Регистрирующие среды для голографии

1. ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ Лекция № 8 Регистрирующие среды для голографии

лектор: О.В. Андреева

2.

Техника голографического
эксперимента –
регистрирующие среды

3. Применение голографических светочувствительных сред

• Изобразительная голография
• Изготовление голограммных оптических
элементов
• Информационные технологии - архивная
голографическая память

4. Типы голограмм в зависимости от характеристик:

Параметры
регистрирующей среды
• схемы регистрации – угол
между
интерферирующими
пучками
• соотношения между Т и d;
• модуляция
оптического
параметра среды;
• характера
изменения
параметров регистрирующей
среды при записи – обратимый
(динамические) и необратимый
(статические голограммы).
• разрешающая способность;
• толщина;
• фотоотклик материала
реверсивные
среды
со
изображением;
среды
и
скрытым

5. Фотоотклик регистрирующей среды

Модуляция
оптического параметра
• коэффициент поглощения ( );
• показатель преломления (n);
• толщина материала (Т);
Тип голограммы
• амплитудная голограмма;
• фазовая голограмма;
• рельефно-фазовая;

6. Техника эксперимента

Требуемые
параметры РС
• Режим
работы
источника
излучения
–
непрерывный,
импульсный
• Выполнение
закона
взаимозаместимости
• Спектральный состав излучения
используемого источника
• Мощность источника излучения;
стабильность
установки
и
отдельных
элементов
схемы
регистрации.
• Спектральная
чувствительность
• Чувствительность
(определяет
экспозиции).
время

7. Основные характеристики регистрирующих сред

Чувствительность
Характеристическая кривая
Разрешение
Динамический диапазон
Функция передачи модуляции Частотно-контрастная характеристика

8. Оценка чувствительности регистрирующих сред для голографии

Энергетическая чувствительность:
• голографическая чувствительность – Hопт , H1%;
Hопт (ДЭ = max),
H1% (ДЭ = 1%);
!!! Количество энергии монохроматического излучения, необходимое для
достижения ДЭ = N%
• спектральная чувствительность (S );

9. Чувствительность

• В нашей стране под интегральной чувствительностью (S) понимают
величину, обратную количеству освещения, которое необходимо для
получения оптической плотности проявленного фотографического
слоя 0,2 сверх вуали.
• S измеряется в единицах ГОСТа и ее величина обратно
пропорциональна экспозиции, необходимой для достижения искомой
плотности.
• Под спектральной чувствительностью понимается величина, обратная
количеству энергии монохроматического излучения, необходимому
для получения оптической плотности проявленного материала,
равной единице, сверх оптической плотности вуали.

10. Экспозиция

Энергетическая экспозиция, Н, –
количество энергии излучения, приходящееся на единицу
площади освещаемого участка за период освещения, т.е.
экспонирования;
иначе: произведение энергетической освещенности
(облученности, Е,) на длительность облучения (t).
H=Et

11. Запись голограмм в линейном и нелинейном режиме

• В линейном режиме записи амплитуда
голограммы прямо пропорциональна
воздействующей экспозиции
Иначе: амплитуда модуляции оптического параметра в
голограмме прямо пропорциональна плотности
энергии, приходящейся на единицу площади данного
участка регистрирующей среды.

12. Динамический диапазон

• Динамический диапазон регистрирующих сред
характеризует возможность линейной
регистрации сигнала (информации) на данном
материале.
• Эта величина играет важную роль при
регистрации голограмм, так как возможность
линейной регистрации сигнала связана с
правильной (неискаженной) передачей
интерференционной структуры.

13.

Характеристическая кривая CMOS матрицы фотоаппарата
Демонстрация линейной зависимости
фотоотклика среды от экспозиции
13

14. Динамический диапазон регистрирующих сред для голографии

I min
D 0,1 lg(
), dB (дБ )
I max
Imin – ограничен уровнем сигнал/шум;
Imax – ограничен уровнем сигнала, при котором можно пренебречь нелинейными
эффектами
При записи одиночных голограмм
При записи наложенных голограмм
динамический диапазон характеризует
информационную емкость регистрирующей среды:
N
M # ДЭi
i 1

15. Зависимость суммарной амплитуды фазовой модуляции наложенных голограмм

N
i=1( 1), ðàä
Зависимость суммарной амплитуды фазовой
модуляции наложенных голограмм
4 N ,
i=1 i
рад
3
2
1
N
i=1Hi, Дж/см
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2
10 11 12
Data: B1_
Model: kw
Chi^2 = 0
A
4
B
-4
C
4
D
1
F
0

16. Разрешение

• Разрешение светочувствительного материала (R),
как правило, определяется значением
максимальной пространственной частоты
голограммы, которая может быть эффективно
зарегистрирована.
• Разрешение, необходимое для регистрации всех
пространственных частот голограммы должно
быть R ≥ max.
• Разрешение можно оценить по формуле
R ≥ 2nSinθ/λ

17. Разрешение – R, мм -1; ФПК – функция передачи контраста; ЧКХ – частотно-контрастная характеристика;

зависимость амплитуды
интерференционной картины
от пространственной частоты
P
P
P
L
O2 b
2
O0 b O1
РС
1
2
1
d
min sin 0
max sin
R max
b
b2 c2

18. Частотно-контрастная характеристика

Функция передачи модуляции - (частотноконтрастная характеристика)
зависимость амплитуды записанной в
регистрирующей среде синусоидальной решетки
от пространственной частоты этой структуры.
ФПМ (ЧКХ) более полно характеризует
регистрирующий материал, чем
предельное значение R.

19. Частотно-контрастная характеристика

1 – Диффен, 2 - фотоматериал

20. Основные характеристики регистрирующих сред

• Чувствительность
• Разрешение
• Динамический диапазон
• Функция передачи модуляции

21. Регистрирующие среды со скрытым изображением

Инициированные световым воздействием
изменения параметров регистрирующей среды
непосредственно в процессе записи информации
являются незначительными и проявляются в
результате дополнительной обработки
материалов после экспонирования (в процессе
постэкспозиционной обработки).
Регистрирующие среды со скрытым изображением
обладают, как правило, значительно более высокой
чувствительностью и другими возможностями, так как
при постэкспозиционной обработке скрытое
изображение многократно усиливается.

22. Галогенидо-серебрянные регистрирующие среды – среды со скрытым изображением для получения статических голограмм

Процесс получения голограмм
• экспонирование;
постэкспозиционная обработка:
• проявление,
• фиксирование,
• отбеливание.
Отличительные особенности:
• высокая чувствительность;
• широта спектральной сенсибилизации;
• разнообразие методов постэкспозиционной обработки;
• высокая разрешающая способность.

23. Что происходит в галогенидосеребряном материале при воздействии излучения?

2AgBr + hy = 2Ag + Br2
Особенность - зернистость изображения
Этапы получения изображения:
• Запись информации в виде скрытого изображения
• Усиление скрытого изображения – процесс проявления
фотоматериала в водном растворе проявителя
• Удаление светочувствительных зерен AgBr –
фиксирование материала
• Промывка, сушка, дополнительная обработка

24. Полимерные регистрирующие среды для голографии (Среды со скрытым изображением)

• Фотополимеризующиеся системы (полимерные
слои,
содержащие
компоненты,
полимеризующиеся под действием света);
• Светочувствительные
полимерные
среды
(полимерный каркас + светочувствительное
вещество).

25. Основные требования к материалам для получения объемных статических голограмм (использование в качестве оптических элементов)

высокая разрешающая способность;
большая толщина (мм);
безусадочность;
чувствительность к излучению имеющихся лазеров;
возможность длительного хранения информации;
неизменность параметров в процессе длительной
эксплуатации;

26. Конструирование регистрирующих сред для голографии

Принцип композиционной структуры:
жесткий каркас + светочувствительная композиция;
Композиционные материалы на основе пористых стекол.
Пористое стекло – жесткий каркас.
композиция:
• бихромированная желатина
• галоидное серебро + желатина;
• другие химические соединения.
Светочувствительная
Регистрирующие среды на основе пористых стекол по физикомеханическим свойствам близки к свойствам силикатного стекла
и являются безусадочными материалами.

27.

Источники излучения
для работы с материалом на основе ФХ
Лазеры
Рабочее тело
№ λ
Источник накачки
1
440 нм
Гелий-Кадмиевый лазер
2
3
473 нм
458 нм, 488 нм, 514 нм
Твердотельный лазер
Аргоновый лазер
Электрический разряд в
смеси паров
Диод
Электрический разряд
Спектр поглощения ФХ
1
0,9
1
0,8
3
2
3
3
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
400
420
440
460
480
500
520
540
λ ,нм

28. Характеристики материала «Диффен»

Этапы получения голограммы:
• Запись информации в виде скрытого
изображения
• Усиление скрытого изображения – прогрев
образца (50 град, 50 часов)
• Преобразование светочувствительных
молекул ФХ в несветочувствительные –
фиксирование материала

29. Полимерные регистрирующие среды для голографии (Среды со скрытым изображением)

• Фотополимеризующиеся системы (полимерные
слои,
содержащие
компоненты,
полимеризующиеся под действием света);
• Светочувствительные
полимерные
среды
(полимерный каркас + светочувствительное
вещество).

30.

запись голограмм на реоксане
2. запись голограммы
S +материала:
h S * выход
Sнасыщение
*
1. очувствление
кислородом
3. фиксирование:
кислорода
1
1
3
S3* + O23 S1 + O21*
A + O21* AO2

31. реоксан с постэкспозиционным отбеливанием

1. насыщение материала
кислородом
2. запись голограммы
3. удаление кислорода
4. фотообесцвечивание
красителя-сенсибилизатора

32. голограммы в пористом стекле

hv
• экспонирование
• проявление,
фиксирование
• травление
• удаление
оболочек

33. фототерморефрактивное стекло

1
1. образование
центров агрегации
облучение
325 нм
Ce4+
e
Ce3+
2. агрегация,
образование
центров
кристаллизации
2
Ag+
Ago
Ago
(Ago)n
T = 400°C
3. образование
микрокристаллов
NaF
3
FNa+
T = 520oC
(Ago)n

34. формирование голограмм в кристаллах флюорита

1. фотоионизация простых центров
окраски
2. диффузия вакансий и электронов
в узлы интер-ференционной
картины
3. образование высокоагреги-
рованных (коллоидных) центров

35. спектральные характеристики голограмм в кристаллах флюорита

1.0
D/Dmax
R/Rmax
h, %
0.5
10
0.0
0
300
600
900 ,
нм
D – оптическая плотность, h дифракционная эффективность,
R - рефракция (расчет)

36. Сравнительные характеристики голограмм в неорганических средах

материал
, нм
E, Дж/см2
капиллярные
композиты
440-520
10-2 – 1 10-3 -10-1 10 – 103 500ºС
фототерморефрактивное 280-350
стекло
аддитивно
окрашенный
флюорит
300-400
Dnmax
1 - 10
10-3
~1
5×10-5
d, мкм
103
103
–
104
T °C
500ºС
обработка
проявление,
травление
термообработка
запись при
200ºС повышенной
температуре

37. Разработки Государственного Оптического института

• Предложен ряд нетрадиционных подходов к созданию
регистрирующих сред, возможности которых далеко не
исчерпаны
• Созданы полимерные, неорганические и микрогетерогенные толстослойные регистрирующие материалы,
обеспечивающие долговременную эксплуатацию трехмерных голограмм
• Спектр предложенных материалов позволяет успешно
осуществлять разработку разнообразных практических
приложений голографии

38. Динамические регистрирующие среды

• Регистрирующая среда динамическая – инициированные световым
воздействием изменения параметров регистрирующей среды
происходят непосредственно в процессе записи информации (под
воздействием излучения). Различают: регистрирующая среда
динамическая с нелокальным откликом (фоторефрактивная) –
пространственное распределение фотоиндуцированного показателя
преломления при записи синусоидальной интерференционной
картины сдвинуто по фазе по отношению к распределению
интенсивности в регистрируемой интерференционной картине;
регистрирующая среда динамическая с локальным откликом
(фоторефрактивная) – пространственное распределение
фотоиндуцированного показателя преломления при записи
синусоидальной интерференционной картины синфазно или
противофазно распределению интенсивности в регистрируемой
интерференционной картине.

39. При экспонировании изменяется показатель преломления n.

Фоторефрактивные динамические среды
При экспонировании изменяется показатель преломления
n.
•Фоторефрактивные
кристаллы:
ниобат
лития
ниобат
лития*
танталат
лития
силикат
висмута
германат висмута (Bi12GeO20).
(LiNbO3);
(LiNbO3:F);
(LiTaO3);
(Bi12SiO20);
Динамические
среды
с
бистабильными
примесными центрами – кристалы фторида
кадмия (CdF2)

40. Динамические регистрирующие среды

• Регистрирующая среда динамическая – инициированные световым
воздействием изменения параметров регистрирующей среды
происходят непосредственно в процессе записи информации (под
воздействием излучения). Различают: регистрирующая среда
динамическая с нелокальным откликом (фоторефрактивная) –
пространственное распределение фотоиндуцированного показателя
преломления при записи синусоидальной интерференционной
картины сдвинуто по фазе по отношению к распределению
интенсивности в регистрируемой интерференционной картине;
регистрирующая среда динамическая с локальным откликом
(фоторефрактивная) – пространственное распределение
фотоиндуцированного показателя преломления при записи
синусоидальной интерференционной картины синфазно или
противофазно распределению интенсивности в регистрируемой
интерференционной картине.

41. При экспонировании изменяется показатель преломления n.

Фоторефрактивные динамические среды
При экспонировании изменяется показатель преломления
n.
•Фоторефрактивные
кристаллы:
ниобат
лития
ниобат
лития*
танталат
лития
силикат
висмута
германат висмута (Bi12GeO20).
(LiNbO3);
(LiNbO3:F);
(LiTaO3);
(Bi12SiO20);
Динамические
среды
с
бистабильными
примесными центрами – кристалы фторида
кадмия (CdF2)

42. Литература

1.Суханов В.И.Регистрирующие среды для голографии. В кн.: Физическая энциклопедия, т.4, с.300301, 1994.
2.Барачевский В.А. Светочувствительные регистрирующие среды: применение в голографии. В
кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007,
с.226-240.
3.3D лазерные информационные технологии. Отв.ред.Твердохлеб П.Е., Новосибирск, 2003.
4.Андреева О.В., Бандюк О.В.. Парамонов А.А. и др. Высокоэффективные мультиплексные
голограммы на полимерном материале «Диффен»//Оптич.журнал, 2006, Т.73,№9, С.60-63.
5.Суханов В.И., Вениаминов А.В., Рыскин А.И., Никоноров Н.В. Разработки ГОИ в области объемных
регистрирующих сред для голографии. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник
современной голографии. Сб.трудов, СПб, 2007, с.262-276.
6. Суханов В.И. Трехмерные глубокие голограммы и материалы для их записи//Оптич. журн. 1994.
№1. С.61-70.
7.Рябова Р.В. и др. Наноматериалы для голографии Российского научного центра «Курчатовский
Институт». В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии.
Сб.трудов, СПб, 2007, с.288-292.
8.Ворзобова Н.Д. Галогенсеребряные материалы для голографической записи импульсным
излучением. В кн.: Юрий Николаевич Денисюк – основоположник современной голографии.
Сб.трудов, СПб, 2007, с.277-281.