки фази в пучностях і вузлах інтерференційного поля.
Перший співмножник в (1) залежить від ступені сегрегації компонент і при цілковитій несумісності полімеру і НК прямує до різниці їх n. Другий визначається концентрацією НК в композиції і швидкістю взаємодифузії компонент. Як буде показано нижче, в досліджуваних ФПК при N>800 мм-1 дифузійний процес не обмежує запису. Таким чином, динамічний діапазон матеріалу буде визначатися термодинамічною сумісністю полімеру і НК, яку можна охарактеризувати відмінністю їх параметрів розчинності (), і концентрацією НК в суміші. Із зростанням різниця збільшується. Величина ((кал/см3)1/2) визначалася методом набухання полімеру в НК. Величини наведено в літературі. При рівноважний вміст НК в полімерній сітці максимальний.
Досліджувались залежності граток від концентрації НК () для НК з різними (рис.2). Одержані криві подібні. Для різних НК запис розпочинається при різних початкових концентраціях НК -. Діапазон , в якому запис відсутній, збільшується із зменшенням , тобто величина обмежує діапазон рівноважних для полімеру, який формується, концентрацій НК. Показано, що величина може залежати від I поля. Із збільшенням до деякого оптимального значення спостерігається зростання . При > зменшується, і зростає світлорозсіяння в гратці. Величина зменшується із збільшенням , що приводить до зменшення . Для НК, які не створюють водневих зв'язків, оптимальна величина 2.5(кал/см3)1/2. При використанні НК, здатних утворювати водневі зв'язки, допустимий діапазон збільшується приблизно до 8 (кал/см3)1/2. Отримані результати підсумовано в табл.2 і на рис.3.
Зменшення приводить до збільшення швидкості полімеризації (vP) і відповідно швидкості запису (vr) (збільшується в'язкість системи, внаслідок чого зменшується кінетичний параметр обриву полімерного ланцюга) Отже, збільшення приводить до підвищення світлочутливості (S) ФПК. Таким чином, термодинамічна сумісність полімеру і НК є фактором, що визначає голографічні характеристики ФПК.
Дослідження світлорозсіяння в шарах ФПК, що містять різні НК, при фотополімеризації некогерентним світлом, а також мікроструктури полімеру, який утворюється, показали, що світлорозсіяння в шарі зростає внаслідок збільшення розмірів мікровключень фази , збагаченої НК. Причому, вказані розміри залежать від , швидкості полімеризації, а також величини міжфазного натягу. Із зростанням зменшується допустимий діапазон перевищення над в межах якого світлорозсіяння не обмежує ефективності запису. Вкажемо, що збільшення світлорозсіяння на надмолекулярній структурі приводить до підсилення шумових голограм і, як наслідок, до зменшення основної гратки. Отже, розмір мікрокрапель фази , є чинником, що обмежує величину і відповідно гратки.
Таблиця 2
Параметри і оптимальна концентрація НК,
яка забезпечує ефективний запис.
№ п/п НК nNC nP –-nNC dNC, (кал/см3)1/2 С*NC, об.%
1 Ацетонітрил .344 .176 .95
a-Бромнафталін .66 -0.140 .8 .98
Пентахлордіфеніл .636 -0.116 .5 .90
4 Хинолін .627 -0.107 .4 .85
Толуол .467 .023 .42
n-Гептан .387 .133 .6 .98
n-Гексан .375 .145 .5 .98
Трифторетанол .290 .23 .1 .94
Метанол .328 .193 .5 .60
Етанол .362 .159 .7 .68
Бутанол-1 .399 .122 .4 .74
Триетиленгліколь .456 .065 .7 .95
У Розділі 3 подано результати дослідження кінетики голографічного запису на ФПК. На рис.4 наведено приклад залежності кінетики та швидкості запису від I інтерференційного поля. Як і полімеризація ФПК, процес запису характеризується наявністю стадій автоприскорення та автогальмування. Встановлено такі кінетичні закономірності процесу запису:
- При LЈ1 мкм швидкість голографічного запису на стадії автоприскорення процесу, як і швидкість полімеризації, зростає пропорційно I1/2.
- При зростанні періоду інтерференційного поля (L>1 мкм) величина та швидкість запису зменшуються, причому залежність швидкості запису від I перестає бути степеневою.
В зв'язку з незначною залежністю щільності полімерної сітки від I поля, про що йшлося віще, зменшення із зменшенням I є результатом зменшення ефективного контрасту поля, за рахунок зближення швидкостей полімеризації в пучностях та вузлах поля. У вузлах поля полімеризація відбувається за рахунок дії розсіяного світла, термоініціювання домішками, постефекту, що виникає в разі попередньої полімеризації реєструючого шару некогерентним світлом (див. нижче), та просторової нелокальності полімеризації. Зауважимо, що попередня полімеризація шару використовується для підвищення швидкості полімеризації (запису) за рахунок виключення інкубаційного періоду, коли утворені світлом радикали витрачаються на взаємодію з інгібіторами.
Зменшення із збільшенням L є результатом обмеження дифузійного розділення компонент, що приводить до зменшення другого співмножника в (1).
Відомо, що у досліджуваних композиціях процес полімеризації проходить через стадію формування та росту надмолекулярных частинок (мікрогеля), внаслідок чого кінетика процесу визначається розповсюдженням фронту полімеризації від утворених на ранній стадії мікрогелєвих зародків. Це додає радикальній полімеризації топологічної схожості з процесом фазового перетворення згідно з нуклеаційним механізмом, що дозволяє описувати кінетику полімеризації рівнянням Аврамі-Єрофеєва:
, (2)
де - частка речовини, що зазнала перетворення; K - питома швидкість процесу перетворення; q - показник, що залежить від геометричної форми зростаючих утворень, характеру нуклеації і зростання зародків.
На початку запису, коли полімеризація відбувається лише у пучностях поля, і при умові встановлення рівноважного розподілу олігомеру і НК між пучностями та вузлами поля (характерний час дифузії значно менший характерного часу полімеризації) n1 буде приблизно пропорційним концентрації полімеру в пучностях. Тобто, можна передбачати, що буде зростати відповідно співвідношенню (2).
Наші дослідження підтвердили, що кінетика полімеризації матеріалів типу ФПК-488 і кінетика голографічного запису на них граток з LЈ1 мкм в діапазоні 0.214 мВт/см2 приблизно до ”.7 описуються залежністю (2) з однаковими значеннями q ”.5. Останнє, а також однакові залежності швидкостей запису і полімеризації від I поля дозволяють зробити висновок, що у вказаних діапазонах зміни I і L поля кінетика голографічного запису на ФПК визначається кінетичними параметрами процесу полімеризації і не залежить від швидкості дифузійного масопереносу.
Виявлено і досліджено ефект темнового самопідсилення голограм на ФПК, який полягає в значному (більш, ніж на порядок) збільшенні дифракційної ефективності слабких граток () при їх зберіганні в темряві. Дослідження кінетики темнового підсилення граток на ФПК без НК показало, що зростання гратки після припинення освітлення є результатом постполімеризації композиції. Встановлено, що значна ефективність постпроцесу в досліджуваних ФПК визначається кінетичними особливостями полімеризації олігомерів, які входять до їх складу. Кінетика полімеризації ФПК практично з початкової стадії є автоприскореною, тобто характеризується неперервним зростанням швидкості полімеризації до стадії автогальмування. Останнє свідчить про утворення довгоживучих макрорадикалів, які можуть продовжувати полімеризаційний процес після припинення дії світла. Супроводжуючий постполімеризацію дифузійний перерозподіл компонент, як і у разі неперервного запису, приводить до формування стабільних голограм.
Встановлено основні закономірності постполімеризаційного самопідсилення (ПСП) граток. Після припинення опромінювання ефективність граток () продовжує зростати до деякого стаціонарного значення. Швидкість зміни протягом постефекту зменшується. Початкова швидкість темнового підсилення гратки, кінцева величина і тривалість постефекту збільшуються із зростанням та I поля. Вказані закономірності відтворюють характерні особливості кінетики постполімеризації. Дифузійний процес проявляється в залежності ефективності ПСП від періоду гратки. Максимальна величина =0.009 досягається в діапазоні 1.2 і L і 0.7 мкм.
Оскільки ефективність ПСП залежить від часу життя макрорадикалів, який збільшується при збільшенні глибини полімеризації середовища (збільшення в'язкості гальмує реакцію обриву полімерного ланцюга), максимальну ефективності ПСП при мінімальній величині можна досягнути за рахунок попередньої полімеризації шару некогерентним полем. Останнє скорочує час експозиції когерентним випромінюванням і відповідно зменшує динамічне підсилення фотоіндукованого світлорозсіяння в шарі (розд.7). Реалізація ПСП робить матеріали типу ФПК-488 подібними середовищам із записом прихованого зображення, для яких ефекти розузгодження інтерференційного поля і гратки, а також фотоіндукованого підсилення шумів в процесі запису не актуальні. Внаслідок вищесказаного режим ПСП представляє практичний інтерес, як спосіб голографічного запису на ФПК.
Кінетичні закономірності голографічного запису на ФПК визначають залежність динамічного діапазону () та світлочутливості ФПК від I та L поля.
- Динамічний діапазон залежить від I записуючого поля, зростаючи із збільшенням I (рис.5).
- Енергетична (експозиційна) чутливість ФПК (), визначена як величина експозиції, що забезпечує досягнення максимальної дифракційної ефективності гратки, збільшується із зростанням I поля (рис.5). Швидкість запису (vr) при цьому також збільшується, що є результатом зростання швидкості полімеризації (vP) із збільшенням I (vP ~).
-Частотно - контрастна характеристика n1(N) (рис.6) залишається постійною в діапазоні 1.25іLі0.3 мкм. При L>1.25 мкм n1 зменшується, що є результатом дифузійного обмеження процесу запису із зростанням періоду () гратки.
-Роздільна здатність (R) досліджуваних ФПК визначається розмірами мікрочастинок
фази, збагаченої НК, що виникають внаслідок фазового розділення композиції, які в свою чергу залежать від термодинамічної спорідненості полімеру і НК і швидкості полімеризації (розд.2). Для матеріалів типу ФПК-488 R=6000 мм-1.
У розділі 4 розглянуто теоретичну модель голографічного запису на ФПК, згідно з якою формування голограм у вказаних матеріалах є результатом двох взаємопов'язаних процесів: фотополімеризації в інтерференційному полі і фотоіндукованого дифузійного просторового перерозподілу компонент.
Складність системи, що розглядається, неминуче вимагає ряду спрощень, які стосуються головним чином опису полімеризації. Так, в нашій першій роботі, присвяченій розробці теоретичної моделі [22], при описі полімеризації припускалося, що полімерні молекули формуються шляхом послідовного приєднання мономерних ланок, тобто враховувалася тільки реакція зростання ланцюга. Це дозволило для малих часів експозиції отримати аналітичний вираз для амплітуди модуляції показника заломлення :
, (3)
де - сумарна концентрація полімера, мономера і НК, - вміст НК в суміші, -дифузійний коефіцієнт, який описує взаємодифузію мономера і НК, ( -постійна, яка може бути виражена через молекулярні поляризуємості компонент).
Отримане співвідношення дозволяє якісно описати деякі закономірності процесу запису, що спостерігаються експериментально: зменшення із зростанням періоду поля, залежність від I і контрасту () поля. Крім того, з (3) випливає, що максимальна, коли початкова концентрація НК становить 50 об.%.
В подальших роботах ми використали кінетичний метод описання полімеризації. Розглядалися основні елементарні реакції ініціювання і полімеризації, а також враховувалися деякі особливості полімеризації при глибоких ступенях перетворення, а саме: нерівноважність концентрації макрорадикалів, змінність кінетичного параметру реакції обриву полімерного ланцюга.
Бінарна композиція, яка в початковому стані являє собою суміш мономеру і НК з об'ємними частками і N, в стадії часткової полімеризації є трикомпонентною системою, що містить дві рухомі компоненти (мономер і НК) і нерівномірно розподілену третю нерухому компоненту (полімер), і в якій існують два незалежних градієнти концентрації і один потік. Тому для опису дифузійного масопереносу в такій системі використовувалося узагальнене дифузійне рівняння
. (4)
Тут - дифузійний коефіцієнт, який в загальному випадку є функцією стану системи і може залежати від координати і часу.
В результаті для опису процесу запису в ФПК була одержана система рівнянь:
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Тут - концентрації ініціатора, макрорадикалів і полімера; - кінетичні коефіцієнти реакцій утворення макрорадикалів, зростання полімерного ланцюга, бімолекулярного і мономолекулярного обриву ланцюга, - параметр, що характеризує швидкість утворення первинних радикалів. Функції описують вплив присутності мономеру на кінетику розпаду ініціатора.
Процес запису граток описується кінетикою формування просторового розподілу компонент середовища. Зв'язок між гармоніками показника заломлення і просторовими гармоніками розподілу компонент може бути отриманий на підставі формули Лорентц-Лоренца в припущенні, що поляризуємість одиниці об'єму суміші речовини є адитивною функцією поляризуємостей її об'ємних частин.
, , (10)
де - різниця між показниками заломлення k і m компонент.
На основі системи (5-9) проаналізовано основні закономірності голографічного запису і встановлено взаємозв'язок між голографічними характеристиками ФПК і параметрами процесів, що забезпечують формування голограм. Аналіз проводився на прикладі випадку запису об'ємної пропускної гратки. При аналізі системи припускалося, що в процесі полімеризації домінує бімолекулярний обрив полімерного ланцюга і дифузійний коефіцієнт залишається постійним в процесі запису. Встановлено домінуючу роль безвимірного коефіцієнта Def, який залежить від співвідношення швидкостей дифузійного і полімеризаційного процесів, періоду та інтенсивності поля, в досягненні максимальною () і мінімізації нелінійності відгуку ФПК.
Запропонована модель дозволяє описати основні закономірності, властиві процесу запису в ФПК:
- Існування області оптимальних значень I записуючих пучків, при яких досягає максимально можливої для конкретної композиції величини, яка визначається різницею показників заломлення полімеру і НК і не залежить від I світла (рис.7).
- Наявність діапазону просторових частот, в якому і швидкість запису не залежать від параметрів дифузійного процесу (рис.8). Швидкість запису у вказаному діапазоні визначається параметрами полімеризаційного процесу. Найбільший вплив на кінетику запису в цьому випадку мають зміна параметру реакції обриву ланцюга і залежність реакцій ініціювання від концентрації мономера. Вказані закономірності відповідають експериментальним результатам, наведеним у розд.3
Запропоновано критерій ефективності запису в бінарних композиціях:
, , (11)
де величиназалежить від швидкості полімеризації, яка визначає величину параметра , коефіцієнта взаємодифузії рухомих компонент (), I і L поля, а величина I поля забезпечує істотне перевищення швидкості фотополімеризації над темновим процесом. Виконання вказаного критерію є необхідною умовою досягнення максимально можливих значень і швидкості запису.
Отримано досить добру згоду теоретично розрахованих залежностей при різних і , а також величини оптимальної концентрації НК з виміряними експериментально для композиції ФПК-488. Для вказаного матеріалу визначено дифузійний коефіцієнт, який приблизно дорівнює 1.3Ч10-9 см2/с.
У розділі 5 приведено результати по модифікації базової композиції ФПК-488 з метою збільшення і S матеріалу, а також променевої міцності голограм, основою якої послужив розвинений вище термодинамічний підхід. Модифікація проводилася шляхом послідовної заміни олігомерної складової і НК, які обирались таким чином, щоб була не меншою за 0.1, а лежала у вказаних вище діапазонах.
Дослідження показали, що променева міцність граток на полімерах ФПК-488 визначається властивостями НК, причому поріг багатоімпульсного руйнування підвищується більш, ніж на порядок при заміні ароматичних НК аліфатичними.
Вибір компонент ФПК з оптимальним поєднанням фізичних і термодинамічних параметрів дозволив отримати модифіковані матеріали ФПК-488-В і ФПК-488-С (табл. 3). Перший забезпечує збільшення в два разі і більш, ніж в шість разів, в порівнянні з базовою ФПК-488. Другий - підвищення променевої міцності голограм до величин більших 200 МВт/см2, що дає можливість використовувати гратки на основі ФПК-488-С для управління випромінюванням імпульсних лазерів високої потужності.
Таблиця 3
Голографічні характеристики модифікованих ФПК
Назва ФПК Dl, нм n1st S-1, мДж/см2 1)
ФПК-488 -515 .013
ФПК-488-А -515 .015
ФПК-488-В -515 .03
ФПК-488-С -515 .015
ФПК-520 -540 .022
ФПК-650 -670 .012
Примітка: S-1 визначено при I=0.2 мВт/см2.
Проведено сенсибілізацію ФПК в зеленій і червоній областях спектру. На основі двокомпонентних і трикомпонентних ініціюючих систем виготовлено композиції ФПК-520-А, В і ФПК-650, що забезпечують запис високоефективних фазових голограм в спектральному діапазоні 460-670 нм.
Досліджено температурну стабільність граток на матеріалах типу ФПК-488. Одержано такі результати. У межах + 100 >T>-10°C зміна незначна (до 5 %). На дільницях T<- 100 C та T>1000 C і до руйнування гратки (220-2500 С) зменшення
має зворотний характер. Зменшення з температурою в останньому випадку визначається температурною зміною умов фазової рівноваги системи полімер –НК, яка приводить до зближення складу фаз і і відповідно зменшенню різниці між їх показниками заломлення (). При Т < 00С спостерігається
монотонне зменшення і зростання світлорозсіяння в гратці, що, мабуть, пов'язано з кристалізацією фази, збагаченою НК (Т замерзання НК –0 С).
У розділі 6 розглянуто властивості об'ємних і рельєфних граток на ФПК.
Перетворення олігомера в полімер, що відбувається в процесі запису, супроводжується усадкою () реєструючого шару і зміною його середнього показника заломлення. В залежності від геометрії запису це може приводити до зміщення інтерференційного поля і гратки в процесі запису і відповідно самостиранню гратки. Нижче розглянуто вплив вказаних ефектів на формування граток різного типу.
У пропускних гратках з ізофазними площинами, перпендикулярними до поверхні гратки, зміна n не приводить до зміни L гратки. Усадка вздовж вектора гратки блокується адгезією полімеру до підкладинок. Усадка в перпендикулярному напрямі також не впливає на період гратки, тому формування граток в цьому випадку не супроводжується зміною їх параметрів.
Відмінність у хімічному складі полімерних шарів, що утворюють ізофазні площини граток, яка є результатом дифузійного перерозподілу компонент в процесі запису, приводить до залежності n1 від довжини хвилі тестуючого пучка (). Оскільки смуги поглинання полімеру і НК, які лежать в УФ-області спектру, розрізнюються спектральним положенням, при нормальній дисперсії ізофазні площини відрізняються залежністю , що приводить до збільшення n1 гратки при зменшенні (рис.9). Подібна залежність має місце при зчитуванні гратки хвилями з різною поляризацією: штрихам (s-поляризація) і штрихам (р-поляризація), при цьому . Анізотропія, що спостерігається, є результатом неоднорідної деформації полімеру внаслідок конкуренції між усадкою і силами адгезії до підкладинок. Блокування усадки вздовж вектора гратки силами адгезії приводить до розтягування полімеру в напрямку вектора гратки (паралельно р).
Як показали наші дослідження, дифракція на товстих по критерію Кука-Клейна (Q>10) гратках на ФПК досить добре описується в двохвильовому наближенні Когельника. Проте крім дифракції в –порядок має місце також дифракція в більш високі порядки, причиною якої може бути: 1) нелінійність відгуку середовища, що приводить до негармонічності профілю гратки; 2)багатохвильова дифракція на 1-ій гармоніці модуляції n(x), яка має місце при високих значеннях n1. Досліджено внески вказаних процесів в формування картини дифракції на гратках, записаних на ФПК-488.
Показано, що в діапазоні I = 0.2 –мВт/см2 та L<1 мкм амплітуда 2-ої гармоніки модуляції n(x) приблизно на два порядки нижче, ніж 1-ої, що свідчить про незначну нелінійність відгуку. З високою мірою точності можна вважати, що при падінні на гратку хвиль під першим кутом Брега (qВ) реалізується двохвильовий режим дифракції. Ці результати підтверджують висновок теорії про мінімізацію нелінійності відгуку при оптимальних величинах I та L.
Відносно високі значення n1 (до 0.03), притаманні досліджуваним ФПК, дозволяють спостерігати багатохвильовий режим дифракції на 1-ій гармоніці модуляції n(x) при зчитуванні гратки під другим кутом Брега (q2В). Порівняння експериментальних результатів з розрахунковими показало, що дифракція світлових хвиль у 2-ой порядок обумовлена сумарним внеском трихвильової дифракції на першій гармоніці просторової модуляції n(х) і двохвильової - на другій. Із зростанням n1 внесок трихвильового режиму дифракції стає переважаючим.
Нижні межі параметра Мохарама-Юнга , які забезпечують реалізацію двохвильового режиму дифракції, відрізняються при спостереженні дифракції під кутами Брега різних порядків. Умова 10 забезпечує двохвильовий режим дифракції при зчитуванні гратки під кутом qВ, але є недостатньою для реалізації двохвильового режиму при спостереженні дифракції під кутом q2В.
При записі пропускних граток з похилими ізофазними площинами зміна n та усадка фотоплімерного шару суттєво впливають на властивості граток. Зростання n спричиняє зменшення кута нахилу інтерференційних смуг відносно нормалі до поверхні порівняно з початковим (). Усадка шару перпендикулярно поверхні гратки () збільшує кут нахилу “штрихів”гратки. Сумісна дія обох процесів приводить до розмиття штрихів і, як слідство, до зменшення ефективної товщини гратки. При умові, що розмиття штрихів не повинно перебільшувати L/4, ефективна товщина гратки визначається як (- початковий період інтерференційного поля в шарі). Тут не враховано впливу на величини def та L0 збільшення n і зміни L гратки внаслідок усадки, оскільки їх внески на порядок і два порядки відповідно менші, ніж зміна def за рахунок усадки. Зменшення def із зростанням обмежує ефективність запису похилих граток на ФПК. Зменшення величини шляхом попередньої полімеризації шару та використання ФПК-488-В з найбільшим серед матеріалів даного типу динамічним діапазоном забезпечило запис граток з та =97-80 % (d=20 мкм).
Розузгодження гратки та інтерференційного поля внаслідок зміни середнього n і усадка шару найбільшою мірою впливають на формування відбивних граток. Вони приводять до зменшення ефективної товщини гратки (def) внаслідок її самостирання при неузгодженому зміщенні інтерференційної картини і елементів шару. Для граток з фазовими площинами паралельними поверхні
, (12)
де n0 - показник заломлення реєструючого шару до запису, - довжина хвилі записуючого пучка, - зміна n в процесі полімеризації. При отриманні (12), як і вище, вважалося, що ефективною товщиною гратки є така, для якої розмиття штрихів не перевищує L/4.
Оцінки у відповідності з (12) показують, що при традиційному способі виготовлення реєструючого шару, коли максимальна усадка відбувається в напрямі перпендикулярному поверхні, а усадка вздовж поверхні блокується силами адгезії полімеру до підкладинок, гратки з ®1 можуть бути отримані при 0.4 мкм і . Зменшення до потрібної величини за рахунок попередньої полімеризації шару приводить до зменшення динамічного діапазону матеріалу. В результаті зменшення усадки шару шляхом його однорідної попередньої полімеризації дозволило записати гратки з до 70% і N <2500 мм-1. У діапазоні N = 3000 - 5000 мм-1 =25-5%.
Наші дослідження показали, що збільшити і N відбивних граток на ФПК можливо при виконанні таких умов: 1) максимальна усадка відбувається в напрямку, паралельному фазовим площинам, 2) товщина шару в процесі запису може змінюватися незалежно від зміни п, і її зміна повинна компенсувати зміщення інтерференційних смуг в шарі, зумовлене зміною п. Щоб забезпечити виконання вказаних умов, реєструючий шар виготовлявся таким чином.
Для його формування використовувалися двошарові прокладки, що складалися з фольги і полімерного шару. Глибина перетворення полімерної прокладки і, отже, її усадка може змінюватися шляхом попереднього освітлення різними дозами просторово однорідного випромінювання. Величина експозиції прокладки залежить від і встановлюється експериментально. Реєструючий шар ФПК залишається рідким, що виключає однорідну адгезію матеріалу до підкладинки, яка перешкоджає усадці, паралельній поверхням. При таких умовах усадка шару відбувається переважно паралельно поверхням, а величина регулюється усадкою полімерних прокладок, що дозволяє “штрихам”гратки зміщатися у напрямку зміщення інтерференційного поля і частково його компенсувати. Використовуючи описану вище методику виготовлення реєструючого шару, на ФПК-488-В виготовлено відбивні гратки з 0.9 в діапазоні L = 0.16 - 0.35 мкм (рис.10) Мінімальна величина L = 0.156 мкм при = 0.488 мкм.
Крім об'ємного запису ФПК дозволяють отримувати рельєфно-фазові структури, які так само, як об'ємні гратки, формуються в процесі запису. Нами досліджено властивості рельєфних граток на ФПК, вивчено механізм їх утворення. Нижче приведено основні експериментальні результати. Максимальна глибина рельєфу (h) досягається при запису на рідких шарах з квазівільною поверхнею (підкладинка обробляється антиадгезійним покриттям). Рельєфні гратки утворюються, як на ФПК, так і на їх олігомерних складових. В обох випадках заглиблення рельєфу відповідають мінімумам інтерференційного поля. Величина h залежить від складу композиції, і I поля (рис.11). Глибина рельєфу на всіх модифікаціях ФПК-488 приблизно в п'ятеро більша, ніж на вказаних ФПК без НК. Для ФПК-488-В, в якої щільність полімерної сітки залежить від I поля, спостерігається зменшення h із збільшенням I, тоді як для олігомерної складової залежність протилежна: із збільшенням I поля h збільшується. При 8 мкм ефективність гратки визначається головним чином рельєфною складовою гратки. Гратки з 2.5 мкм характеризуються типовою для товстих граток кривою кутової селективності, h для них < 0.08 мкм, і внесок рельєфу в формування картини дифракції стає незначним.
Утворення рельєфу, синфазного полю, на ФПК без НК можливо пояснити локальною усадкою композиції в пучностях поля, що приводить до утворення додаткового вільного об'єму і виникнення масопереносу рідкої фази з неосвітлених областей в освітлені. В результаті усадка полімеру в неосвітлених областях (вузлах поля) при цілковитій полімеризації шару приводить до утворення впадин у вказаних місцях. Дана модель не враховує зміни сил поверхневого натягу шару, і тому не описує зменшення глибини рельєфу у високочастотних гратках, однак якісно описує зміну форми рельєфу і зменшення h із зростанням . Останнє зумовлене зменшенням дифузійного масопереносу із збільшенням періоду. Модель пояснює також збільшення h із збільшенням I поля для олігомерної складової ФПК-488-В, усадка якої зростає із зростанням I.
У разі композицій, в яких відбувається фазове розділення з утворенням фази b, сконцентрованої у вузлах поля, утворенню рельєфу додатково сприяє розкриття мікропор і видалення рідкої фази. Внесок другого механізму залежить від термодинамічної спорідненості компонент і швидкості полімеризації, які визначають розміри гетерофазної структури. Зокрема, для ФПК, що містять НК, другий механізм стає переважаючим. Це підтверджується зменшенням h із зростанням I поля, зумовленим зменшенням розмірів мікровключень, збагачених НК, із збільшенням швидкості полімеризації.
Розділ 7 присвячено розгляду динамічних ефектів, які супроводжують формування голограм в ФПК і визначають їх шумові характеристики. Досліджено: динамічне самопідсилення (ДСП) граток, ефект нестаціонарного енергообміну між записуючими пучками, фотоіндуковане розсіяння світла (ФІРС).
Зміна показника заломлення у вказаних матеріалах визначається експозицією
(13)
де s(I) - чутливість середовища, яка в загальному випадку залежить від інтенсивності світлового поля. У відповідності до (13) фотополімерні композиції відносяться до середовищ з локальним інерційним нерелаксуючим відгуком.
Відмінність середовищ з нерелаксуючим відгуком полягає в тому, що записані в них гратки повністю не стираються. Самодифракція пучків при таких умовах приводить до перезапису гратки в новому місці локалізації інтерференційного поля без стирання граток, записаних раніше. Перезапис триває до вичерпання динамічного діапазону середовища. В результаті розузгодження між граткою і полем збільшується, стаціонарний режим не досягається, і энергообмін між пучками не компенсується.
Особливістю ДСП голограм в середовищах з відгуком типу (13), зокрема в ФПК, є його “абсолютний" характер. При брегівському зчитуванні голограми з малою початковою дифракційною ефективністю одним із записуючих пучків в середовищі формується голограма, кінцева дифракційна ефективність () якої завжди перевищує і стабілізується на досягнутому рівні по завершенні процесу полімеризації шару. У разі симетричних умов запису ефект симетричний відносно обох брегівських пучків.
Вимірювалося ДСП пропускних граток на шарах ФПК-488-А з d = 20 мкм. Максимально досягнутий коефіцієнт ДСП 200. Спостерігаються наступні закономірності: зменшується із зменшенням і збільшенням N; зростає із зменшенням і зменшується із збільшенням N. При ДСП в середовищі формується гратка з похилими ізофазними площинами, причому кут нахилу збільшується із зменшенням .
Зменшення із зменшенням і наявність оптимальної для досягнення максимальною пояснюється залежністю граток від контрасту інтерференційного поля. При ДСП фактично відбувається перезапис гратки пучками з різною інтенсивністю, що утворилися внаслідок дифракції одного з брегівських пучків на слабкій первісній гратці. При цьому контраст інтерференційного поля залежить від , зростаючи з її збільшенням. В результаті збільшується із зростанням . З іншого боку, запис початкової гратки зменшує динамічний діапазон матеріалу, що обмежує величину . Зменшення при зменшенні L має ту ж природу, що і зменшення ефективності ПСП, яке спостерігається для високочастотних граток, і пояснюється додатковим зменшенням ефективного контрасту поля за рахунок збільшення внеску просторової нелокальності полімеризації.
Досліджено энергообмін між симетричними пучками з різною I та пучками з однаковою I, але різними кутами падіння на шар ФПК (рис.12).
В шарах ФПК-488-В з d=20 мкм коефіцієнт перетворення слабкого пучка (Pw(t)/Pw(0)) при початковому значенні Pw(0)/Pstr(0)=0.06 дорівнює приблизно 70.
Самодифракція пучків з однаковою I та різними кутами падіння на шар ФПК на відміну від інших середовищ з локальним відгуком накопичувального характеру спричиняє підсилення пучка з меншим кутом падіння (Р1). Ефективність енергообміну залежить від сили гратки, що формується в середовищі. При незмінній силі гратки енергообмін зростає при збільшенні нахилу бісектриси кута між пучками.
Особливістю енергообміну у досліджуваних ФПК є те, що його ефективність і напрямок залежать від усадки шару. Дійсно, як вказувалось вище, збільшення показника заломлення, яке традиційно зумовлює енергообмін у подібних середовищах, спричиняє поворот похилих інтерференційних смуг у напрямку до нормалі до поверхні. Усадка шару перпендикулярно поверхні приводить до повороту ізофазних площин у протилежному напрямку. Причому кут повороту внаслідок усадки на порядок перевищує кут повороту за рахунок зміни n. В результаті спостерігається підсилення пучка Р1 (рис.12,б). Зменшення способом, який використовувався при записі відбивних граток, приводить до зміни напрямку енергообміну і відповідно послабленню менш похилого пучка Р1.
Наявність усадки впливає також на ефективність енергообміну між пучками з різною інтенсивністю та однаковими кутами нахилу. Зменшення в 1.6 –.7 разів (при умові незмінності сили гратки) приводить до відповідного зменшення коефіцієнту перетворення слабкого пучка приблизно в 1.3-1.5 разів. Останнє зрозуміло, оскільки у даному випадку усадка додатково збільшує нахил гратки, не змінюючи його напрямку. Таким чином, усадка шарів ФПК в процесі запису є фактором, який підсилює нестаціонарний енергообмін у вказаних середовищах.
Як відомо, ФІРС є результатом перекачки енергії в нелінійному середовищі від сильної когерентної хвилі до слабкої, яка виникає внаслідок розсіяння сильної хвилі на фазових неоднорідностях середовища. При цьому в середовищі внаслідок інтерференції записуючої хвилі з розсіяною формується шумова голограма. В ФПК завдяки нерелаксуючому відгуку відбувається незворотне підсилення фотоіндукованого розсіяння і відповідно шумової голограми.
Наші дослідження показали, що шумові характеристики граток, записаних на ФПК, визначаються головним чином світлорозсіянням в них. Можливі дві основні причини зростання світлорозсіяння в подібних середовищах: формування гетерогенної структури полімеру і розвиток ФІРС.
Вимірювання середніх розмірів фазових неоднорідностей, які формуються в полімері при однорідному некогерентному освітленні, і рівня світлорозсіяння на них показали, що при оптимальному вмісті НК світлорозсіяння на гетерогенній структурі полімеру з товщиною шару до 1 мм вносить незначний внесок у шумові характеристики граток. Таким чином ФІРС є головним фактором, який визначає шумові характеристики голографічних граток на ФПК. ФІРС також може бути зменшено певними прийомами, які будуть описані нижче. В роботі досліджено залежності інтегральних витрат на світлорозсіяння (R*=1-T, Т- пропускання шару) від I записуючого лазерного пучка і d шару. Збільшення граток із зростанням I поля, що обговорювалось вище, а також їх підсилення за рахунок енергообміну сприяють нелінійному зростанню R* з ростом I та d. При збільшенні I поля від 0.1 до 0.5 мВт/см2 (d=20 мкм) спостерігається збільшення R* від 8 до 25 % відповідно. При збільшенні d до 200 мкм R* зростає приблизно до 80% і при подальшому збільшенні d не змінюється внаслідок втрати когерентності хвиль, які записують шумові структури, при багатократному розсіянні.
Оскільки запис на товстих шарах дозволяє отримати елементи з високою спектральною селективністю, досліджено запис граток на шарах ФПК з максимально можливою товщиною. Ефективність шумових структур може бути зменшена: а)попередньою полімеризацією реєструючого шару, яка зменшує світлорозсіяння, зумовлене формуванням мікрогеля на початковому етапі полімеризації, та усадку шару і тим самим ефективність шумової голограми; б)використанням ефекту ПСП голограм, що виключає динамічне підсилення шумових структур, яке має місце при неперервному записі.
Встановлено, що при d<100 мкм і I до 10 мВт/см2 витрати на світлорозсіяння можуть бути мінімізовані до прийнятної величини (<1%) першим з вказаних прийомів. При d > 200 мкм амплітуди модуляції показників заломлення основної і шумових граток стають сумірними. У даному випадку найбільш ефективним стає другий метод. Внаслідок комбінації обох прийомів розроблено спосіб виготовлення голографічних граток на ФПК з товщиною до 1 мм, до 95% і кутовою (спектральною) селективністю 6 кут. хвилин (3.3 нм), що зберігає переваги запису “in situ" і забезпечую прийнятне відношення сигнал/шуми ( 2%).
У розділі 8 наведено приклади практичного використання розроблених ФПК для виготовлення різноманітних ГОЭ, а також для голографічної фотографії.
Досліджено дисперсійні резонатори лазерів на барвниках зі змінною довжиною хвилі генерації, в яких використовуються об'ємні пропускні дифракційні гратки і селектори ПВО на їх основі. Показано, що наявність спектральної (кутової) селективності в об'ємних гратках дозволяє істотно зменшити розбіжність та спектральну ширину лінії генерації лазера без використання додаткової телескопічної системи. Діапазон перебудови і кпд лазера при цьому такі ж, як при використанні рельєфних відбивних граток з такою ж просторовою частотою. Використання гратки з N = 2100 мм-1 і d = 100 мкм дозволило звузити лінію генерації до 0.0015 нм.
Розроблено бінарні дифракційні фільтри з такими параметрами: ”%, напівширини кутової селективності ”.2°, спектральної ”.45 нм, дифракційна ефективність в бокових пелюстках < 1%.
Розглянуто використання ФПК-488-В для запису просторових частотних фільтрів у кореляторі Вандер Люгта. При дифракційній ефективності фільтра 20 - 50 % відношення сигнал/шум становить 30-40 dB, що забезпечує надійну реєстрацію кореляційного сигналу.
На прикладі досліджуваних ФПК показана можливість використання подібних середовищ для контактного копіювання амплітудних транспарантів. Реєструючий шар освітлюється колімованим лазерним пучком через транспарант, встановлений впритул до шару. Зображення формується в процесі експонування і в разі позитивного транспаранту являє собою прозорий малюнок на матовому полі, з якого можна отримати позитивну копію на фотопапері. Воно формується внаслідок запису шумової голограми, яка виникає в результаті інтерференції просторово промодульованого по інтенсивності лазерного пучка, який проходить крізь транспарант, з розсіяними на неоднорідностях транспаранту і шару. Фотографічні характеристики голографічних матеріалів визначаються величиною амплітуди модуляції показника заломлення і близькі до характеристик везикулярних матеріалів, істотно перевершуючи останні по роздільній здатності.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі вирішується наукова проблема встановлення кількісного взаємозв'язку між характеристиками голографічних граток на фотополімерних композиціях, які забезпечують формування голограм в процесі запису, з фізико-хімічними властивостями компонент середовища, кінетичними параметрами процесів, що забезпечують голографічний запис, і характеристиками записуючого поля.
Основні результати роботи наведено нижче.
1. Розроблено бінарні фотополімерні композиції ФПК-488, ФПК-520, ФПК-650, які містять полімеризаційноздатні сполуки (мономери, олігомери) та хімічно нейтральну компоненту і забезпечують запис високоефективних граток у спектральному діапазоні 350-670 нм. Голограми у вказаних ФПК формуються в процесі запису і не потребують ніякої постобробки.
. Розвинуто уявлення про механізм формування об'ємних та рельєфних голограм на бінарних фотополімерних композиціях.
3. Запропоновано, та розроблено термодинамічну модель процесу голографічного запису на ФПК. Встановлено, що термодинамічна спорідненість полімеру і НК, яку можна кількісно охарактеризувати різницею їх параметрів розчинності визначає голографічні характеристики ФПК.
Динамічний діапазон визначається:
Світлочутливість ФПК визначається залежністю швидкості полімеризації від концентрації НК. Зменшення і відповідно збільшує швидкість голографічного запису.
Встановлено зв'язок між структурою гетерофазної системи полімер-НК, термодинамічними властивостями і голографічними характеристиками ФПК.
. Визначено основні закономірності кінетики голографічного запису на ФПК Розділено внески в неї полімеризаційного і дифузійного процесів.
5. Розроблено теоретичну модель голографічного запису на фотополімерних матеріалах з дифузійним масопереносом компонент, яка враховує особливості процесу полімеризації при високих ступенях перетворення мономеру в полімер. Модель дозволяє проаналізувати кінетичні закономірності процесу запису. Запропоновано критерій ефективності запису, який встановлює кількісний зв'язок між параметрами полімеризаційного процесу, коефіцієнтом взаємодифузії мономеру та нейтральної компоненти, інтенсивністю та періодом інтерференційного поля. Виконання вказаного критерію є необхідною умовою досягнення максимально можливих значень амплітуди модуляції показника заломлення і швидкості запису.
6. На основі одержаних результатів визначено критерій вибору компонент ФПК відповідно до їх термодинамічних і фізико-хімічних властивостей, який дозволяє оптимізувати фотополімерні композиції.
. Встановлено залежності параметрів граток різного типу (об'ємних і рельєфних пропускних і відбивних) від особливостей механізму запису.
8. Встановлено особливості розвитку динамічних ефектів у фотополімерах, які належать до класу середовищ з локальним інерційним нерелаксуючим відгуком.
Розроблено спосіб зменшення фотоіндукованого світлорозсіяння шляхом використання ефекту темнового підсилення граток, який дозволив записати гратки з d до 1 мм, h до 95%, високою спектральною селективністю та низьким рівнем шумів.
Аналіз існуючих даних про властивості різних ФПК вказує на загальний характер висновків, зроблених в дисертаційній роботі, і їх застосовність до ФПК різних складів. Одержані результати дозволили оптимізувати носії та умови запису і виготовити голографічні гратки, властивості яких задовольняють вимогам до оптичних елементів для спектральних та лазерних приладів.
СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ АВТОРА
1. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. Анализ спектрально-угловых характеристик фазовых дифракционных решеток на фотополимеризующейся композиции //ЖТФ. –. - Т.57, № 5. - С.932-936.
2. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н.. Тихонов Е.А. Многоволновая дифракция на объемных фазовых решетках, записанных на фотополимеризующейся композиции //Укр.физ.журн. –. –Т.32, №12. –С. 1810-1814.
. Тихонов Е.А., Смирнова Т.Н., Гюльназаров Э.С., Бойко Ю.Б. Новые фотополимерные композиции для записи голограмм: механизмы, голографические и оптические характеристики //Высокоэффективные среды для записи голограмм. - Л.: Из-во АНСССР. - 1988. - С. 137-144.
. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А., Шпак М.Т. Диффузионное самоусиление голографической записи на фотополимерах //Укр. физ. журн. - 1988. - Т.33, №1. - С.8-10.
. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. Самоусиление фазовых голограмм в фотополимеризующейся композиции //Письма в ЖТФ –. - Т.58, № 12. - С. 2405-2407.
. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. О механизме записи фазовых голограмм на жидких фотополимеризующихся составах // Опт. и спектр. –. - Т.67, № 1.- С.175-179.
. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н.,Тихонов Е.А., Суровцев Д.В. Светорассеяние в голограммах, записанных на фотополимеризующейся композиции //Журн. прикл. спектр. –. - Т.51, №1. - С.111-117.
. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. Постполимеризационное самоусиление голограмм на фотополимеризующемся композите ФПК-488 //ЖТФ. –. - Т.61, № 1. - С.111-117.
. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. Динамическое самоусиление фазовых голограмм, записанных на фотополи-меризующейся композиции //ЖТФ. –. –Т.61, №10.- С.114-119.
. Тихонов Е.А., Смирнова Т.Н., Гюльназаров Э.С. Голографическая запись на фотополимерных материалах. //Квантовая электроника, "Наукова думка". –. - №40. - С.1-25.
. Сахно О. В., Смирнова Т. Н., Тихонов Е. А. Голографическая фотография в реальном времени. // Журн. научн. и прикладной фотографии, 1992.-№3.- С.204-210.
. Сахно О.В., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. Характеристики голографической записи при предельно достижимых толщинах регистрирующего фотополимерного материала // ЖТФ. - 1993.- Т.63, № 12. - С.70-79.
. Смирнова Т.Н., Сахно О.В., Тихонов Е.А., Смирнов В.В. Формирование рельефа при голографической записи на фотополимеризующихся композитах // Опт. и спектр. –. - Т.76, №5. - С.805-809.
. Смирнова Т.Н., Сарбаев Т.С., Тихонов Е.А. Голографическая запись отражательных решеток на фотополимеризующемся композите в реальном времени //Квант.электр. –. –Т.21, №4. –С. 373-374.
. Смирнова Т.Н., Сарбаев Т.С., Тихонов Е.А. Голографическая запись в реальном времени отражательных решеток на фотополимерных материалах с изменяющимся средним показателем преломления и плотностью // Опт. и спектр. –.- Т.83, №5. - С. 837-842.
. Сахно О.В. Смирнова Т.Н., Стрелец И.А., Тихонов Е.А. Температурная стабильность и лучевая прочность решеток на фотополимеризующемся композите // ЖТФ. - 1998.- Т.68, № 6.- С. 105-110.
. Сахно О.В., Смирнова Т.Н. Влияние термодинамических свойств фотополимеризующихся композиций на их голографические характеристики // Опт. и спектр. -1998. - Т. 85, № 6. - С. 1033-1038.
. Смирнова Т.Н. Структурно-кинетические особенности формирования голограмм в фотополимеризующихся композициях //Опт. и спектр.–.-Т.85, № 5.–С. 848-852.
. Смірнова Т.М. Фотополімери для голографії: термодинамічний аспект процесу голографічного запису”//Укр.фіз.журн.- 1999.- Т. 44, №1-2. - С. 93-103.
. Смірнова Т.М. Особливості кінетики голографічного запису на фотополімерних композиціях //Укр.фіз.журн.–.–Т.44, №3.- С. 93-103.
. Смирнова Т.Н., Сахно О.В., Тихонов Е.А., Ежов П.В., Шибанов В.В. Новые самопроявляющиеся фотополимеры для голографической записи в диапазоне 500-700 нм //Журн.прикл.спектр.–.-Т. 67, №1.–С.29-33.
. Гюльназаров Э.С., Обуховский В.В., Смирнова Т.Н. К вопросу о теории голографической записи на фотополимеризующемся материале // Опт. и спектр. - 1990. - Т.69, №1. - C.178-182.
. Обуховский В.В., Смирнова Т.Н. Модель процесса голографической записи на фотополимеризующихся композитах // Опт. и спектр. - 1993. - Т.74, №4. - C.778-785.
. Карпов Г.М., Обуховский В.В., Смирнова Т.Н. Теория формирования голограмм в фотополимерных материалах с полимеризационно-диффузионным механизмом записи. I. Общая система уравнений // Опт. и спектр. - 1996. - Т.81, №6. - C.1033-1038.
. Карпов Г.М., Обуховский В.В., Смирнова Т.Н., Сарбаев Т.А. Теория формирования голограмм в фотополимерных материалах с полимеризационно-диффузионным механизмом записи. II. Закономерности процесса и критерий эффективности голографической записи // Опт. и спектр. - 1997. - Т.82, №1. - C.145-152.
26. Карпов Г.М., Обуховський В.В., Смірнова Т.Н. Особливості голографічного запису в бінарних фотополімерних композиціях // Укр. фіз. журн. - 1999. - Т.44, N10. - C.1215-1222.
27. Karpov G.M., Obukhovsky V.V., Smirnova T.N., Lemeshko V.V. Spatial transfer of matter as a method of holographic recording in photoformers. // Optics Commun. - 2000. - V.174, N 5,6. - P.391-404.
. Karpov H.M., Obukhovsky V.V., Smirnova T.N. Generalized model of holographic recording in photopolymer materials //Semicond.Phys.Quant Electr.&Optoelectr. –. –V.2. –No.3. –P.67-70.
. Smirnova T.N., Tikhonov E.A, Gulnazarov E.S. Optical non-linearity and holographic recording of stable periodic structures in polymeric photorefractive media //Proc. SPIE.- 1988.-1017. - P. 190-192.
. Gulnazarov E.S., Smirnova T.N., Tikhonov E.A. // Recording mechanism and post-polymerizing self-amplification of holograms //Proc. SPIE. –. - v.1238. - p.235-239.
. Smirnova T.N. Thermodynamical and structural aspects of holographic recording in photopolymers //Proc.SPIE. –. –V.3486. –P.93-102.
. Smirnova T. N. Photopolymers for holography: interconnection between holographic characteristics and parameters of physical-chemical processes causing recording //Proc. SPIE. –. - V. 3733. - P.364-373.
. Smirnova T.N., Sakhno O.V. Kinetic peculiarities of holographic recording in photopolymers // Proc. SPIE.–. - V. 3488. - P.267-274.
. Sakhno O.V., Smirnova T.N., Tikhonov E.A. Investigations of temperature behavior and the optical damage threshold of holographic gratings on the base of photopolymerizable materials //Proc. SPIE. -1998.- v.3359.- p.494-500.
. Smirnova T.N., Strelets I.A., Tikhonov E.A. Application of holographic polymer gratings in spectral devices: temperature stability of parameters //Proc. SPIE. –.-V.2648. –P.633-640.
36. Бойко Ю.Б., Гудзера С.С., Маслюк А.Ф., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А., Шилов В.В. О фотохимической стабильности записи информации на фотополимерных слоях //Тезисы III Всесоюз. конф. по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти". Ереван. –.- Т.2. –С.65-66
. Бондар М.И., Бойко Ю Б., Гюльназаров Э.С., Пржонская О.В., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А., Федоткина Н.М. Лазерные и голографические оптические элементы на основе активированных красителями фотополимеров //Материалы IY Всесоюзной конф. "Перестраиваемые по частоте лазеры". Новосибирск. –. - С. 304 -307.
. Смирнова Т.Н., Гюльназаров Э.С., Тихонов Е.А. Достижения и перспективы использования фотополимерных композитов для голографической записи. Тезисы докладов УІ Всесоюзной конф. по голографии. Витебск, 1990, с.20.
А Н О Т А Ц І Ї
Смірнова Т.М. Голографічний запис на фотополімерах: механізми і режими запису, дифракційні властивості голографічних граток. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 –оптика, лазерна фізика. –Інститут фізики НАН України, Київ, 2001.
Дисертацію присвячено вивченню закономірностей голографічного запису на фотополімерних композиціях (ФПК), які забезпечують формування голограм в процесі запису. Встановлено механізми запису об'ємних та рельєфних граток та роль фазового розділення композиції в формуванні стабільних структур. Визначено залежності голографічних властивостей ФПК від термодинамічної спорідненості компонент і кінетичних параметрів полімеризаційного та дифузійного процесів, які зумовлюють запис. Досліджено вплив на параметри граток різного типу особливостей механізму запису та розвитку динамічних ефектів, що супроводжують запис в подібних середовищах. Визначено методи оптимізації складу композицій, умови забезпечення максимальної ефективності та швидкості запису. Розроблено нові фотополімерні матеріали, виготовлено та випробувано дослідні зразки голографічних дифракційних граток.
Ключові слова: фотополімерні композиції, голографічний запис, голографічні гратки, об'ємні фазові гратки, рельєфно-фазові гратки.
Smirnova T.N. Holographic recording in photopolymers: mechanisms and modes of recording, diffraction properties of gratings. Manuscript.
Thesis for a doctor's degree by speciality 01.04.05 –optics, laser physics. –Institute of Physics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2001.
The dissertation is devoted to stagy of features of holographic recording in photopolymer compositions that ensure formation of holograms during recording. We study the mechanisms of recording of volume and relief gratings and role of phase separation of composition in their formation. We determine the dependence of holographic characteristics of photopolymers from the thermodynamic affinity of components and kinetic parameters of polymerization and diffusion processes ensuring record. We also research the influence of dynamic effects accomplish recording in such materials on the gratings properties. The methods of optimization of compositions and conditions for effective and fast record are determined. The new photopolymers are developed. Holographic gratings in proposed materials are produced and tested.
Key words: holographic recording, holographic gratings, volume phase gratings, relief gratings.
Смирнова Т.Н. Голографическая запись на фотополимерах: механизмы и режимы записи, дифракционные свойства голографических решеток. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05 –оптика, лазерная физика. –Институт физики НАН Украины, Киев, 2001.
Диссертация посвящена изучению закономерностей голографической записи на фотополимерных композициях (ФПК). Исследовались бинарные ФПК, включающие полимеризационноспособные соединения (мономеры, олигомеры) и химически нейтральную компоненту (НК), обеспечивающие формирование стабильных голограмм в процессе записи.
Развиты представления о механизме записи и роли фазового разделения композиции в формировании объемных и рельефных голограмм на фотополимерах. Установлен полимеризационно-диффузионный механизм записи. Показано, что пространственная модуляция показателя преломления фотополимерного слоя происходит за счет взаимодиффузии олигомера и НК, возникающей в результате нарушения термодинамического равновесия смеси при пространственно-неоднородной полимеризации. Установлено, что голограммы, записанные на материалах типа ФПК-488, представляют собой двухфазные структуры, равновесность которых обеспечивает стабильность их параметров. Определены зависимости голографических характеристик материалов от термодинамической совместимости компонент композиции и кинетических параметров полимеризационного и диффузионного процессов. Определены методы оптимизации состава ФПК и условия достижения максимальной эффективности и скорости записи.
Исследовано влияние на параметры решеток особенностей механизма записи и развития динамических эффектов, сопровождающих запись в подобных средах. Найдены условия компенсации рассогласования интерференционной картины и решетки, возникающего в процессе записи в результате изменения среднего показателя преломления и усадки слоя. Предложен способ уменьшения фотоиндуцированного светорассеяния, определяющего шумовые характеристики решеток, и записи высокоселективных решеток с толщиной до 1 мм
Разработан ряд оригинальных материалов, обеспечивающих высокоэффективную запись в спектральном диапазоне 350-670 нм. На их основе изготовлены и испытаны опытные образцы голографических дифракционных решеток.
Ключевые слова: фотополимеризующиеся композиции, голографическая запись, объемные фазовые решетки, рельефно-фазовые решетки.